3-4 半导体物理II

2011年秋-甄中国石油大学（华东）第3章导电物理3.4半导体物理本章提要3.4.2半导体的物理效应导电性和光学性2012-spring中国石油大学（华东）3.4.2半导体的物理效应（1）余辉效应（2）发光二极管（3）激光二极管（4）光伏特效应2012-spring中国石油大学（华东）（1）余辉效应价带的电子受到入射光子的激发后，会跃过禁带进入导带。如果导带上的这些被激发的电子又跃迁回到价带时，会以放出光子的形式来释放能量，这就是光致发光效应，也称为荧光效应。光致发光效应2012-spring中国石油大学（华东）图1荧光产生原理(a)没有禁带的金属;(b)有禁带的半导体光致发光现象会不会在金属中产生？2012-spring中国石油大学（华东）光致发光现象不会在金属中产生。因为在金属中，价带没有充满电子，低能级的电子只会激发到同一价带的高能级。在同一价带内，电子从高能级跃迁回到低能级，所释放的能量太小，产生的光子的波长太长，远远超过可见光的波长。2012-spring中国石油大学（华东）在某些陶瓷和半导体中，价带和导带之间的禁带宽度不大不小，所以被激发的电子从导带跃过禁带回到价带时释放的光子波长刚好在可见光波段。这样的材料称为荧光材料。日光灯灯管的内壁涂有荧光物质。管内的汞蒸气在电场作用下发出紫外线，这些紫外线轰击在荧光物质上使其发光。关掉电源后荧光物质便不再发光。2012-spring中国石油大学（华东）如果荧光材料中含有一些微量杂质，且这些杂质的能级位于禁带内，相当于陷阱能级(Ed)，从价带被激发的电子进入导带后，又会掉入这些陷阱能级。因为这些被陷阱能级所捕获的激发电子必须首先脱离陷阱能级进入导带后才能跃迁回到价带，所以它们被入射光子激发后，需要延迟一段时间才会发光，出现了所谓的余辉现象。余辉现象2012-spring中国石油大学（华东）图2余辉产生原理2012-spring中国石油大学（华东）余辉时间取决于这些陷阱能级与导带之间的能级差，即陷阱能级深度。因为在一定温度下：1）处于较深的陷阱能级上的电子被热重新激发到导带的几率较小，2）或者电子进入导带后又落入其他陷阱能级（发生多次捕获），这些情况都使余辉时间变长，也就是使发光的衰减很慢。余辉时间2012-spring中国石油大学（华东）荧光材料余辉时间短：电视机显示屏所用的荧光材料长余辉材料--夜光材料•ZnS∶Cu•SrAl2O4∶Eu,Dy通过设定陷阱能级Nd3+50h!夜明珠！2012-spring中国石油大学（华东）2012-spring中国石油大学（华东）图3SrAl2O4∶Eu,Dy长余辉材料的发光原理1234562012-spring中国石油大学（华东）（2）发光二极管LED余辉效应是入射光引起的半导体发光现象，而发光二极管则是电场引起的半导体发光现象。图4注入发光能带图(a)平衡p-n结;(b)正偏注入发光2012-spring中国石油大学（华东）回顾：PN结的单向导电性PN结加正向电压（正向偏置）PN结变窄P接正、N接负外电场IF内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–2012-spring中国石油大学（华东）PN结变宽PN结加反向电压（反向偏置）外电场内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IRP接负、N接正温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。–+PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－2012-spring中国石油大学（华东）在正向偏压的作用下：p-n结势垒降低，势垒区内建电场也相应减弱，载流子也会在正向偏压的作用下发生扩散：n型半导体区内的多数载流子电子扩散到p型半导体区，同时p型半导体区内的多数载流子空穴扩散到n型半导体区。这些注入到p区的载流子电子和注入到n区的载流子空穴都是非平衡的少数载流子。这些非平衡的少数载流子不断与多数载流子复合而发光，这就是半导体p-n结发光的原理。半导体p-n结发光的原理2012-spring中国石油大学（华东）2012-spring中国石油大学（华东）导致发光的能级跃迁1）在导带与价带这样的带与带之间（称为本征跃迁），2）在杂质能级与带之间、杂质能级之间（称为非本征跃迁）。图5材料发光与能级跃迁2012-spring中国石油大学（华东）导带上的电子还会:1)以热量的形式释放出一部分能量后,2)掉入杂质能级，3)然后再向价带跃迁。这种跃迁称为间接跃迁，其能量小于禁带宽度。间接跃迁可以有4种类型。2012-spring中国石油大学（华东）图6发光二级管的发光颜色与材料成分的关系GaP和GaAs混晶，调节x值可以改变能带结构2012-spring中国石油大学（华东）能级跃迁所产生的光子并不能够全部传到半导体材料的外部来。因为从发光区发出的光子不仅在通过半导体材料时有可能被再吸收，而且在半导体的表面处很可能发生全发射而返回到半导体材料内部。为了避免这种现象，可以将半导体材料表面制成球面，并使发光区域处于球心位置。光子产出效率：2012-spring中国石油大学（华东）一、受激吸收、自发辐射、受激辐射专题Ⅰ：激光技术激光又名镭射(Laser),它的全名是“辐射的受激发射光放大”。(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)（3）激光二极管电子吸收外来光子能量,并从低能级跃迁到高能级,且,这个过程称为光吸收.2E1EhEE12h吸收后。.2E1Eh吸收前.1E2E1、受激吸收2012-spring中国石油大学（华东）2、自发辐射(spontaneousradiation)hEhEl原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发态的高能级自动跃迁到低能级,这种跃迁称为自发跃迁，由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射.2E1EhEE12.1E2E发光前.。2E1Eh发光后2012-spring中国石油大学（华东）hhh3、受激辐射(stimulatedradiation)EhEl由受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为激光.原子中处于高能级的电子,会在外来光子(其频率恰好满足)的诱发下向低能级跃迁,并发出与外来光子一样特征的光子,这叫受激辐射.2E1E12EEh.1E2E.。2E1E发光前发光后hhh受激辐射的光放大2012-spring中国石油大学（华东）二、产生激光的基本条件1、粒子数反转在通常状态下，三种跃迁同时存在，受激吸收使光子数减少，受激辐射使光子数增加。哪种跃迁占优势取决于高低能级的原子数。在平衡态下，处于不同能态的原子数由波尔兹曼分布律确定：kTEieEN/)(kTEElhlheENEN/)()()(2012-spring中国石油大学（华东）在通常情况下，原子在各能级上的分布服从玻尔兹曼分布定律，即在低能级上的原子数较多。光通过物质时，受激吸收占优势。高能级低能级2N1N要使受激辐射占优势，必须使处在高能级的原子数多于低能级的原子数，这种分布与正常分布相反，称为粒子数反转。2012-spring中国石油大学（华东）粒子数的正常分布1E2E.....。。。。。。。。。。。。。1N2N12EE粒子数反转分布2E1E...............。。。。。2N1N12EE粒子数分布反转受激辐射占优势为得到光放大,必须使N2N12N1N2012-spring中国石油大学（华东）通过给物质提供能量，可以使较多的原子跃迁到高能级，如果物质具有亚稳态，就能实现粒子数转。（1）能实现粒子数反转的物质，称为激活介质(activemedium)或工作物质.（2）必须从外界输入能量，使激活介质有尽可能多的原子吸收能量后跃迁到高能态。这一能量供应过程称为“激励”，又称“泵浦”。电激励化学激励热激励光激励激励(又称泵浦)2012-spring中国石油大学（华东）激活介质的特点:存在寿命较长(10-3~1s)的激发态-亚稳态(metastablestate).e.g.①三能级系统h无辐射跃迁E3E1E2亚稳态抽运红宝石激光器：2012-spring中国石油大学（华东）美国物理学家梅曼于1960年9月制成第一台红宝石固体激光器.红宝石激光器的工作物质：红宝石——是掺有少量铬离子（Cr3+)的（Al2O3)晶体。采用光激励方法：受激和发光都在Cr3+上进行，是典型的三能级系统。红宝石中铬离子能级示意图.1E2E.。。基态亚稳态激发态3E2012-spring中国石油大学（华东）四能级系统：比三能级系统容易实现粒子数转h无辐射跃迁E2E0E1亚稳态E3抽运CO2激光器、He-Ne激光器2012-spring中国石油大学（华东）2、光学谐振腔要得到方向性和单色性很好的激光，还必须采用光学谐振腔。在激活介质的两端安置两块反射镜面，一个是全反射镜，一个是部分反射镜，这对反射镜面及其间的空间称为光学谐振腔。激活介质全反射镜部分反射镜激励能源2012-spring中国石油大学（华东）.激光光束全反射镜l光学谐振腔示意图部分透光反射镜⑴提高激光的方向性沿轴向传播的光，可在腔内来回反射，不断通过受激辐射得到放大，而沿其它方向传播的光很快从侧面逸出，不能继续引起受激辐射。谐振腔作用：⑵提高激光的单色性光在腔内来回反射,产生多光束干涉,结果,只有其半波长的整数倍等于腔长的光才会在腔内存在。2012-spring中国石油大学（华东）.激光光束全反射镜l光学谐振腔示意图部分透光反射镜激光在两反射镜间形成驻波。谐振条件为：2nL=q=qc2nLL:腔长n:气体折射率2012-spring中国石油大学（华东）(1)要有适当的激光工作物质(2)要有外界激励源(3)要有激光谐振腔激光形成的基本条件：2012-spring中国石油大学（华东）（3）激光二极管：半导体激光器导带价带导带价带正常分布反转分布产生激光的必要条件：粒子数反转分布2012-spring中国石油大学（华东）(a)本征半导体；(b)N型半导体；(c)P型半导体Eg/2Eg/2EfEcEvEg导带价带能量EcEfEgEvEgEcEfEv(a)(b)(c)PN结的能带和电子分布在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能量Ec和价带顶的能量Ev之间的能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。2012-spring中国石油大学（华东）在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef称为费米能级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。)exp(11)(kTEEEpf在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数载流子(电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场。内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N区的Ef相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜。2012-spring中国石油大学（华东）（a)P-N结内载流子运动；P区PN结空间电荷区N区内部电场扩散漂移势垒能量EpcP区EncEfEpvN区Env(b)零偏压时P-N结的能带倾斜图PN2012-spring中国石油大学（华东）高浓度掺杂的p-n结制成的激光二极管对于高浓度掺杂的半导体p-n结，由于杂质浓度很高，n型区内来自杂质能级的载流子电子非常多，费密能级位于导带之中。另外，p型区的价带中的载流子空穴也非常多，p型区的费密能级位于价带之中。如何实现粒子数反转？当加上正向偏压时，n区向p区注入载流子电子，而p区向n区注入载流子空穴。激光二极管为高浓度掺杂半导体，平衡