1、第四章第四章 半导体的激发与发光半导体的激发与发光 半导体发光二极管能将电能直接转变为光半导体发光二极管能将电能直接转变为光能。能。其原理是电能造成比热平衡时更多的电子和其原理是电能造成比热平衡时更多的电子和空穴，同时，由于复合而减少电子和空穴，造成空穴，同时，由于复合而减少电子和空穴，造成新的热平衡，在复合过程中，能量以光的形式放新的热平衡，在复合过程中，能量以光的形式放出。出。本章主要介绍本章主要介绍PN结及其特性、注入载流子结及其特性、注入载流子的复合、异质结构等的复合、异质结构等内容。内容。二、二、PNPN结及其特性结及其特性 P-N结结阻阻EN型型P型型1 1、PNPN结的形成结的形
2、成 N型半导体和型半导体和P P型半导体的结合面上型半导体的结合面上由于区的电子向区扩散，区的由于区的电子向区扩散，区的空穴向区扩散，空穴向区扩散，在交界面附近产生在交界面附近产生了一个电场，称为了一个电场，称为内建场内建场。最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达达到到动态平衡动态平衡。对于。对于P型半导体和型半导体和N型半型半导体结合面，离子薄层形成的导体结合面，离子薄层形成的空间电空间电荷区荷区称为称为PN结结。在空间电荷区，由于。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称缺少多子，所以也称耗尽层耗尽层。阻E一、半导体基础知识一、半导体基础知识(略略)第一节第一节 半导体半导体
3、PN结及其特性结及其特性2、PN结处存在电势差结处存在电势差Uo。也阻止也阻止N N区区带负电的电子进带负电的电子进一步向一步向P P区扩散。区扩散。它阻止它阻止P P区区带正电的空穴进带正电的空穴进一步向一步向N N区扩散；区扩散；U00eU电子能级电子能级电势曲线电势曲线电子电势能曲线电子电势能曲线P-N结结 3、由于由于PNPN结的存在，结的存在，电子电子的能量应考虑到势垒带来的的能量应考虑到势垒带来的附加附加势能势能，使电子能带出现弯曲。使电子能带出现弯曲。空带空带空带空带p-n结结0eU 施主能级施主能级受主能级受主能级满带满带满带满带1 1、结的单向导电性、结的单向导电性（）（）正
4、向偏压正向偏压在结的在结的P型区型区接电源正极，接电源正极，N型型区接负极叫区接负极叫正向正向偏压。偏压。阻挡层势垒被削弱、变窄，阻挡层势垒被削弱、变窄，有利于空穴向有利于空穴向N区运动，电子向区运动，电子向P区运动，形成正向电流区运动，形成正向电流(m级级)，PN结表现为小电阻结表现为小电阻。Ep型型n型型I阻阻E（二）（二）PNPN结的特性结的特性第四章第四章 半导体的激发与发光半导体的激发与发光外加正向电压越大，外加正向电压越大，正向电流也越大，正向电流也越大，而且是呈非线性的而且是呈非线性的伏安特性伏安特性(图为锗管图为锗管)。V（伏）（伏）（毫安）（毫安）正向正向00.21.0I（）
5、（）反向偏压反向偏压在结的在结的P型区接电源负极，型区接电源负极，N型区接电源正极，型区接电源正极，叫叫反向偏压反向偏压。阻挡层势垒增大、变宽，阻挡层势垒增大、变宽，不利于空穴向区运动，不利于空穴向区运动，也不利于电子向也不利于电子向P区运动，区运动，没有正向电流。没有正向电流。PN结表现结表现为大电阻。为大电阻。但是，由于少数载流子但是，由于少数载流子的存在，会形成很弱的反的存在，会形成很弱的反向电流，这个电流也称为向电流，这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流。Ep型型n型型I阻阻EPN结正偏时，结正偏时，呈现低电阻，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；具有较大的正向扩散电流；IFRFII
6、 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具结具有单向导电性。有单向导电性。反反偏偏PNPN结反偏时，结反偏时，呈现高电阻，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。具有很小的反向漂移电流。IR2 2、PNPN结的反向击穿特性结的反向击穿特性 当加到当加到PN结上结上的反向电压增大到的反向电压增大到某个数值时，反向某个数值时，反向电流急剧增加，这电流急剧增加，这种现象称为种现象称为PN结的结的反向击穿反向击穿。击穿电压击穿电压V(伏伏)I-（微安）（微安）反向反向-20-30（1 1）电击穿（可逆）电击穿（可逆）齐纳齐纳(Zener)(Zener)击穿：击穿：较强的内电场将空间电荷区共价键中的价电
7、子拉出。产较强的内电场将空间电荷区共价键中的价电子拉出。产生大量的电子空穴对，使空间电荷区的高阻性变差而击穿。生大量的电子空穴对，使空间电荷区的高阻性变差而击穿。掺杂浓度高易击穿。掺杂浓度高易击穿。雪崩击穿：雪崩击穿：少数载流子在强电场作用下碰撞电离并产生连锁效应，少数载流子在强电场作用下碰撞电离并产生连锁效应，造成空间电荷区中的载流子数目剧增，使造成空间电荷区中的载流子数目剧增，使IsIs突然增大。突然增大。（2 2）热击穿（不可逆）热击穿（不可逆）反向电压反向电压 反向电流反向电流 结温结温 热激发热激发 3、PN结的电容效应结的电容效应 在在PN结内的耗尽层中，存在相对的正负电荷，根据外
8、加电压结内的耗尽层中，存在相对的正负电荷，根据外加电压能改变耗尽层的宽度，因而电容量也随之变化，因此能改变耗尽层的宽度，因而电容量也随之变化，因此PN结具有结具有的电容效应。的电容效应。在突变结的情况下：在突变结的情况下：210)1(VCCj310)1(VCCj在缓变结的情况下：在缓变结的情况下：式中式中C0是无外加电压时耗尽层的电容量。是无外加电压时耗尽层的电容量。第二节第二节 注入载流子的复合注入载流子的复合电致发光电致发光光致发光光致发光阴极射线发光阴极射线发光 由电场（电流）激发载流子，将电能直接转变由电场（电流）激发载流子，将电能直接转变为光能的过程，称为为光能的过程，称为电致发光电
9、致发光，也称为，也称为场致发光场致发光。电致发光理论电致发光理论辐射复合辐射复合第二节第二节 注入载流子的复合注入载流子的复合辐射型复合辐射型复合由于空穴和电子的复合以光能的形式辐射能量，由于空穴和电子的复合以光能的形式辐射能量，即对发光二极管来说是有用的复合即对发光二极管来说是有用的复合;非辐射型复合非辐射型复合不伴随光辐射的复合不伴随光辐射的复合,对发光二极管来说是有对发光二极管来说是有害的复合。害的复合。按载流子复合所产生的能量形式：按载流子复合所产生的能量形式：1.辐射复合辐射复合（发射光子）（发射光子）2.非辐射复合非辐射复合（发射声子或载流子之间能量交换）（发射声子或载流子之间能量
10、交换）一、复合的种类一、复合的种类第二节第二节 注入载流子的复合注入载流子的复合一、复合的种类一、复合的种类 辐射型复合辐射型复合带间复合带间复合通过杂质能级的复合通过杂质能级的复合通过杂质中心的通过杂质中心的D-AD-A对复合对复合激子复合激子复合 非辐射型复合非辐射型复合伴随多数的声子的复合伴随多数的声子的复合器件表面的复合器件表面的复合俄歇复合俄歇复合1 1、带间复合、带间复合 带间复合是指导带中的电子与价带中的空穴的复合。带间复合是指导带中的电子与价带中的空穴的复合。产生的光子能量接近于半导体材料的禁带宽度产生的光子能量接近于半导体材料的禁带宽度Eg。而带间复合又细分为而带间复合又细分
11、为 二、辐射型复合二、辐射型复合直接跃迁直接跃迁;间接跃迁间接跃迁;其导带的极小值与价带的极大值具有相同的波矢其导带的极小值与价带的极大值具有相同的波矢K，电子跃，电子跃迁产生光辐射时，迁产生光辐射时，K的数值变化不大，不需要第三者的参与，所的数值变化不大，不需要第三者的参与，所以称为直接跃迁型。以称为直接跃迁型。直接跃迁直接跃迁;kEk直接跃迁直接跃迁E1E2此类型的半导体带间复合几率比间接带隙型半导体高得多此类型的半导体带间复合几率比间接带隙型半导体高得多 此类型半导体的导带极小值和价带的极大值对应于不同的此类型半导体的导带极小值和价带的极大值对应于不同的K值。电子跃迁时，为了满足动量守恒
12、，必须有声子参与此跃迁值。电子跃迁时，为了满足动量守恒，必须有声子参与此跃迁过程。过程。对于此声子参与的二级过程称为间接跃迁，其发生几率对于此声子参与的二级过程称为间接跃迁，其发生几率比直接跃迁小得多，发光效率也比较低。比直接跃迁小得多，发光效率也比较低。间接跃迁间接跃迁;kEk间接跃迁间接跃迁E1E2对于对于直接跃迁型辐射直接跃迁型辐射，如果辐射光的频率为，如果辐射光的频率为，则：，则：21EEhv对于对于间接跃迁型辐射间接跃迁型辐射，如果辐射光的频率为，如果辐射光的频率为，则：，则：KEEhv21式中，式中，K为声子的能量，也就是晶格振动的热能。为声子的能量，也就是晶格振动的热能。注：声子
13、注：声子就是晶格振动的简正模就是晶格振动的简正模能量量子能量量子。第二节第二节 注入载流子的复合注入载流子的复合直接带隙半导体直接带隙半导体 间接带隙半导体间接带隙半导体n价带的极大值和导带的极小价带的极大值和导带的极小值都位于值都位于k k空间的原点上；空间的原点上；n价带电子跃迁到导带时，只价带电子跃迁到导带时，只要求能量的改变，而电子的要求能量的改变，而电子的准动量不发生变化，称为直准动量不发生变化，称为直接跃迁；接跃迁；n直接跃迁对应的半导体材料直接跃迁对应的半导体材料称为直接禁带半导体，称为直接禁带半导体，GaAs，GaN，ZnO。n价带的极大值和导带的极价带的极大值和导带的极小值不
14、位于小值不位于k空间的原点上空间的原点上n价带的电子跃迁到导带时价带的电子跃迁到导带时，不仅要求电子的能量要，不仅要求电子的能量要改变，电子的准动量也要改变，电子的准动量也要改变，称为间接跃迁改变，称为间接跃迁n间接跃迁对应的半导体材间接跃迁对应的半导体材料称为间接禁带半导体，料称为间接禁带半导体，例子：例子：Si，Ge，GaP。第二节第二节 注入载流子的复合注入载流子的复合-2、通过杂质中心、通过杂质中心D-A对的复合对的复合 二、辐射型复合二、辐射型复合 对应轻掺杂的半导体，可在其导带和价带附近分别形成受主对应轻掺杂的半导体，可在其导带和价带附近分别形成受主和施主杂质能级。和施主杂质能级。
15、D-A对复合对复合是指施主俘获的电子和受主俘获的空穴之间的复是指施主俘获的电子和受主俘获的空穴之间的复合。这是一种发射光子能量小于带隙的重要机制。合。这是一种发射光子能量小于带隙的重要机制。假如在假如在GaAs中掺入少量的中掺入少量的Te以取代晶体中的以取代晶体中的As原子，就会在导带下面形成原子，就会在导带下面形成杂质能级，如图。杂质能级上的电子很容易进入导带中去，这类杂质称为杂质能级，如图。杂质能级上的电子很容易进入导带中去，这类杂质称为“施主杂施主杂质质”，该过程称为施主杂质的，该过程称为施主杂质的“电离电离”。掺施主杂质的半导体称为。掺施主杂质的半导体称为N型半导体型半导体 假如在假如
16、在GaAs中掺入少量的中掺入少量的Zn以取代晶体中的以取代晶体中的Ga原子，就会在价带上面形成原子，就会在价带上面形成杂质能级，如图。价带电子可以进入到受主能级上去，从而在价带上产生很多空杂质能级，如图。价带电子可以进入到受主能级上去，从而在价带上产生很多空穴，这类杂质称为穴，这类杂质称为“受主杂质受主杂质”，该过程称为受主杂质，该过程称为受主杂质“电离电离”。掺受主杂质的半导。掺受主杂质的半导体称为体称为P型半导体型半导体施主能级施主能级EDECEVECDEg受主能级受主能级EaECEV回顾施主能级与受主能级产生的过程回顾施主能级与受主能级产生的过程2、通过杂质中心、通过杂质中心D-A对的复
17、合对的复合 对应轻掺杂的半导体，可在其导带和价带附近分别形成施主对应轻掺杂的半导体，可在其导带和价带附近分别形成施主和受主杂质能级。和受主杂质能级。D-A对复合是指施主俘获的电子和受主俘获的空对复合是指施主俘获的电子和受主俘获的空穴之间的复合。这是一种发射光子能量小于带隙的重要机制。穴之间的复合。这是一种发射光子能量小于带隙的重要机制。导带导带价带价带D-A对对2、通过杂质中心、通过杂质中心D-A对的复合对的复合 这种由施主和受主形成的联合发光中心这种由施主和受主形成的联合发光中心称为施主称为施主-受主对受主对(D-A对对)。导导带带价带价带D-A对对D-A对复合发光的特点：对复合发光的特点：
18、当施主俘获了电子、受主俘获了当施主俘获了电子、受主俘获了空穴后达到了一种电学平衡的中性状空穴后达到了一种电学平衡的中性状态，然而态，然而D-A复合发生后，施主上的复合发生后，施主上的电子转移到受主的空穴上，于是施主电子转移到受主的空穴上，于是施主带上了正电、受主带上了负电。带上了正电、受主带上了负电。因为这个复合过程是从中性组态因为这个复合过程是从中性组态产生一个电离的产生一个电离的D-A对，所以这种复对，所以这种复合具有库仑作用，其跃迁依赖于合具有库仑作用，其跃迁依赖于D-A间距。而由于间距。而由于D-A间距只能取由晶格间距只能取由晶格所决定的不连续值，所以所决定的不连续值，所以D-A对复合
19、对复合所发射的光谱具有不连续的谱线。所发射的光谱具有不连续的谱线。2、通过杂质中心、通过杂质中心D-A对的复合对的复合4 4、激子复合、激子复合 （1 1）激子：激子是库仑引力束缚在一起的电子）激子：激子是库仑引力束缚在一起的电子空穴对，空穴对，也是一种激发的能量状态。也是一种激发的能量状态。自由激子能在晶体内部运动而自由激子能在晶体内部运动而不形成电流，而束缚激子则可受到施主、受主、等电子陷不形成电流，而束缚激子则可受到施主、受主、等电子陷阱、晶体缺陷等的束缚。阱、晶体缺陷等的束缚。激子吸收：激子吸收：价带电子受激跃至禁带，形成激子。价带电子受激跃至禁带，形成激子。激子吸收特征激子吸收特征:
20、ghE4、激子复合、激子复合 激子的概念首先是由激子的概念首先是由Frenkel在理论上提出来的。当入射光在理论上提出来的。当入射光的能量小于禁带宽度（的能量小于禁带宽度（Eg）时，不能直接产生自由的电子）时，不能直接产生自由的电子和空穴，而有可能形成未完全分离的具有一定键能的电子和空穴，而有可能形成未完全分离的具有一定键能的电子-空穴空穴对，称为对，称为激子激子。作为电中性的准粒子，激子是由电子和空穴的库仑相互吸作为电中性的准粒子，激子是由电子和空穴的库仑相互吸引而形成的束缚态。激子形成后，电子和空穴作为一个整体在引而形成的束缚态。激子形成后，电子和空穴作为一个整体在晶格中运动。激子是移动的
21、，它不形成空间定域态。但是由于晶格中运动。激子是移动的，它不形成空间定域态。但是由于激子中存在键的内能，半导体激子中存在键的内能，半导体-激子体系的总能量小于半导体和激子体系的总能量小于半导体和导带中的电子以及价带中的空穴体系的能量，因此在能带模型导带中的电子以及价带中的空穴体系的能量，因此在能带模型中的激子能级位于禁带内。中的激子能级位于禁带内。4、激子复合、激子复合激子的分类：激子的分类：1）弱束缚激子，亦称）弱束缚激子，亦称Wannier激子。此类激子的电子激子。此类激子的电子与空穴之间的束缚比较弱，表现为束缚能小，电子与与空穴之间的束缚比较弱，表现为束缚能小，电子与空穴间的平均距离远大
22、于原子间距。大多数半导体材空穴间的平均距离远大于原子间距。大多数半导体材料中的激子属于弱束缚激子。料中的激子属于弱束缚激子。2）紧束缚激子，亦称）紧束缚激子，亦称Frenkel激子。与弱束缚激子情况激子。与弱束缚激子情况相反，其电子与空穴的束缚能较大。离子晶体中的激子相反，其电子与空穴的束缚能较大。离子晶体中的激子多属于紧束缚激子。多属于紧束缚激子。等电子陷阱的激子复合等电子陷阱的激子复合4、激子复合、激子复合p和基质原子（或离子）的外层电子数相同的杂质，但电和基质原子（或离子）的外层电子数相同的杂质，但电负性相差较大的杂质称负性相差较大的杂质称等电子杂质等电子杂质。如如 ZnTe中的中的O，
23、GaP中的中的N，CdS电电Te，GaP中中Bi。p俘获了电子（成空穴）的等电子陷阱又通过库仑相互作俘获了电子（成空穴）的等电子陷阱又通过库仑相互作用吸引一个空穴（或电子）形成束缚激子。用吸引一个空穴（或电子）形成束缚激子。p掺入等电子杂质对提高间接带材料的发光效率十分有效，掺入等电子杂质对提高间接带材料的发光效率十分有效，这是提高发光效率的一种有实用价值的方法。这是提高发光效率的一种有实用价值的方法。等电子杂质本身是电中性的，但由于它与被替代的原等电子杂质本身是电中性的，但由于它与被替代的原子有不同的电负性和原子半径，这些差异会产生以短程作子有不同的电负性和原子半径，这些差异会产生以短程作用
24、为主的杂质势，可以俘获电子用为主的杂质势，可以俘获电子(或空穴或空穴)。当这种杂质势的绝对值大于电子当这种杂质势的绝对值大于电子(或空穴或空穴)所处的能带所处的能带的平均带宽或电子的有效的平均带宽或电子的有效“动能动能”时，能带中的电子（或时，能带中的电子（或空穴）便可能被等电子杂质所俘获并造成电子（或空穴）空穴）便可能被等电子杂质所俘获并造成电子（或空穴）束缚态。束缚态。等电子陷阱的激子复合等电子陷阱的激子复合 相对于点阵原子而言，通常电负性大的等电子杂质形相对于点阵原子而言，通常电负性大的等电子杂质形成电子束缚态，反之形成空穴束缚态。成电子束缚态，反之形成空穴束缚态。前者又称前者又称等电子
25、受主等电子受主，后者为，后者为等电子施主等电子施主。这是两种最基本的等电子陷阱。这是两种最基本的等电子陷阱。等电子陷阱的激子复合等电子陷阱的激子复合等电子陷阱的激子复合等电子陷阱的激子复合 等电子杂质通过短程势俘获电子等电子杂质通过短程势俘获电子(或空穴或空穴)之后，之后，成为负电（或正电）中心（即等电子陷阱），可以成为负电（或正电）中心（即等电子陷阱），可以借助长程库仑作用吸引一个空穴（或电子），于是借助长程库仑作用吸引一个空穴（或电子），于是形成了等电子陷阱上的束缚激子。形成了等电子陷阱上的束缚激子。例如例如,GaP晶体中掺入氮原子，构成晶体中掺入氮原子，构成GaP：N。氮原子置换。氮原子
26、置换了了P原子的位置后，氮原子仍为电中性。原子的位置后，氮原子仍为电中性。由于由于N和和P有不同的电负性和原子半径（有不同的电负性和原子半径（N原子半径原子半径小对其核外的电子作用强），使小对其核外的电子作用强），使GaP：N具有更大的负电具有更大的负电性，会俘获空穴，其后又会以库仑场力俘获电子。性，会俘获空穴，其后又会以库仑场力俘获电子。等电子陷阱的激子复合等电子陷阱的激子复合 由于等电子陷阱作用力的范围很窄，局限在杂质点附近，根由于等电子陷阱作用力的范围很窄，局限在杂质点附近，根据测不准原理，它在动量空间的波函数相当弥散，电子的波函数据测不准原理，它在动量空间的波函数相当弥散，电子的波函数
27、会扩展到会扩展到k=0处，从而与处价带中的空穴互相作用有可能实现准处，从而与处价带中的空穴互相作用有可能实现准直接跃迁而使辐射复合几率显著提高。直接跃迁而使辐射复合几率显著提高。等电子陷阱的激子复合等电子陷阱的激子复合GaP：N发绿光，主要是依靠激子发绿光，主要是依靠激子的辐射跃迁发光。的辐射跃迁发光。等电子杂质提高发光效率的物理本质等电子杂质提高发光效率的物理本质n测不准关系测不准关系P.qh。如果一个粒子的空间位置受到。如果一个粒子的空间位置受到约束，那么它的动量就测量不准，即动量没有确定的约束，那么它的动量就测量不准，即动量没有确定的值。值。n载流子被等电子杂质束缚在很小范围，因此其动量
28、可载流子被等电子杂质束缚在很小范围，因此其动量可以在较大范围里变化，从而可以比较容易地满足跃迁以在较大范围里变化，从而可以比较容易地满足跃迁中的动量守恒的要求而无需声子的参加，因而提高了中的动量守恒的要求而无需声子的参加，因而提高了跃迁几率。跃迁几率。等电子陷阱的激子复合等电子陷阱的激子复合三、非辐射型复合三、非辐射型复合1、阶段地放出声子的复合、阶段地放出声子的复合 作为半导体发光材料，从发光波长来考虑，禁带宽度必作为半导体发光材料，从发光波长来考虑，禁带宽度必须在须在1eV以上，而声子的能量在以上，而声子的能量在0.06eV左右，导带的电子落左右，导带的电子落入满带时入满带时,电子的能量假
29、如全部生成声子，则必须有电子的能量假如全部生成声子，则必须有20个以上个以上的声子生成，这么多的声子同时生成的概率几乎等于零。因的声子生成，这么多的声子同时生成的概率几乎等于零。因此，声子也就阶段性地产生。此，声子也就阶段性地产生。在实际的晶体中，多数的声子同时生成是不可能的，由在实际的晶体中，多数的声子同时生成是不可能的，由于有害的金属及晶体缺陷，如空位和于有害的金属及晶体缺陷，如空位和Fe、Cu等深中心杂质，等深中心杂质，电子会落到禁带中的这些能级上，声子也就阶段地产生。电子会落到禁带中的这些能级上，声子也就阶段地产生。2.俄歇复合俄歇复合 载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子载流子从高能
30、级向低能级跃迁，发生电子-空穴复空穴复合时，把多余的能量传递给另一个载流子，使这个载流合时，把多余的能量传递给另一个载流子，使这个载流子被激发到能量更高的能级上去，当它重新跃迁回低能子被激发到能量更高的能级上去，当它重新跃迁回低能级时，多余的能量以级时，多余的能量以声子声子的形式放出，这种复合称为的形式放出，这种复合称为俄俄歇复合。歇复合。俄歇复合又可分为俄歇复合又可分为带间俄歇复合带间俄歇复合和和与杂质和缺陷与杂质和缺陷有关有关的俄歇复合。的俄歇复合。一般来说，带间俄歇复合在窄禁带半导体中及高一般来说，带间俄歇复合在窄禁带半导体中及高温情况下起着重要作用，而与杂质和缺陷有关的俄歇复温情况下起
31、着重要作用，而与杂质和缺陷有关的俄歇复合过程，常常会影响半导体发光器件的发光效率。合过程，常常会影响半导体发光器件的发光效率。2、俄歇过程、俄歇过程 俄歇过程是俄歇过程是电子能量变换成热能的过程称为电子能量变换成热能的过程称为，因此，因此，是非是非辐射型的复合过程。俄歇过程是在自由载流子的浓度比较高的情辐射型的复合过程。俄歇过程是在自由载流子的浓度比较高的情况下和有晶格缺陷的情况下发生。况下和有晶格缺陷的情况下发生。3、表面复合、表面复合 在晶体表面，可以想象到存在着比内部还要多的缺陷，因此，在晶体表面，可以想象到存在着比内部还要多的缺陷，因此，在表面引起的各种非辐射性复合的概率比晶体内部还要
32、高。在表面引起的各种非辐射性复合的概率比晶体内部还要高。发光二极管的发光效率、寿命、可靠性都与表面密切相关。发光二极管的发光效率、寿命、可靠性都与表面密切相关。391.定义：定义：二种不同半导体材料以价健形式结合在一起，那么其二种不同半导体材料以价健形式结合在一起，那么其 界面及二侧少子密度界面及二侧少子密度(与平衡状态相比与平衡状态相比)发生变化的区域称发生变化的区域称 为异质结。为异质结。理想的异质结是由晶格参数失配很小（小于理想的异质结是由晶格参数失配很小（小于 0.1%的）的材料制成，的）的材料制成，2.异质结特征：异质结特征：二个区域禁带宽度不同二个区域禁带宽度不同第四节第四节 异质
33、结构异质结构3.理想异质结的界面是突变的，实际的异质结存在一个缓理想异质结的界面是突变的，实际的异质结存在一个缓 变区，虽然很小，但会改变一些异质结的特性，却不会变区，虽然很小，但会改变一些异质结的特性，却不会 破坏有用性质。破坏有用性质。404.异质结孤立状态能带结构及平衡能带形成过程异质结孤立状态能带结构及平衡能带形成过程载流子向对方扩散载流子向对方扩散-扩散流扩散流；形成电荷区；形成电荷区-空间电荷区空间电荷区；产生电场产生电场自建电场自建电场；形成漂移流；形成漂移流与扩散流方向相反与扩散流方向相反；动态平衡动态平衡-形成平衡异质结；形成平衡异质结；能带弯曲能带弯曲形成接触电势形成接触电
34、势差差VD。EFEFEFEF 1 2 1 2W1W2W1W2 EC EVE0+-EV+-VE第四节第四节 异质结构异质结构 6.异质结在发光器件中有如下作用：异质结在发光器件中有如下作用：1、同型异质结可以由透明的（带隙较高）导电衬底和包、同型异质结可以由透明的（带隙较高）导电衬底和包 含器件的有源区的外延层构成。含器件的有源区的外延层构成。2、同型异质结能够提供一个很靠近有源区的透明层，以、同型异质结能够提供一个很靠近有源区的透明层，以 降低如果采用一个自由表面时的表面复合速度。降低如果采用一个自由表面时的表面复合速度。起钝起钝 化作用化作用。5.异质结分为异质结分为同型同型（n-n或或p-
35、p）和）和异型异型（p-n）异质结两种。）异质结两种。3、同型异质结能形成限制载流子的势垒来有效地缩短、同型异质结能形成限制载流子的势垒来有效地缩短 载流子的扩散长度，从而载流子的扩散长度，从而缩短复合区缩短复合区。4、异型异质结可通过改变两侧带隙能量的相对大小来、异型异质结可通过改变两侧带隙能量的相对大小来 提高提高电子或者空穴的电子或者空穴的注入效率注入效率。5、同型或异型异质结提供一个折射率突变，从而、同型或异型异质结提供一个折射率突变，从而形成形成 一个光波导的界壁一个光波导的界壁。6、同型异质结可以在金属接触的表面提供一层带隙能、同型异质结可以在金属接触的表面提供一层带隙能 量小的材
36、料，量小的材料，有助于制作欧姆接触有助于制作欧姆接触。1.单异质结（单异质结（SH）材料组份的变化引起带隙的变化材料组份的变化引起带隙的变化,这种对带隙可以这种对带隙可以“剪剪裁裁”的方法称为能带工程。的方法称为能带工程。p 型导电区用带隙宽度型导电区用带隙宽度Eg2的半导体制成，的半导体制成，Eg2大于大于 n 型型区的带隙宽度区的带隙宽度Eg1ECECEVEFp-n 异质结异质结Eg2Eg11.单异质结（单异质结（SH）p型区对于型区对于n型区中产生的光子是透明的，这就减少了型区中产生的光子是透明的，这就减少了向向 p 型区一侧传播的光的再吸收。型区一侧传播的光的再吸收。2.双异质结（双异
37、质结（DH）EFnEFpECECEVEF光子限定光子限定 实际上，许多高亮度的实际上，许多高亮度的LED一一开始都采用双异质结（开始都采用双异质结（DH），），这种结构能把能带剪裁工程发挥这种结构能把能带剪裁工程发挥的更好。的更好。46什么是量子阱？什么是量子阱？n量子阱结构是指载流子的运动在一个方向受到约束，即这个方向的尺寸量子阱结构是指载流子的运动在一个方向受到约束，即这个方向的尺寸与电子的德布罗意波长相比拟或更小，载流子只能在二维平面内自由运与电子的德布罗意波长相比拟或更小，载流子只能在二维平面内自由运动动 。n在量子阱半导体材料中，原本体材料中准连续的能带变成了量子化的能在量子阱半导体
38、材料中，原本体材料中准连续的能带变成了量子化的能级或被子禁带隔开的一些子能带。另一方面，由于电子波函数形式的改级或被子禁带隔开的一些子能带。另一方面，由于电子波函数形式的改变，态密度出现不连续性。变，态密度出现不连续性。3.量子阱和超晶格量子阱和超晶格n不同维度量不同维度量子限制效应子限制效应的态密度与的态密度与能量的关系能量的关系 n单量子阱的能单量子阱的能带结构以及波带结构以及波函数示意图函数示意图半导体量子阱和超晶格半导体量子阱和超晶格 单量子阱：两种禁带宽度不同的材料单量子阱：两种禁带宽度不同的材料A和和B构成的背靠背异质结构成的背靠背异质结B/A/B。B的禁带宽度大于的禁带宽度大于A
39、。在材料。在材料A的厚度小于电子的平均自由程的厚度小于电子的平均自由程时，电子被约束在材料时，电子被约束在材料A中，构成量子阱。中，构成量子阱。B：势垒层，：势垒层，A：势阱层：势阱层多量子阱：将禁带宽度不同的两种薄层材料周期性的多量子阱：将禁带宽度不同的两种薄层材料周期性的 交叠在一起。势垒层的厚度可使势阱中的电子不能交叠在一起。势垒层的厚度可使势阱中的电子不能 穿透势垒层进入另一个势阱。穿透势垒层进入另一个势阱。载流子的德布罗意波长：载流子的德布罗意波长：半导体超晶格：量子阱势垒层的厚度较薄，相邻的势阱半导体超晶格：量子阱势垒层的厚度较薄，相邻的势阱 中的电子波函数之间能够互相重叠。中的电
40、子波函数之间能够互相重叠。周期厚度（周期厚度（L）=阱层厚度（阱层厚度（Lw）+垒层厚度（垒层厚度（LB）量子阱周期数量子阱周期数BBA2dhm E 2、量子阱和超晶格分类：、量子阱和超晶格分类：（1）晶格匹配量子阱与超晶格，应变量子阱与超晶格：按材料）晶格匹配量子阱与超晶格，应变量子阱与超晶格：按材料 的晶格匹配程度来分的晶格匹配程度来分 晶格失配度：（晶格失配度：（A-B）/B 晶格匹配：两种材料失配度小于晶格匹配：两种材料失配度小于0.5%晶格失配：失配度大于晶格失配：失配度大于0.5%应变量子阱与超晶格应变量子阱与超晶格：通过薄层双方或一方的晶格常数的有限：通过薄层双方或一方的晶格常数
41、的有限改变来补偿晶格失配的应力。一般应变层的厚度十分有限。改变来补偿晶格失配的应力。一般应变层的厚度十分有限。临界厚度临界厚度：应变量子阱与超晶格的厚度超过一定值时，在界面：应变量子阱与超晶格的厚度超过一定值时，在界面处产生失配位错，晶体质量变差。处产生失配位错，晶体质量变差。（2）固定组分量子阱与超晶格、组分渐变量子阱与超晶格，以）固定组分量子阱与超晶格、组分渐变量子阱与超晶格，以及调制掺杂量子阱与超晶格。及调制掺杂量子阱与超晶格。pn3、量子阱与超晶格中的电子状态：、量子阱与超晶格中的电子状态：导带势垒高度：导带势垒高度：Ec；价带势垒高度：；价带势垒高度：Ev Eg=Ec+Ev 量子化能
42、级的间距反比于量子阱宽度量子化能级的间距反比于量子阱宽度Lw的平方，量子阱越窄，的平方，量子阱越窄，量子化效应越明显，当量子化效应越明显，当Lw宽一定程度时（约几十宽一定程度时（约几十nm），量子效），量子效应消失。应消失。22222()()88ZxyxyWhnhEEEkkmLmE1E2E3E1E2LED 发光机制发光机制n1、p-n结注入发光结注入发光 p-n结处于平衡时，存在一定结处于平衡时，存在一定的势垒区，其能带如图。的势垒区，其能带如图。如加一正向偏压，由于如加一正向偏压，由于势垒区载流子浓度很小，电势垒区载流子浓度很小，电阻很大，外加电压基本降落阻很大，外加电压基本降落在势垒区，削
43、弱了势垒区的在势垒区，削弱了势垒区的内建电场，势垒减小。内建电场，势垒减小。p-n结注入发光能带图n载流子的扩散和漂移之间的平衡被打破，扩散流大于载流子的扩散和漂移之间的平衡被打破，扩散流大于漂移流，即产生电子由漂移流，即产生电子由n n区注入区注入p p区和空穴由区和空穴由p p区注入区注入n n区的净扩散流，如图所示。区的净扩散流，如图所示。n这些进入这些进入p p区的电子和进入区的电子和进入n n的空穴都是非平衡少数载的空穴都是非平衡少数载流子，非平衡少子边扩散边与多数载流子复合而发光流子，非平衡少子边扩散边与多数载流子复合而发光，经过比扩散长度大几倍的距离后，全部被复合，这，经过比扩散
44、长度大几倍的距离后，全部被复合，这段区域称为扩散区，这就是段区域称为扩散区，这就是p-np-n结中的非平衡载流子注结中的非平衡载流子注入发光。入发光。n2、异质结注入发光、异质结注入发光 为了提高少数载流子的注入效为了提高少数载流子的注入效率，可以采用异质结。率，可以采用异质结。n图图19（a）表示理想的异质结）表示理想的异质结能带示意图。能带示意图。n当加正向偏压时，势垒降低。当加正向偏压时，势垒降低。但由于但由于p区和区和n区的禁带宽度不区的禁带宽度不等，势垒是不对称的。等，势垒是不对称的。n加上正向偏压，如图加上正向偏压，如图19（b），当两者的价带达到等高时，当两者的价带达到等高时，p
45、区的空穴由于不存在势垒，区的空穴由于不存在势垒，不断向不断向n区扩散，保证了空穴区扩散，保证了空穴（少数载流子）向发光区的高（少数载流子）向发光区的高注入效率。注入效率。n对于对于n区的电子，由于存在势垒区的电子，由于存在势垒E（=Eg1-Eg2），不能从），不能从n区注入区注入p区。这样，禁带较宽的区域成为注入源（图中的区。这样，禁带较宽的区域成为注入源（图中的p区），而禁带宽度较小的区域（图中区），而禁带宽度较小的区域（图中n区）成为发光区。区）成为发光区。例如，对于蓝光例如，对于蓝光LED中采用的中采用的InGaN-GaN异质结，发光波长在异质结，发光波长在460nm附近时，带隙约为附近
46、时，带隙约为2.7 eV，相当于，相当于InGaN的禁带宽度。发光区（的禁带宽度。发光区（Eg2较小）发射的光子，其能量较小）发射的光子，其能量hv小于小于Eg1，进入，进入p区后不会引起本征区后不会引起本征吸收，即禁带宽度较大的吸收，即禁带宽度较大的p区对这些光子是透明的。区对这些光子是透明的。n因此，异质结发光二极管中禁带宽的部分（注入区）同时因此，异质结发光二极管中禁带宽的部分（注入区）同时可以作为辐射光的透出窗，可以制成正面出光的可以作为辐射光的透出窗，可以制成正面出光的LED3、量子阱发光、量子阱发光n在禁带较宽的在禁带较宽的GaN材料上异质外延一层极薄的材料上异质外延一层极薄的In
47、GaN阱层，然后再异质外延厚的阱层，然后再异质外延厚的GaN垒层，形成量子阱结垒层，形成量子阱结构。构。n如果不考虑这种结构中如果不考虑这种结构中InGaN与与GaN间电子和空穴交间电子和空穴交换而引起的能带弯曲，则其能带图如图换而引起的能带弯曲，则其能带图如图20（a）所示，）所示，当外加电流注入时，电子发生迁移，掉入势阱中，只当外加电流注入时，电子发生迁移，掉入势阱中，只要要InGaN夹层足够薄，其中的电子和空穴就可以视为夹层足够薄，其中的电子和空穴就可以视为处于量子阱中，如图处于量子阱中，如图20（b）。）。势阱沿势阱沿z z方向很窄，电子在方向很窄，电子在z z方向被局限在几个到几十个原子方向被局限在几个到几十个原子层范围的量子阱中，能量发生量子化，产生分立能级。电子层范围的量子阱中，能量发生量子化，产生分立能级。电子在分立能级之间跃迁而辐射发光。在分立能级之间跃迁而辐射发光。作业：作业：1、如何高效地产生电子和空穴？、如何高效地产生电子和空穴？2、以什么方式复合产生高效的光辐、以什么方式复合产生高效的光辐 射？射？
