发光材料与显示技术课件：5 半导体光学（第一章）.ppt

1、半导体光学 半导体材料是信息时代的原动力原动力和发动发动机机,是现代高科技的核心核心与先导先导。 半导体材料发展迅速第一代半导体材料：硅，锗硅，锗 推动集成电路为核心的微电子工业的发展 推动 IT产业的飞跃 在集成电路中，99用硅 硅、锗基本物理参数 晶格常数 原子密度 共价半径硅：0.543089nm 5.001022 0.117nm锗：0.565754nm 4.421022 0.122nm 第二代半导体材料:砷化镓,磷化铟 GaAs是目前最主要的高速和超高速半导体器件 几乎垄断手机制造中的功放器件市场 InP作为光纤通讯的关键光电部件应用在激光源、光纤放大器、多路复用和信号分离器件 第二代

2、半导体材料的主要应用还包括红外激光器和高亮度的红色发光二极管等 第三代半导体材料：氮化镓，氧化锌 以高亮蓝光发光二极管（LED）和蓝光激光器的应用为标志 禁带宽度大、击穿场强高、饱和电子迁移速率高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强，以及良好的化学稳定性 实现半导体照明。实现半导体照明。国内外倍加关注的半导体照明是一种新型的高效、节能和环保光源，将取代目前使用的大部分传统光源，被称为21世纪照明光源的革命，而GaN基高效率、高亮度发光二极管的研制是实现半导体照明的核心技术和基础。 提高光存储密度。提高光存储密度。DVD的光存储密度与作为读写器件的半导体激光器的波长平方成反比，如果DVD使用Ga

3、N基短波长半导体激光器，则其光存储密度将比当前使用GaAs基半导体激光器的同类产品提高45倍，因此，宽禁带半导体技术还将成为光存储和处理的主流技术。 改善军事系统与装备性能。改善军事系统与装备性能。高温、高频、高功率微波器件是雷达、通信等军事领域急需的电子器件，如果目前使用的微波功率管输出功率密度提高一个数量级，微波器件的工作温度将提高到300，不仅将大大提高雷达（尤其是相控阵雷达）、通信、电子对抗以及智能武器等军事系统与装备的性能，而且将解决航天与航空用电子装备以及民用移动通信系统的一系列难题半导体中的基本概念半导体中的基本概念 1本征半导体本征半导体 (High purity materi

4、al)Si硅原子硅原子Ge锗原子锗原子硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子共价键共共价键共用电子对用电子对完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征本征半导体半导体。本征半导体的导电能力很弱。本征半导体的导电能力很弱。2 半导体中的载流子半导体中的载流子自由电子自由电子(Electron)空穴（空穴（Hole） 空穴和自由电子同时参加导电，是半导体空穴和自由电子同时参加导电，是半导体的重要特点的重要特点 价电子挣脱共价键的束缚成为自由价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子的同时，在原来的共价键

5、位置上留下了一电子的同时，在原来的共价键位置上留下了一个空位，这个空位叫做空穴。个空位，这个空位叫做空穴。 空穴带正电荷。空穴带正电荷。 由于空穴带正电荷，且可以在原子间移动由于空穴带正电荷，且可以在原子间移动，因此，空穴是一种载流子。半导体中有两种，因此，空穴是一种载流子。半导体中有两种载流子：自由电子载流子（简称电子）和空穴载流子：自由电子载流子（简称电子）和空穴载流子（简称空穴），它们均可在电场作用下载流子（简称空穴），它们均可在电场作用下形成电流。形成电流。晶体共价键结构平面示意图晶体共价键结构平面示意图本征半导体的特性本征半导体的特性(1)本征半导体在绝对零度（本征半导体在绝对零度（

6、T=0K相当于相当于T=273）时，相当于绝缘体。在室温条件下，本时，相当于绝缘体。在室温条件下，本征半导体便具有一定的导电能力。征半导体便具有一定的导电能力。(2)在本征半导体中，激发出一个自由电子，同时在本征半导体中，激发出一个自由电子，同时便产生一个空穴。电子和空穴总是成对地产生，便产生一个空穴。电子和空穴总是成对地产生，称为电子空穴对。称为电子空穴对。 (3)半导体中共价键分裂产生电子空穴对的过程叫半导体中共价键分裂产生电子空穴对的过程叫做本征激发（做本征激发（Intrinsic Excitation）。）。 (4)产生本征激发的条件：加热、光照及射线照射。产生本征激发的条件：加热、光

7、照及射线照射。 本征半导体的电导率很小，而且受温度和光照等本征半导体的电导率很小，而且受温度和光照等条件影响甚大，不能直接用来制造半导体器件。条件影响甚大，不能直接用来制造半导体器件。 本征半导体的物理性质：纯净的半导体中掺入微量元本征半导体的物理性质：纯净的半导体中掺入微量元素，导电能力显著提高。素，导电能力显著提高。 掺入的微量元素掺入的微量元素“杂质杂质”。 掺入了掺入了“杂质杂质”的半导体称为的半导体称为“杂质杂质”半导体半导体。2杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。就会使半导体的导电性能发生显著变

8、化。N型半导体型半导体（主要载流子为电子，电子半导体）（主要载流子为电子，电子半导体）P型半导体型半导体（主要载流子为空穴，空穴半导体）（主要载流子为空穴，空穴半导体）图图 N型半导体晶体结构示意图型半导体晶体结构示意图+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键共价键l掺入五价原子掺入五价原子 N型半导体型半导体l掺入五价掺入五价原子占据原子占据Si原子位置原子位置 在 室 温 下在 室 温 下就可以激发就可以激发成成自由电子自由电子 N型半导体中仍有本征激发产生的少量电子空型半导体中仍有本征激发产生的少量电子空穴对。自由电子的数目高，故导电能力显著提高。穴对。自由电子的数目高，故导电能力显著

9、提高。 电子称为多数载流子（简称多子），空穴称为少数电子称为多数载流子（简称多子），空穴称为少数载流子（简称少子）。载流子（简称少子）。 在在N型半导体中自由电子数等于正离子数和空型半导体中自由电子数等于正离子数和空穴数之和，自由电子带负电，空穴和正离子带正电，穴数之和，自由电子带负电，空穴和正离子带正电，整块半导体中正负电荷量相等，保持电中性。整块半导体中正负电荷量相等，保持电中性。 N型半导体型半导体空穴空穴P型半导体型半导体硼原子硼原子P型硅表示型硅表示SiSiSiB硅原子硅原子空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动硅或锗硅或锗 +少量硼少量

10、硼 P型半导体型半导体 P型半导体型半导体在本征半导体中加入微量的三价元素，可使半导在本征半导体中加入微量的三价元素，可使半导体中的空穴浓度大为增加，形成体中的空穴浓度大为增加，形成P型半导体。型半导体。 空位空位A图图4-3 P型半导体型半导体晶体结构示意图晶体结构示意图+4+4+4+4+4+3+4+4+4共价键共价键空位吸引邻近空位吸引邻近原子的价电子填原子的价电子填充，从而留下一充，从而留下一个空穴。个空穴。在在P型半导体型半导体中，空穴数等于中，空穴数等于负离子数与自由负离子数与自由电子数之和，空电子数之和，空穴带正电，负离穴带正电，负离子和自由电子带子和自由电子带负电，整块半导负电，

11、整块半导体中正负电荷量体中正负电荷量相等，保持电中相等，保持电中性。性。 常用的杂质元素常用的杂质元素 三价的硼、铝、铟、镓三价的硼、铝、铟、镓 五价的砷、磷、锑五价的砷、磷、锑 通过控制掺入的杂质元素的种类和数量来通过控制掺入的杂质元素的种类和数量来制成各种各样的半导体器件。制成各种各样的半导体器件。 载流子的漂移运动和扩散运动载流子的漂移运动和扩散运动 漂移运动漂移运动（Drift Movement） 有电场力作用时，电子和空穴便产生定向运动，称为漂移运动。有电场力作用时，电子和空穴便产生定向运动，称为漂移运动。 漂移运动产生的电流称为漂移电流。漂移运动产生的电流称为漂移电流。扩散扩散运动

12、运动（Diffusion Movement）由于浓度差而引起的定向运动称为扩散运动由于浓度差而引起的定向运动称为扩散运动，载流子扩散运动载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。所形成的电流称为扩散电流。 扩散是由浓度差引起的，所以扩散电流的大小与载流子的浓度扩散是由浓度差引起的，所以扩散电流的大小与载流子的浓度梯度成正比。梯度成正比。3. PN结的形成结的形成 PN结：是指在结：是指在P型半导体和型半导体和N型半导体的交界处形型半导体的交界处形成的空间电荷区。成的空间电荷区。 PN结是构成多种半导体器件的基础。结是构成多种半导体器件的基础。 二极管的核心是一个二极管的核心是一个PN结；三极管中

13、包含了结；三极管中包含了 两个两个PN结。结。浓度差引起载流子的扩散。浓度差引起载流子的扩散。 3. PN结的形成结的形成 l扩散的结果形成自建电场。扩散的结果形成自建电场。空间电荷区也称作空间电荷区也称作 “耗尽区耗尽区” “势垒区势垒区” 自建电场阻止扩散，加强漂移。自建电场阻止扩散，加强漂移。动态平衡。动态平衡。 扩散扩散=漂移漂移3. PN结的形成结的形成 4.4.PN结的特性结的特性 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结外加正向电压结外加正向电压 l如图所示如图所示，电源的正极，电源的正极接接P区，负极接区，负极接N区，这区，这种接法叫做种接法叫做PN结加正向结加正向电压或正向偏

14、置。电压或正向偏置。 PN结外加正向电压结外加正向电压PN结外加正向电压时（结外加正向电压时（P正、正、N负），空间电荷区变窄。负），空间电荷区变窄。 不大的正向电压，产生相当大的正向电流。不大的正向电压，产生相当大的正向电流。 外加电压的微小变化，扩散电流变化较大。外加电压的微小变化，扩散电流变化较大。 PN结外加反向电压结外加反向电压如图所示，如图所示，电源的正极接电源的正极接N区，负极接区，负极接P区，这种接法叫做区，这种接法叫做PN结加反向电压或反向偏置。结加反向电压或反向偏置。 PN结外加反向电压结外加反向电压流过流过PN结的电流主要是少子的漂移决定的，结的电流主要是少子的漂移决定的

15、，称为称为PN结的反向电流。结的反向电流。 PN结的反向电流很小，而且与反向电压的结的反向电流很小，而且与反向电压的大小基本无关。大小基本无关。PN结表现为很大的电阻，称结表现为很大的电阻，称之截止。之截止。 PN结外加反向电压结外加反向电压 PN结加反向电压时，空间电荷区变宽，自建电结加反向电压时，空间电荷区变宽，自建电场增强，多子的扩散电流近似为零。场增强，多子的扩散电流近似为零。 反向电流很小，它由少数载流子形成，与少子反向电流很小，它由少数载流子形成，与少子浓度成正比。浓度成正比。 少子少子的值与外加电压无关，因此反向电流的大小的值与外加电压无关，因此反向电流的大小与反向电压大小基本无

16、关，故称为反向饱和电流。与反向电压大小基本无关，故称为反向饱和电流。温度升高时，少子值迅速增大，所以温度升高时，少子值迅速增大，所以PN结的反向电结的反向电流受温度影响很大。流受温度影响很大。结论结论： PN结的单向导电性：结的单向导电性： PN结加正向电压产生大的正向电流，结加正向电压产生大的正向电流， PN结导电。结导电。 PN结加反向电压产生很小的反向饱和电流，近似为零，结加反向电压产生很小的反向饱和电流，近似为零， PN结不导电。结不导电。 半导体的晶格结构半导体的晶格结构 硅、锗等半导体材料属于金刚石型结构 两个面心立方晶胞沿空间对角线长度套构而成 共价晶体 图1 金刚石结构示意图

17、族化合物绝大多数具有闪锌矿型结构 由两类原子各自组成的面心立方晶格，沿空间对角线彼此位移四分之一空间对角线长度套构而成 原子之间依靠共价键结合，但有一定的离子键成分 硫化锌、硒化锌、硫化镉、硒化镉等都可以闪锌矿和纤锌矿两种类型结晶 离子性占优，则倾向于构成纤锌矿结构 图2 闪锌矿结构示意图 图3纤锌矿结构示意图 半导体中的能带半导体中的能带 电子将可以在整个晶体中运动，称为电子的共有化运共有化运动动 相似壳层间转移，最外层电子的共有化运动显著 绝缘体、半导体和导体的能带有区别4图5 绝缘体、半导体和导体的能带示意图 图4 原子能级分裂为能带示意图 半导体中的杂质与缺陷能级半导体中的杂质与缺陷能

18、级 实际的半导体材料中,总是存在偏离理想情况 原子不是静止在具有严格周期性的晶格的格点位置上,而是在其平衡位置附近振动 半导体材料并不是纯净的,而是含有若干杂质 实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的,而是存在各种型式的缺陷 杂质半导体中以两种方式存在 位于晶格原子间的间隙位置，称为间隙杂质（杂质原子小） 取代晶格原子而位于晶格格点处，称为替位杂质（杂质、晶格原子大小相近） 通过施放电子而产生导电电子并形成正电中心，称为施主杂质施主杂质 通过接受电子而产生导电空穴并形成负电中心，称为受主杂质受主杂质 施主和受主杂质之间还会发生相互抵消的作用，称为杂质的补偿杂质的补偿作用作用 图6 施主能级和施主

19、电离的示意图 图7 受主能级和受主电离的示意图 图8 杂质的补偿作用示意图 半导体的光学性质半导体的光学性质 半导体的光吸收半导体的光吸收 本征吸收 激子吸收 自由载流子吸收 杂质吸收 晶格振动吸收 理想半导体在绝对零度时，价带是完全被电子占满的，因此价带内的电子不可能被激发到更高的能级。唯一有可能的吸收是足够能量的光子使电子激发，越过禁带跃迁入空的导带，而在价带中留下一个空穴，形成电子-空穴对。这种由带与带之间的跃迁所形成的吸收过程称为本征吸收本征吸收。本征吸收本征吸收图9 本征吸收的示意图 显然，要发生本征吸收，光子能量必须等于或大于半导体的禁带宽度，即： h h0 = Eg h0是能够引

20、起本征吸收的最低限度光子能量。也就是说，在本征吸收光谱中，必然在低频方面存在一个频率界限0（或者在长波方面存在一个波长界限0）。当频率低于0或波长大于0时，不可能产生本征吸收，吸收系数将会迅速下降。这种吸收系数显著下降的特定波长0（或特定频率0），称为半导体的本征吸收本征吸收限限。根据半导体材料的不同的禁带宽度Eg，可算出相应的本征吸收长波限。 0 = 1.24(m)/Eg(eV) 电子吸收光子的跃迁过程，除了能量必须守恒外，还必须满足动量守恒 hK-hk=光子动量 直接跃迁与直接带隙半导体 间接跃迁与间接带隙半导体图10 直接跃迁与间接跃迁的示意图 直接跃迁的吸收光谱的计算推导如下：一个吸收

21、过程可以表示为：利用有效质量近似，可以推导出吸收系数为： 对于n=4,电子和空穴的有效质量采用自由电子的质量可以得到： 吸收系数与能量的关系服从1/2次方律，由吸收光谱可以得到带隙Eg，称为光学带隙。因为光学跃迁受选择定则的限制，用吸收变确定的光学带隙，与实际的能隙可能有所差别，但是一种常用的确定带隙的方法。 )()()(,ffiifiabifEnEnWA2/12/1322/3)()(2)2()(ggEEAEEAWE12/14)(102)(cmEg间接跃迁吸收吸收的表达式。 需要考虑平均声子数F(Ep)。对于吸收一个声子平均声子数为：对于发射一个声子的平均声子数为： 可以得到吸收光谱可以表示如

22、下 1-T)exp(Ep/k1(Ep)FBaT)exp(-Ep/k-111Fa(Ep) Fe(Ep)BfiffiiabifENENAW,)()(F(Ep)(2,)()()(EpEgBENENfiffii间接跃迁吸收光谱的表达式可以分为两种情况: 1.对于 只能伴随声子的吸收过程， 吸收光谱为 2.对于 既可以伴随声子的发射，也可以伴随声子的吸收过程， 其中伴随声子发射的吸收光谱为 EpEg 1-T)exp(Ep/k)()(B2EpEgcaEpEg T)exp(-Ep/k-1)()(B2EpEgce其他吸收过程其他吸收过程实验证明，波长比本征吸收限0长的光波在半导体中往往也能被吸收。这说明，除了

23、本征吸收外，还存在着其它的光吸收过程：主要有激子吸收、杂质吸收、自由载流子吸收等。激子特点激子特点 电中性的，不产生电流 激子通过两种途径消失 通过热激发或其它能量的激发使激子分离成为自由电子或空穴 激子中的电子和空穴通过复合，使激子消灭同时放出能量 激子吸收激子吸收：在本征吸收限，光子的吸收恰好形成一个在导带底的电子和一个在价带顶的空穴。这样形成的是完全自由的电子和空穴，它们之间没有相互作用，在外加电场的作用下能改变运动状态而且能使电导率增大。但在低温时发现，某些晶体在本征连续吸收光谱出现以前，即hEg时，就已经出现一系列吸收线，并且对应于这些吸收线并不伴有光电导。这是因为这种吸收并不引起价

24、带电子直接激发到导带，而是形成所谓“激子”。即受激电子和空穴互相束缚而结合在一起成为一个新系统，称为：激子。自由载流子吸收自由载流子吸收：对于一般半导体材料，当入射光子能量不够高不足以引起电子从带到带的跃迁或形成激子时，仍然存在吸收，而且其强度随波长增大而增加。这是自由载流子的跃迁引起的，称为自由载流子自由载流子吸收吸收。与本征跃迁不同，自由载流子吸收中，电子从低能态到高能态的跃迁是在同一能带内发生的。一般表现为红外吸收 杂质吸收杂质吸收：束缚在杂质能级上的电子或空穴也可以引起光的吸收。电子可以吸收光子跃迁到导带能级；空穴也同样可以吸收光子而跃迁到价带（或者说电子离开价带填补了束缚在杂质能级上

25、的空穴）。这种光吸收称为杂质吸杂质吸收收。杂质吸收也引起连续的吸收光谱，引起杂质吸收的最低光子能量显然等于杂质上电子或空穴的电离能，因此，杂质吸收光谱也具有长波吸收限。半导体的发光半导体的发光 处于激发态的电子也可以向较低的能级跃迁，以光辐射的形式释放出能量。也就是电子从高能级向低能级跃迁，伴随这光子发射，这就是半导体发光 辐射跃迁 有杂质或缺陷参与的跃迁 （a、b、c） 带与带间的跃迁 （d、e） 热载流子在带内跃迁 （f）图11电子辐射跃迁示意图 本征过程：导带的电子跃迁到价带，与价带空穴复合，伴随着光子发射，称为本征跃迁 非本征跃迁：电子从导带跃迁到杂质能级，或杂质能级上的电子跃迁入价带

26、，或电子在杂质能级间的跃迁，都可以引起发光，这种跃迁称为非本征跃迁 内部量子效率： 内单位时间内产生的光子数/（单位时间内注入的电子空穴对数 外部量子效率 ：外单位时间发射到外部的光子数/（单位时间内注入的电子空穴对数） 发光与吸收之间的关系 对于带-带间复合，发光简单的理解为吸收的逆过程。 吸收测量的是入射光子衰减的平均自由程，吸收过程包括价带所有可能占据的状态，以及导带所有可能空出的状态之间的耦合，所以固体的吸收光谱一般是宽带谱，会出现明显的吸收边。 发光测量的则是单位体积光子的产生率。发光来自于导带中热化电子的复合，带间复合发光是来自于导带底部的一狭窄范围内的电子与价带空穴的复合，形成窄

27、的发光谱带。 发光与吸收之间的关系可以用R-S（Van Roosbrck-Shockly）关系式描述： 发射率正比于吸收系数，此关系式可以推广到多种情况)/exp()(8)(222TkhCnLB电致发光 p-n结注入发光：在p-n结中，加一正电压后，发生载流子的扩散，扩散长度远远大于势垒宽度，因此电子和空穴通过势垒区时复合消失的几率很小，可以继续向扩散区扩散，在势垒区和扩散区注入了少数载流子，这些非平衡的少数载流子不断与多数载流子复合而发光。 图12 注入式发光能带示意图 （a）平衡p-n结, （b）正偏注入发光 异质结 注入发光 异质结p区和n区的禁带宽度不等，势垒是不对称的 加正电压时，当

28、p区n区的价带达到等高时，p区空穴则不存在势垒可以不断向n区扩散，保证了空穴（少数载流子）向发光区的高效注入 图13 异质结注入发光示意图 半导体激光 自发辐射：不受外界因素的作用，原子自发地从激发态回到基态引起地光子发射过程 受激辐射 ：而在光辐射地刺激下，受激原子从激发态向基态跃迁的辐射过程 受激辐射所发出的光辐射的全部特性（频率、位相、方向和偏振）同入射光完全相同 受激辐射中同时发射两个相位、频率均相同的光子。 半导体激光器要产生激光发射要满足以下三个基本条件： 形成分布反转，使受激辐射占优势 具有共振腔，以实现光量子放大 至少达到阈值电流密度，使增益至少等于损耗。 图14 系统分布反转示意图 谢谢！