半导体物理器件 Chapter8-1.ppt

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1、第八章第八章 发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器辐射复合与非辐射辐射复合与非辐射LED的基本结构和工作过程的基本结构和工作过程LED的特性参数的特性参数发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器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

2、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 引言引言发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.18.1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

3、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。发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.8.1.11.1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。射的光子的能量接近等于半导体

4、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）间接能隙复合发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.8.1.1 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

5、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 =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发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器(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。8.1.18.1.1辐射复合辐射复合（8-2）能量守恒要求能量守恒要求式中式中 =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发光二极管和半导体激光器

6、发光二极管和半导体激光器8.1.18.1.1辐射复合辐射复合（8-4）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，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，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。即吸收或放出。即为声子的波矢，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

7、，负号表示吸收声子，相应能量守恒的条件为的条件为（8-5）发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.1.18.1.1辐射复合辐射复合图图8-2 浅能级杂质与主带的复合浅能级杂质与主带的复合 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所所示。示。发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.18.1辐射复合辐射复合4.4.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，发射电子和空穴通过深能级复合时，辐射

8、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，但对于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，例如宽禁带材料，这类发光还是有实际意义的，例如 中的红色发光，中的红色发光，便是属于这类复合。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，往往需要尽量减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。少深能级，以提

9、高发光效率。发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.18.1辐射复合辐射复合（8-7）（8-8）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。5.5.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，电子从价带激发。但由于库仑如果半导体吸收能量小于禁带宽度的光子，电子从价带激发。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起的电子束缚在一起的电子-空穴对就称为激子。如果激子复合以辐射方式释放能量，空穴对就称为激子。如果激子复合以辐射方式释放

10、能量，就可以形成发光过程。就可以形成发光过程。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发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.8.1.1 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。等等电电子子陷陷阱阱：由由等等电电子子杂杂质质代代替替晶晶格格基基质

11、质原原子子而而产产生生的的束束缚缚态态。由由于于等等电电子子杂杂质质与与被被替替位位的的原原子子之之间间的的电电负负性性和和原原子子半半径径等等方方面面是是不不同同的的，因因而而引引起起晶晶格格势势场场畸畸变变，可可以以束束缚缚电电子子或或空空穴穴形形成成带带电电中中心心，就就象象在在等等电电子子杂杂质质的的位位置置形形成成陷阱，将电子或空穴陷着，故称为等电子陷阱。陷阱，将电子或空穴陷着，故称为等电子陷阱。如如果果等等电电子子杂杂质质的的电电负负性性比比晶晶格格原原子子的的电电负负性性大大，则则可可以以形形成成电电子子的的束束缚缚态态，这这样样的的等等电电子子陷陷阱阱也也可可称称为为等等电电子

12、子的的电电子子陷陷阱阱，这这样样的的杂杂质质称称为为等等电电子受主子受主(如氮原子取代中如氮原子取代中GapGap磷原子磷原子)。如如果果等等电电子子杂杂质质的的电电负负性性比比晶晶格格原原子子的的电电负负性性小小，则则形形成成空空穴穴的的束束缚缚态态，称称为为等等电电子子的的空空穴穴陷陷阱阱，产产生生这这种种束束缚缚态态的的杂杂质质称称为为等等电电子子施施主主(如如铋铋原原子子取取代代GapGap中磷原子中磷原子)。当当等等电电子子陷陷阱阱俘俘获获了了某某一一种种载载流流子子以以后后，成成为为带带电电中中心心，这这个个带带电电中中心心又又由由库库仑仑作作用用而而俘俘获获带带电电符符号号相相反

13、反的的载载流流子子，形形成成束束缚缚激激子子。当当激激子子复复合合时时，就能以发射光子的形式释放能量。就能以发射光子的形式释放能量。发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器 8.8.1.21.2非辐射复合非辐射复合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）1.多声子过程多声子过程晶体中电子和空穴复合时，可以激发多个声子的形式放出多余的能量。晶体中电子和空穴复合时，可以激发多个声子的形式放出多余的能量。发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.8.1.21.2非辐射复合非辐射复合2.2.俄歇

14、俄歇(Auger)Auger)过程过程 图图8-7俄歇过程俄歇过程晶体中电子和空穴复合时，多余的能量传输给第三个载流子，使之在导带和价带晶体中电子和空穴复合时，多余的能量传输给第三个载流子，使之在导带和价带内部激发。内部激发。N型半导体发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.8.1.21.2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P型半导体发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.8.1.21.2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俄歇过程俄歇过程发光二极管和半导体激光

15、器发光二极管和半导体激光器8.1.28.1.2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。因而能够产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。虽然对这些表面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，当假定是均匀分布时，表面态的分布为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 ，与实验的估计良好地一致。，与实验的估计良好地一致。发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.2 8.2 LEDLED的基本结构和

16、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 发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器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V发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光

17、器8.3 LED8.3 LED的特性参数的特性参数8.3.1 V-I8.3.1 V-I特性特性 发光二极管的电流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，启电压很低，是是1.01.0伏，伏，、大约大约1.51.5伏。伏。（红光）大约（红光）大约1.81.8伏，伏，（绿光）大约（绿光）大约2.02.0伏。工作电流约为伏。工作电流约为10mA10mA。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。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，这使得作点光源，这使得LEDLED极适宜用于光显示。极适

18、宜用于光显示。发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.3.2 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要参数。它反映了注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。量子效率又有内量子效率和外量子效率两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注入的载流子数目之外量子效率：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。比。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内量子效率：单位时间内半导体

19、的辐射复合产生的光子数与注入的载流子数目之比。数目之比。发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.3.28.3.2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）发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.3.28.3.2量子效率量子效率(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 族化合物半导体的电族化合物半导体的电子迁移率比空穴迁移率大很多，例如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

20、料。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。发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.3.28.3.2量子效率量子效率 2.辐

21、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）发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.3.28.3.2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发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.3.28.3.2量子效率量子效率以以 和和 为竞争机制为竞争机制：（8-22）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：发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器

22、根据（根据（8-21）式，欲提高）式，欲提高 ，可采用的方法是，可采用的方法是8.3.28.3.2量子效率量子效率和增加和增加P区的掺杂浓度，而且较高的区的掺杂浓度，而且较高的 还有降低串联电阻从而减小正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。向电压降和欧姆损耗的作用。减少复合中心密度，高的掺杂浓度使得晶体缺陷增加，导致非辐减少复合中心密度，高的掺杂浓度使得晶体缺陷增加，导致非辐射复合中心射复合中心 的增加。同时，在讨论注射效率时已经指出，的增加。同时，在讨论注射效率时已经指出，P侧的侧的高掺杂会使注射效率下降。高掺杂会使注射效率下降。发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光

23、器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子射到结辐射复合产生的光子射到晶体外部的百分数。晶体外部的百分数。8.3.28.3.2量子效率量子效率 外量子效率可以写作：外量子效率可以写作：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发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.3.28.3.2量子效率量子效率影响逸出几率的主要因素：界面反射和影响逸出几率的主要因素：界面反射和 再吸收。再吸收。1 c1 c1c2半导体表面 图8-14 中的界面反射和临界角发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器N 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8.3.28.3.2量子效率量子效率