半导体器件物理课件——第八章.ppt

第八章第八章 发光二极管和半导体发光二极管和半导体激光器激光器1907.Round发现电流通过硅检波器时有黄光发生发现电流通过硅检波器时有黄光发生1923.Lossev在在碳化硅检波器中观察到类似现象碳化硅检波器中观察到类似现象1955.Braunstein首次在三首次在三-五族化合物中观察到辐射复合五族化合物中观察到辐射复合1961.Gershenzon观察到磷化镓观察到磷化镓PN结发光结发光1962年砷化镓发光二极管和激光器研制成功年砷化镓发光二极管和激光器研制成功1970年砷化镓年砷化镓-铝镓砷激光器实现室温连续铝镓砷激光器实现室温连续8.1 8.1 辐射复合与非辐射辐射复合与非辐射8.1辐射复合和非辐射复合辐射复合和非辐射复合 在复合过程中电子多余的能量可以以辐射的形式（发射光子）释放出来，在复合过程中电子多余的能量可以以辐射的形式（发射光子）释放出来，这种复合称为辐射复合，它是光吸收的逆过程。这种复合称为辐射复合，它是光吸收的逆过程。在复合过程中电子的多余能量也可以以其它形式释放出来，而不发射光在复合过程中电子的多余能量也可以以其它形式释放出来，而不发射光子，这种复合称为非辐射复合。子，这种复合称为非辐射复合。光电器件利用的是辐射复合过程，非辐射复合过程则是不利的。了解半导光电器件利用的是辐射复合过程，非辐射复合过程则是不利的。了解半导体中辐射复合过程和非辐射复合过程是了解光电器件的工作机制和进行器件体中辐射复合过程和非辐射复合过程是了解光电器件的工作机制和进行器件设计的基础。设计的基础。8.1.1辐射复合辐射复合 1.带间辐射复合带间辐射复合 带间辐射复合是导带中的电子直接跃迁到价带与价带中的空穴复合。发射的光子的能量接近等于半带间辐射复合是导带中的电子直接跃迁到价带与价带中的空穴复合。发射的光子的能量接近等于半 导体材料的禁带宽度。导体材料的禁带宽度。由于半导体材料能带结构的不同，带间辐射复合又可以分为直接辐射复合和间接辐射合两种由于半导体材料能带结构的不同，带间辐射复合又可以分为直接辐射复合和间接辐射合两种:导带价带导带价带图图8-1 带带间间复复合合：（a）直直接接能隙复合（能隙复合（b）间接能隙复合）间接能隙复合8.1.1 辐射复合辐射复合直接辐射复合直接辐射复合对于直接带隙半导体，导带极小值和价带极大值发生在布里渊区同一对于直接带隙半导体，导带极小值和价带极大值发生在布里渊区同一点点如图如图8.1a8.1a所示。所示。电子在跃迁过电子在跃迁过程中必须遵守能量守恒和准动量守恒程中必须遵守能量守恒和准动量守恒准动量守恒要求准动量守恒要求 （8-18-1）=跃迁前电子的波矢量跃迁前电子的波矢量=跃迁后电子的波矢量跃迁后电子的波矢量 =跃迁过程中辐射的光子的波矢量跃迁过程中辐射的光子的波矢量 （8-2）(8-2)式说明这种跃迁发生在空间的同一地点，因此也被称为竖直跃迁。8.1.1辐射复合辐射复合 （8-2）(8-2)式说明这种跃迁发生在式说明这种跃迁发生在 空间的同一地点，因此也被称为竖直跃迁。空间的同一地点，因此也被称为竖直跃迁。能量守恒要求能量守恒要求 （8-3）式中式中 =跃迁前电子的能量跃迁前电子的能量 =跃迁后电子的能量跃迁后电子的能量 =辐射光子的能量辐射光子的能量8.1.1辐射复合辐射复合间接辐射复合间接辐射复合 在这种半导体中，导带极小值和价带极大值不是发生在布里渊区的同一地点，因此这种跃迁是非在这种半导体中，导带极小值和价带极大值不是发生在布里渊区的同一地点，因此这种跃迁是非竖直跃迁。准动量守恒要求在跃进过程中必须伴随声子的吸收或放出。即竖直跃迁。准动量守恒要求在跃进过程中必须伴随声子的吸收或放出。即 （8-4）为声子的波矢，正号表示放出声子，负号表示吸收声子，相应能量守恒为声子的波矢，正号表示放出声子，负号表示吸收声子，相应能量守恒的条件为的条件为 （8-5）为声子频率。为声子频率。一般比电子能量小得多，可以略去。一般比电子能量小得多，可以略去。为声子的能量，为声子的能量，8.1.1辐射复合辐射复合 2.浅能级和主带之间的复合浅能级和主带之间的复合 它可以是浅施主与价带空穴或浅受主与导带电子之间的的复合，如图它可以是浅施主与价带空穴或浅受主与导带电子之间的的复合，如图8-2所示。所示。图图8-2 浅能级杂质与主带的复合浅能级杂质与主带的复合8.1.1辐射复合辐射复合3.施主施主 受主对（受主对（D-A对）复合对）复合 施主施主 受主对复合是施主俘获的电子和受主俘获的空穴之间的复合。在复合过程中发射光子光受主对复合是施主俘获的电子和受主俘获的空穴之间的复合。在复合过程中发射光子光子的能量小于禁带宽度。这是辐射能量小于禁带宽度的一种重要的复合发光机制，这种复合子的能量小于禁带宽度。这是辐射能量小于禁带宽度的一种重要的复合发光机制，这种复合也称为也称为D-A对复合。对复合。D-A对复合模型认为，当施主杂质和受主杂质同时以替位原子进入晶格对复合模型认为，当施主杂质和受主杂质同时以替位原子进入晶格格点并形成近邻时，这些集结成对的施主和受主系统由于距离较近，波函数相互交叠使施主格点并形成近邻时，这些集结成对的施主和受主系统由于距离较近，波函数相互交叠使施主和受主各自的定域场消失而形成偶极势场，从而结合成施主和受主各自的定域场消失而形成偶极势场，从而结合成施主 受主对联合发光中心，称为受主对联合发光中心，称为D-A对。对。D-A对发光中心的能级如图对发光中心的能级如图8-3所示。所示。图图8-3DA 对复合能级图对复合能级图8.1.1辐射复合辐射复合 3.施主受主对复合施主受主对复合 施主俘获电子，受主俘获空穴之后都呈电中性状态。施主上的电子与受主上的空穴施主俘获电子，受主俘获空穴之后都呈电中性状态。施主上的电子与受主上的空穴复合后，施主再带正电，受主再带负电。所以复合后，施主再带正电，受主再带负电。所以DA对复合过程是中性组态产生电对复合过程是中性组态产生电离施主离施主 受主对的过程，故复合是具有库仑作用的。跃迁中库仑作用的强弱取决于受主对的过程，故复合是具有库仑作用的。跃迁中库仑作用的强弱取决于施主与受主之间的距离的大小。粗略地以类氢原子模型处理施主与受主之间的距离的大小。粗略地以类氢原子模型处理DA对中心。在没有对中心。在没有声子参与复合的情况下，发射的光子能量为声子参与复合的情况下，发射的光子能量为（8-6）8.1辐射复合3.施主受主对复合施主受主对复合 对于对于 材料，不同杂质原子和它们的替位状态会造成对的电离能不同。例如：材料，不同杂质原子和它们的替位状态会造成对的电离能不同。例如：氧施主和碳受主杂质替代磷的位置，在温度为氧施主和碳受主杂质替代磷的位置，在温度为 时，时，；而氧施主；而氧施主杂质是磷替位和锌受主杂质是镓替位，在温度为杂质是磷替位和锌受主杂质是镓替位，在温度为 时，时，。D-A对的发光在室温下由于与声子相互作用较强，很难发现对的发光在室温下由于与声子相互作用较强，很难发现DA对复合的线光对复合的线光谱。但是，在低温下可以明显地观察到对发射的线光谱系列。这种发光机构已为实谱。但是，在低温下可以明显地观察到对发射的线光谱系列。这种发光机构已为实验证实并对发光光谱作出了合理的解释。验证实并对发光光谱作出了合理的解释。8.1辐射复合辐射复合4.通过深能级的复合通过深能级的复合电子和空穴通过深能级复合时，辐射的光子能量远小于禁带宽度，发电子和空穴通过深能级复合时，辐射的光子能量远小于禁带宽度，发射光的波长远离吸收边。对于窄禁带材料，要得到可见光是困难的，射光的波长远离吸收边。对于窄禁带材料，要得到可见光是困难的，但对于宽禁带材料，这类发光还是有实际意义的，例如但对于宽禁带材料，这类发光还是有实际意义的，例如 中的红色中的红色发光，便是属于这类复合。发光，便是属于这类复合。深能级杂质除了对辐射复合有影响外，往往是造成非辐射复合的根源，深能级杂质除了对辐射复合有影响外，往往是造成非辐射复合的根源，特别是在直接带隙材料中更是如此。所以在实际工作中，往往需要尽特别是在直接带隙材料中更是如此。所以在实际工作中，往往需要尽量减少深能级，以提高发光效率。量减少深能级，以提高发光效率。8.1辐射复合辐射复合5.激子复合激子复合 如果半导体吸收能量小于禁带宽度的光子，电子被从价带激发。但由于库仑作用，如果半导体吸收能量小于禁带宽度的光子，电子被从价带激发。但由于库仑作用，它仍然和价带中留下的空穴联系在一起，形成束缚状态。这种被库仑能束缚在一它仍然和价带中留下的空穴联系在一起，形成束缚状态。这种被库仑能束缚在一起的电子起的电子-空穴对就称为激子。如果激子复合以辐射方式释放能量，就可以形成发空穴对就称为激子。如果激子复合以辐射方式释放能量，就可以形成发光过程。光过程。自由激子：自由激子：对于直接带隙半导体材料，自由激子复合发射光子的能量为对于直接带隙半导体材料，自由激子复合发射光子的能量为 式中式中 为激子能级。为激子能级。对于间接带隙半导体材料，自由激子复合发射光子的能量为对于间接带隙半导体材料，自由激子复合发射光子的能量为式中式中 表示吸收或放出能量为表示吸收或放出能量为 的的 个声子。个声子。（8-7）（8-8）8.1.1辐射复合5.激子复合激子复合束缚激子：束缚激子：若激子对杂质的结合能为若激子对杂质的结合能为 ，则其发射光谱的峰值为，则其发射光谱的峰值为 是材料和束缚激子的中心的电离能是材料和束缚激子的中心的电离能 的函数。近年来，在发光材料的研究中，发的函数。近年来，在发光材料的研究中，发现束缚激子的发光起重要作用，而且有很高的发光效率。如现束缚激子的发光起重要作用，而且有很高的发光效率。如 材料中材料中 对对 产生的束缚激子引起红色发光。氮等电子陷阱产生的束缚激子引起绿色发光。这两种产生的束缚激子引起红色发光。氮等电子陷阱产生的束缚激子引起绿色发光。这两种发光机制使发光二极管的发光效率大大提高，成为发光二极管的主要发光机制。激子发光机制使发光二极管的发光效率大大提高，成为发光二极管的主要发光机制。激子发光的研究越来越受到人们的重视。发光的研究越来越受到人们的重视。（8-9）8.1.1 辐射复合辐射复合6 6、等电子陷阱复合、等电子陷阱复合 等电子杂质等电子杂质：周期表内与半导体基质原子同族的原子。：周期表内与半导体基质原子同族的原子。等电子陷阱等电子陷阱：由等电子杂质代替晶格基质原子而产生的束缚态。由于等电子杂质与被替位的原子：由等电子杂质代替晶格基质原子而产生的束缚态。由于等电子杂质与被替位的原子 之间的电负性和原子半径等方面是不同的，因而引起晶格势场畸变，可以束缚电子或空穴之间的电负性和原子半径等方面是不同的，因而引起晶格势场畸变，可以束缚电子或空穴 形成带电中心，就象在等电子杂质的位置形成陷阱，将电子或空穴陷着，故称为等电子陷阱。形成带电中心，就象在等电子杂质的位置形成陷阱，将电子或空穴陷着，故称为等电子陷阱。如果等电子杂质的电负性比晶格原子的电负性大，则可以形成电子的束缚态，这样如果等电子杂质的电负性比晶格原子的电负性大，则可以形成电子的束缚态，这样的等电子陷阱也可称为等电子的电子陷阱，这样的杂质称为等电子受主的等电子陷阱也可称为等电子的电子陷阱，这样的杂质称为等电子受主(如氮原子取代中如氮原子取代中GapGap磷原子磷原子)。如果等电子杂质的电负性比晶格原子的电负性小，则形成空穴的束缚态，称为等电子的如果等电子杂质的电负性比晶格原子的电负性小，则形成空穴的束缚态，称为等电子的空穴陷阱，产生这种束缚态的杂质称为等电子施主空穴陷阱，产生这种束缚态的杂质称为等电子施主(如铋原子取代如铋原子取代GapGap中磷中磷原子原子)。当等电子陷阱俘获了某一种载流子以后，成为带电中心，这个带电中心又由库仑作用而俘获当等电子陷阱俘获了某一种载流子以后，成为带电中心，这个带电中心又由库仑作用而俘获带电符号相反的载流子，形成束缚激子。当激子复合时，就能以发射光子的形式释放能量。带电符号相反的载流子，形成束缚激子。当激子复合时，就能以发射光子的形式释放能量。8.1.1辐射复合辐射复合 6.等电子陷阱复合等电子陷阱复合 等电子杂质对电子的束缚是短程力，因此，被束缚的电子定域在杂质原等电子杂质对电子的束缚是短程力，因此，被束缚的电子定域在杂质原子附近很窄的范围内。电子的波函数在位形空间中的定域是很确定的。子附近很窄的范围内。电子的波函数在位形空间中的定域是很确定的。根据海森堡测不准关系，电子波函数在动量空间中会扩展到很宽的范围，根据海森堡测不准关系，电子波函数在动量空间中会扩展到很宽的范围，因而被束缚在等电子陷阱的电子在因而被束缚在等电子陷阱的电子在 空间中从空间中从 到到X的几率改变，使电子的几率改变，使电子在在 点的几率密度点的几率密度 提高，如图提高，如图8-5所示。氮等电子陷阱的引入，使所示。氮等电子陷阱的引入，使 点点出现电子的几率比间接跃迁的出现电子的几率比间接跃迁的 材料提高材料提高3个数量级左右，从而使电个数量级左右，从而使电子通过等电子陷阱实现跃迁而无需声子参与，大大地提高子通过等电子陷阱实现跃迁而无需声子参与，大大地提高 的发光效率的发光效率。8.1.1辐射复合辐射复合图图8-5 8-5 ，和和的等电子陷阱束缚电子的几率密度在空间的分布的等电子陷阱束缚电子的几率密度在空间的分布 8.1.2非辐射复合非辐射复合1.多声子过程多声子过程非辐射复合非辐射复合 图图8-6 多声子跃迁多声子跃迁 0125102050100200300400500600光子能量（meV）8.1.2非辐射复合非辐射复合2.2.俄歇俄歇(Auger)Auger)过程过程 图图8-7俄歇过程俄歇过程8.1.2非辐射复合非辐射复合2.2.俄歇俄歇(Auger)Auger)过程过程 图图8-7俄歇过程俄歇过程8.1.2非辐射复合非辐射复合2.2.俄歇俄歇(Auger)Auger)过程过程 图图8-7俄歇过程俄歇过程8.1.2非辐射复合非辐射复合3.表面复合表面复合晶体表面处晶格的中断，产生能从周围吸附杂质的悬挂键。晶体表面处晶格的中断，产生能从周围吸附杂质的悬挂键。因而能够产生高浓度的深的和浅的能级，它们可以充当复合中心。因而能够产生高浓度的深的和浅的能级，它们可以充当复合中心。虽然对这些表面态的均匀分布没有确定的论据，当假定是均匀分布虽然对这些表面态的均匀分布没有确定的论据，当假定是均匀分布时，表面态的分布为时，表面态的分布为 ，与实验的估计良好地一致。，与实验的估计良好地一致。8.1 辐射复合与非辐射复合辐射复合与非辐射复合教学要求教学要求掌握辐射复合和非辐射复合的概念和机制。掌握辐射复合和非辐射复合的概念和机制。什么是等电子陷阱复合？为什么等电子陷阱复合能提高半导体材料的发光效率？什么是等电子陷阱复合？为什么等电子陷阱复合能提高半导体材料的发光效率？解释解释图图8-7 8-7 中各种俄歇过程。中各种俄歇过程。8.2 8.2 LEDLED的基本结构和工作过程的基本结构和工作过程8.2 8.2 LEDLED的基本结构和工作过程的基本结构和工作过程 平面结构镓砷磷红光二极管的结构示意图平面结构镓砷磷红光二极管的结构示意图 图图8-9 8-9 磷化镓发光二极管磷化镓发光二极管 （a a）磷化镓发光二极管管芯截面图磷化镓发光二极管管芯截面图 （b b）封装后的磷化镓发光二极管封装后的磷化镓发光二极管 8.2 8.2 LEDLED的基本结构和工作过程的基本结构和工作过程 PNPN结的电致发光结的电致发光图图8-10 8-10 P-NP-N的电致发光结：（的电致发光结：（a a）零偏压，（零偏压，（b b）正向偏压正向偏压V8.2 8.2 LEDLED的基本结构和工作过程的基本结构和工作过程 教学要求教学要求画出能带图说明画出能带图说明LEDLED的发光机制。的发光机制。作业：作业：8-18-1、8-38-3、8-48-4、8-58-5名词解释及问题名词解释及问题8.3 LED的特性参数的特性参数8.3.1 V-I特性发光二极管的电流电压特性和普通二极管大体一致。发光二极管的开启电压很低，是1.0伏，、大约1.5伏。（红光）大约1.8伏，（绿光）大约2.0伏。工作电流约为10 。工作电压和工作电流低，使得可以把它们做的很小，以至于看作点光源，这使得LED极适宜用于光显示。8.3.2 量子效率量子效率量子效率是发光二极管特性中一个与辐射量有关的重量子效率是发光二极管特性中一个与辐射量有关的重要参数。它反映了注入载流子复合产生光量子的率。要参数。它反映了注入载流子复合产生光量子的率。量子效率又有内量子效率和外量子效率两个概念量子效率又有内量子效率和外量子效率两个概念:外量子效率：单位时间内输出二极管外的光子数目与外量子效率：单位时间内输出二极管外的光子数目与注入的载流子数目之比。注入的载流子数目之比。内量子效率：单位时间内半导体的辐射复合产生的光内量子效率：单位时间内半导体的辐射复合产生的光子数与注入的载流子数目之比。子数与注入的载流子数目之比。8.3.2量子效率量子效率1.注射效率注射效率图图8-128-12 带带尾尾对对带带 带带复复合合的的影影响；（响；（a）型，（）型，（b）型型 （a）（b）8.3.2量子效率量子效率注射效率就是可以产生辐射复合的二极管电流在二极管的总电流中所占的百注射效率就是可以产生辐射复合的二极管电流在二极管的总电流中所占的百分比。分比。根据（根据（8-15）式提高注射效率的途径是：）式提高注射效率的途径是：(a)P区受主浓度要小于区受主浓度要小于 N 区施主浓度，即区施主浓度，即 结。结。(b)减小耗尽层中的复合电流。这就要求减小耗尽层中的复合电流。这就要求LED所用的材料和制造工艺尽可所用的材料和制造工艺尽可能保证晶体完整，尽量避免有害杂质的掺入。能保证晶体完整，尽量避免有害杂质的掺入。(c)选用电子迁移率比空穴迁移率大的材料。由于选用电子迁移率比空穴迁移率大的材料。由于 族化合物半导体的族化合物半导体的电子迁移率比空穴迁移率大很多，例如电子迁移率比空穴迁移率大很多，例如 ，所以它们是制造，所以它们是制造LED的上选材料。的上选材料。8.3.2量子效率量子效率 2.辐射效率辐射效率发生辐射复合的电子数与总的注入电子数比：发生辐射复合的电子数与总的注入电子数比：（8-18）（8-17）（8-16）（8-19）8.3.2量子效率量子效率三种可能的复合过程三种可能的复合过程图8-13三种可能的复合过程浅施主能级浅施主能级浅受主能级浅受主能级深复合中心深复合中心8.3.2量子效率量子效率带带带复合过程和非辐射复合过程相竞争：带复合过程和非辐射复合过程相竞争：（8-21）以以 和和 为竞争机制为竞争机制：（8-22）8.3.2量子效率量子效率根据（根据（8-21）式，欲提高）式，欲提高 ，可采用的方法是减少复合中心密度和增加，可采用的方法是减少复合中心密度和增加P区的掺杂浓区的掺杂浓度，而且较高的度，而且较高的 还有降低串联电阻从而减小正向电压降和欧姆损耗的作用。然而，还有降低串联电阻从而减小正向电压降和欧姆损耗的作用。然而，高的掺杂浓度使得晶体缺陷增加，导致非辐射复合中心高的掺杂浓度使得晶体缺陷增加，导致非辐射复合中心 的增加。同时，在讨论注的增加。同时，在讨论注射效率时已经指出，射效率时已经指出，P侧的高掺杂会使注射效率下降。以上分析已为实际所证实。实侧的高掺杂会使注射效率下降。以上分析已为实际所证实。实际证明，对于际证明，对于 LED,外部测得的峰值效率发生在外部测得的峰值效率发生在 =2.5 cm-3处。处。8.3.2量子效率量子效率根据以上分析，内量子效率可以写作根据以上分析，内量子效率可以写作 （8-23）3.逸出几率逸出几率 逸出几率逸出几率 也叫做出光效率被定义为也叫做出光效率被定义为PN结辐射复合产生的光结辐射复合产生的光子射到晶体外部的百分数。子射到晶体外部的百分数。外量子效率可以写作：外量子效率可以写作：（8-24）8.3.2量子效率量子效率影响逸出几率的主要因素：界面反射和 再吸收。1 c1 c1c2半导体表面 图8-14 中的界面反射和临界角N型半导体圆顶型半导体圆顶型i型典型源点160160160160（a）（b）透明环氧树脂二极管芯片dh1h2图8-18 圆顶状结构；（a）型半导体圆顶，（b）透明环氧树脂圆顶