半導(dǎo)體課件第九章

1、第九章第九章 發(fā)光二極管和半導(dǎo)體發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器激光器9.1 9.1 輻射復(fù)合與非輻射輻射復(fù)合與非輻射9.1輻輻射復(fù)復(fù)合和非輻輻射復(fù)復(fù)合 在復(fù)合過程中電子多余的能量可以以輻射的形式（發(fā)射光在復(fù)合過程中電子多余的能量可以以輻射的形式（發(fā)射光子）釋放出來，這種復(fù)合稱為輻射復(fù)合，它是光吸收的逆過子）釋放出來，這種復(fù)合稱為輻射復(fù)合，它是光吸收的逆過程。程。 在復(fù)合過程中電子的多余能量也可以以其它形式釋放出來，在復(fù)合過程中電子的多余能量也可以以其它形式釋放出來，而不發(fā)射光子，這種復(fù)合稱為非輻射復(fù)合。而不發(fā)射光子，這種復(fù)合稱為非輻射復(fù)合。 光電器件利用的是輻射復(fù)合過程，非輻射復(fù)合過程則是不光電器件

2、利用的是輻射復(fù)合過程，非輻射復(fù)合過程則是不利的。了解半導(dǎo)體中輻射復(fù)合過程和非輻射復(fù)合過程是了解利的。了解半導(dǎo)體中輻射復(fù)合過程和非輻射復(fù)合過程是了解光電器件的工作機(jī)制和進(jìn)行器件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。光電器件的工作機(jī)制和進(jìn)行器件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。 9.1.1 輻射復(fù)合輻射復(fù)合 1.帶間輻帶間輻射復(fù)復(fù)合2.2.淺能級和主帶之間的復(fù)合淺能級和主帶之間的復(fù)合3.3.施主施主 受主對（受主對（D-AD-A對）復(fù)合對）復(fù)合4.4.通過深能級的復(fù)合通過深能級的復(fù)合5.5.激子復(fù)合激子復(fù)合6 6、等電子陷阱復(fù)合、等電子陷阱復(fù)合 在在GaP LED中引入中引入N或或Zn-O等電子陷阱的意義。等電子陷阱的意義。 9.1.2 非輻射

3、復(fù)合非輻射復(fù)合1.1.多聲子過程多聲子過程2.2.俄歇俄歇( (Auger)Auger)過程過程3.3.表面復(fù)合表面復(fù)合9.2 LED9.2 LED的基本結(jié)構(gòu)和工作過程的基本結(jié)構(gòu)和工作過程9.2 LED9.2 LED的基本結(jié)構(gòu)和工作過程的基本結(jié)構(gòu)和工作過程 平面結(jié)構(gòu)鎵砷磷紅光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖平面結(jié)構(gòu)鎵砷磷紅光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖 圖圖9-9 9-9 磷化鎵發(fā)光二極管磷化鎵發(fā)光二極管 （a a）磷化鎵發(fā)光二極管管芯截面圖磷化鎵發(fā)光二極管管芯截面圖 （b b）封裝后的磷化鎵發(fā)光二極管封裝后的磷化鎵發(fā)光二極管 9.2 LED9.2 LED的基本結(jié)構(gòu)和工作過程的基本結(jié)構(gòu)和工作過程 PNPN結(jié)的電致發(fā)光

4、結(jié)的電致發(fā)光圖圖9-10 P-N9-10 P-N的電致發(fā)光結(jié)：（的電致發(fā)光結(jié)：（a a）零偏壓，（零偏壓，（b b）正向偏壓正向偏壓V9.3.2 量子效率 量子效率是發(fā)光二極管特性中一個(gè)與輻射量有關(guān)的重要參數(shù)。量子效率是發(fā)光二極管特性中一個(gè)與輻射量有關(guān)的重要參數(shù)。它反映了注入載流子復(fù)合產(chǎn)生光量子的效率。量子效率又有它反映了注入載流子復(fù)合產(chǎn)生光量子的效率。量子效率又有內(nèi)量子效率和外量子效率兩個(gè)概念內(nèi)量子效率和外量子效率兩個(gè)概念: 外量子效率：單位時(shí)間內(nèi)輸出二極管外的光子數(shù)目與注入的外量子效率：單位時(shí)間內(nèi)輸出二極管外的光子數(shù)目與注入的載流子數(shù)目之比。載流子數(shù)目之比。 內(nèi)量子效率：單位時(shí)間內(nèi)半導(dǎo)體的

5、輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子數(shù)與內(nèi)量子效率：單位時(shí)間內(nèi)半導(dǎo)體的輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子數(shù)與注入的載流子數(shù)目之比。注入的載流子數(shù)目之比。9.3.2量子效率 1.1.注射效率注射效率圖圖9-129-12 帶尾對帶帶尾對帶 帶復(fù)合的影帶復(fù)合的影響；（響；（a）N型，（型，（b） P型型 （a）（b）nnprecIrIIIgEgEhhgEgE12TVVaninneNLnqADI12TVVdpippeNLnqADI9.3.2量子效率注射效率就是注射效率就是可以產(chǎn)生輻射復(fù)合的二極管電流在二極管的總電流中所占的百可以產(chǎn)生輻射復(fù)合的二極管電流在二極管的總電流中所占的百分比分比。根據(jù)（根據(jù)（9-15）式提高注射效率的途徑是：）

6、式提高注射效率的途徑是：(a) P區(qū)受主濃度要小于區(qū)受主濃度要小于 N 區(qū)施主濃度，即區(qū)施主濃度，即 結(jié)。結(jié)。(b) 減小耗盡層中的復(fù)合電流。這就要求減小耗盡層中的復(fù)合電流。這就要求LED所用的材料和制造工藝盡可所用的材料和制造工藝盡可能保證晶體完整，盡量避免有害雜質(zhì)的摻入。能保證晶體完整，盡量避免有害雜質(zhì)的摻入。(c) 選用電子遷移率比空穴遷移率大的材料。由于選用電子遷移率比空穴遷移率大的材料。由于 族化合物半導(dǎo)體族化合物半導(dǎo)體的電子遷移率比空穴遷移率大很多，例如的電子遷移率比空穴遷移率大很多，例如 ，所以它們，所以它們是制造是制造LED的上選材料。的上選材料。PNVIII 30,pnGaA

7、s藍(lán)寶石襯底藍(lán)寶石襯底GaNGaN緩沖層緩沖層N N型型GaN GaN : : Si Si多量子阱有源區(qū)（多量子阱有源區(qū)（InGaN/GaNInGaN/GaN）P P型型GaNGaN：MgMgP P型型InGaNInGaN- -金屬接觸層金屬接觸層GaN基基LED發(fā)光原理發(fā)光原理9.8 9.8 半導(dǎo)體受激發(fā)射的條件半導(dǎo)體受激發(fā)射的條件9.8 9.8 半導(dǎo)體受激發(fā)射的條件半導(dǎo)體受激發(fā)射的條件半導(dǎo)體激光器是靠注入載流子工作的，半導(dǎo)體激光器是靠注入載流子工作的，若要發(fā)射激光，需具備三個(gè)條件：若要發(fā)射激光，需具備三個(gè)條件：(1)(1)要形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)要形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(2)(2)要有一個(gè)合適的諧振腔要有一個(gè)合適的諧振腔(3)(3)滿足一定的閾值條件滿足一定的閾值條件9.8.1 9.8.1 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布半導(dǎo)體中光子與電子相互作半導(dǎo)體中光子與電子相互作用的三種基本過程：吸收、用的三種基本過程：吸收、自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射。自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射。9.8.1 9.8.1 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布半導(dǎo)體中發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的條件：半導(dǎo)體中發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的條件：PNPN結(jié)兩端的準(zhǔn)費(fèi)米結(jié)兩端的準(zhǔn)費(fèi)米能級之差能級之差E EFnFn-E-EFpFp E Eg g, ,即準(zhǔn)費(fèi)米能級進(jìn)入異帶和價(jià)帶內(nèi)部。即準(zhǔn)費(fèi)米能級進(jìn)入異帶和