半导体发光材料ppt下载

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光电子材料 1.0 概述 1.1 半导体及半导体发光基础 1.2 半导体发光材料 1.3 发光二极管 1.4 半导体激光器 1.0 概述 应用领域： 信息显示 光纤通信 固态照明 国防 固体材料的种类: 单晶体中的原子或分子在三维空间中有序排列， 具有几何周期重复性。 晶格：把单晶体中的原子或分子抽象成数学上的几何点，这些点的集合被称为晶格。 或晶体的原子按一定规律在空间周期性排列形成格点，成为晶格。 晶体中的原子或分子位于晶格点上。 纤锌矿结构 电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转 到另一个原子周围，即同一个电子可以被多个原子共 有，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个 原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。 允带：允许电子存在的能量围。 禁带：不允许电子存在的能量范围。 价带：在绝对零度，可以被电子填满的最高能带。 导带：价带之上，电子可以摆脱单个原子束缚，并在整个半导体材料中自由移动的能带。 禁带宽度： 单位是能量单位：eV（电子伏特）。 价带电子运动可以看作空穴的运动。 在半导体中，导带的电子和价带的空穴均参与导电 这与金属（导体）导电有很大的区别。 载流子：半导体中，导带中的电子和价带中的空穴统称为载流子。 本征半导体是纯净而不含任何杂质的理想半导体材料。 由于晶体中原子的热振动，价带中的一些电子 激发到导带，同时在价带中留下空穴，形成电子-空 穴对。因此，本征半导体中的电子浓度与空穴浓度 相等。 本征半导体内引入一定数量的杂质，可以有效改变半导体的导电性质，这种掺有一定数量杂质的半导体称为非本征半导体。 硅中掺入磷(P)，当一个磷原子占据了硅原子的 位置，一个硅原子被一个带有5 个价电子的磷原子 所取代（或替补），其中4个价电子与周围的4个硅 原子形成共价键，还剩余一个价电子。 原子对剩余的这个价电子的束缚能力较弱，只需获得较小的能量就可以脱离磷原子的束缚成为可以传导电流的准自由电子。 此电子被施给了导带，磷原子因此被称为施主。 由于带负电载流子增加，硅变成N型。 N型半导体：掺入了施主杂质的半导体中，热平衡状态 下的准自由电子浓度大于空穴浓 度，称这 样的半导体为N型半导体。 杂质浓度ND>>本征载流子浓度ni N型半导体中n0>>P0，电子为多数载流子，空穴为少数载流子。 硅中掺入硼（B），当一个带有3 个价电子的硼原子占据了硅原子的位置，它和周围的4个硅原子形成共价键时，还缺少一个电子，必须从别处的硅原子中夺取一个价电子，于是在硅晶体的共价键中产生了一个空穴。 硼原子成为一个带有一个负电荷的硼离子（B-），称为负电中心硼离子。其效果相当于形成了一个负电中心和一个多余的空穴。 热平衡状态下，掺有浓度为NA的受主杂质的半导 体中，空穴和准自由电子的浓度分别为 掺杂：引入其它原子来改变半导体电性能的方法 施主杂质：在半导体中提供准自由电子的杂质 对于 Si 而言掺入的施主杂质一般为V族 元素，如 磷 P、As等； ND ≡ 施主杂质浓度 [cm-3] 一般情况下 ND >> ni ( 1015 ~ 1020 ) 常温下，施主杂质完全电离  受主杂质：在半导体中提供空穴的杂质 对于Si而言掺入的受主杂质一般为III族 元素，如硼 B、Ga等； NA ≡ 受主杂质浓度 [cm-3] 一般情况下NA >> ni (NA：1015 ~ 1020 cm-3 ) 常温下受主杂质完全电离  4、费米能级 如果一个能带中的某一个能级的能量设为E，则该能级被电子占据的概率是符合一个函数规律的即为f（E），f（E）称为费米函数。  当f（E）=1/2时，得出的E值对应的能级为费米能级。 费米能级是量子态基本上被电子占据或基本上是空的一个标志。费米能级以下的能级都被电子所填充。 电子从费米能级高的一侧向低费米能级一侧流动。 本征与非本征半导体的费米能级： 1.1.2 半导体发光 1、辐射跃迁： 半导体材料中的电子由高能态向低能态跃迁时，以光子的形式释放多余的能量，这称为辐射跃迁，辐射跃迁的过程也就是半导体材料的发光过程。 跃迁是电子-空穴对复合 激励： 光致发光 电致发光 3、半导体的发光 2、非辐射跃迁： 电子由较高能级跃迁至低能级并不发出电磁辐射，称作非辐射跃迁。 同时考虑辐射跃迁过程和非辐射跃迁过程时，则有： 4、直接带隙结构半导体 直接带隙结构：价带顶的能量 位置和导带底的位置相同 直接带隙跃迁: 特点：无声子参与，发光效率高 直接带隙半导体材料: II-VI族化合物 ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、 CdS、CdSe、CdTe III-V族化合物 GaN、GaAs、GaSb、InP 5、间接带隙结构半导体 间接带隙结构：价带顶的能量 位置与导带底的能量位置不同 间接带隙跃迁： 特点：声子参与，发光效率低 间接带隙半导体材料： IV族半导体Si、Ge， III-V族化合物中的AlAs、GaP 半导体材料的发展历程： 发光材料概述： 主要的半导体发光材料为直接带隙的III-V族半导体材料，以及由它们组成的三元、四元固溶体。 固溶体指的是矿物一定结晶构造位置上离子的互相置换，而不改变整个晶体的结构及对称性等。 GaAs III-V族化合物半导体，典型的直接跃迁型发光材料， 禁带宽度1.42ev左右，相应波长在873nm附近，属 于近红外波段。许多发光器件的基础材料，外延生 长用的衬底材料。 GaP 间接带隙宽度2.26eV，典型的间接发光材料。 在GaP中通过掺入杂质（N)，产生等电子陷阱，俘 获激子，通过激子复合实现发光。 在半导体发光材料中具有较高的发光效率。并 且通过掺入不同的发光中心，可以直接输出红、绿、 黄灯等种不同颜色的光。 激子的俘获： 一个电荷(电子或空穴)首先被缺陷的近程势所 束缚，使缺陷中心带电，然后再通过库仑互作用(远程 势)束缚一个电荷相反的空穴或电子，形成束缚激子 。 GaN 直接跃迁型半导体材料，具有带隙宽、热导率 高化学性能稳定的特点。室温条件下，带隙宽度为 3.39eV。 InGaAsP 四元固溶体。通过组分x和y的调节， 覆盖波长范围从870nm(GaAs)至3.5μm(InAs)，该 范围包含了光纤通讯波长1.3和1.55μm。光纤通讯 所用1.3和1.55μm半导体光源即主要采用InGaAsP 材料。 ZnS （荧光粉） II-VI族半导体化合物，带隙宽度为3.6eV。使用 ZnS粉末，用Cu作为激活剂，可以在交流驱动下， 实现场致发光。发光光谱可覆盖整个可见光波段。 练习 当P-N结外加正向偏置电压时，外加电压形成的电场方向与内 建电场_____（相反/一致），导致势垒区总的电场强度 ______（增强/减弱），这说明空间电荷数量______（增多/ 减少），也就意味着势垒区宽度______（增大/减小），势垒 高度______（增大/减小）。此时，电场强度的变化导致载流 子的漂移运动______（大于/小于）扩散运动，形成______ （净扩散/净漂移），以致势垒区边界载流子浓度______（大 于/小于）该区内部，从而在Ｎ区形成______（从Ｎ区势垒边 界向Ｎ区内部／从Ｎ区内部向Ｎ区势垒边界）的______（电 子／空穴）的______（扩散／漂移），在Ｐ区形成______ （从Ｐ区势垒边界向Ｐ区内部／从Ｐ区内部向Ｐ区势垒边界） 的______（电子／空穴）的______（扩散／漂移）。 发光二极管 当加正向偏置时势垒下降，p区和n区的多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率μ比空穴迁移率大得多，出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放。这就是P-N结发光的原理。 在基底上依次生长一层n型层和p型层，p型层相对较 薄，以减少半导体材料的再吸收，有利于辐射复合产 生的光子逃逸。 1.发光二极管的效率 描述LED发射光谱分布的两个主要参量： 峰值波长 与半高全宽 （单色性指标） 。 由于发光复合几率具有温度依赖性，一般地，环境温 度上升，亮度下降；当LED消耗功率大，则结温上升， 输出亮度下降，使得发光强度随电流I不再线性增长， 而是呈现热饱和现象。所以减小功耗，改良散热条件 很重要。 优点： 寿命长，理论上为10万小时，一般大于5万小时。（是荧光灯的10倍） 发热量低，耗电量小，白炽灯的1/8，荧光灯的1/3 体积小，重量轻，可封装成各种类型 坚固耐用，不怕震动。环氧树脂封装，防水，耐恶劣环境使用 多色显示，利用RGB可实现七彩色显示。 工作温度稳定性好。 响应时间快，一般为纳秒(ns)级。 冷光，不是热光源。 电压低，可以用太阳能电池作电源。 应用领域： 1.激光器的产生及历史 根据上面的分析，产生激光有三个基本结构： a.工作物质提供实现粒子数反转和产生激光的受激 辐射的物质体系； b.泵浦源实现粒子数反转提供外界能量； c.谐振腔，实现光放大并限制振荡光束（方向和频率）。 泵浦源：外加正向偏压。 当加在PN结上的正向电压超过某一值（eV>Eg）后， PN结的某段区域中导带底的电子数大于价带顶电子 数，出现粒子数反转。该区域称为增益区(有源区) 。 量子阱(QW，Quantum Well) 半导体激光器是一 种窄带隙有源层夹在宽带隙半导体材料中间或交 替重叠生长，有源层厚度小至1～10nm的新型半 导体激光二极管。 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Lasers）发光面积大，发散角小。 P-I特性 半导体激光器的优点和缺点 优点： 结构简单； 电流泵浦，功率转换效率高(最大可达50%)，便于调制； 总 结 1.pn结的形成，半导体发光过程 2.半导体发光材料的要求，典型半导体发光材料 3.LED的基本原理，同质结LED提高效率的方法，双异质结LED的工作原理及优点，白光LED 4.激光器的基本结构及其作用，LD工作原理BaD红软基地

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