11.半导体发光的基本原理
半导体工作原理
半导体工作原理半导体工作原理是指半导体材料在电子学中的基本原理和运行机制。
半导体材料主要包括硅和锗等元素，其特点是能够在一定条件下既表现出导电性，又表现出绝缘性。
这种性质使得半导体材料在电子器件中扮演着重要角色。
半导体器件中最常见的就是二极管和晶体管。
二极管是一种由P型半导体和N型半导体构成的二元结。
在正向偏置下，P型半导体中的空穴和N型半导体中的自由电子会向结区域扩散，形成电流。
而在反向偏置下，P型半导体中的空穴和N型半导体中的自由电子会被电场推向各自的区域，不会形成电流。
因此，二极管可以实现电流的整流功能。
晶体管是一种由P型半导体、N型半导体和另一种掺杂更少的半导体（基区）构成的三端器件。
晶体管有三个极：发射极、基极和集电极。
当在基区上加上一个较小的电压时，基区中的少数载流子会受到控制，从而控制集电结与发射结之间的电流流动。
这种特性使得晶体管可以放大电流或者作为开关使用。
半导体工作原理的基础是PN结的形成。
PN结是通过对P型半导体和N型半导体的直接接触形成的。
在PN结中，由于材料的能带结构差异，形成了电场。
当外界施加一个合适的电压时，电子或空穴就可以克服能带的差异，从而在PN结中形成电流。
这种机制被称为扩散效应。
此外，半导体工作原理还涉及到杂质掺杂和载流子的激发与复合过程。
在半导体材料中加入掺杂元素可以改变材料的导电性质。
掺杂元素的“杂质”原子会引入额外的能级，从而增加电子或空穴的浓度。
而载流子的激发与复合过程决定了电子和空穴在半导体中的运动方式和行为。
综上所述，半导体工作原理包括了PN结的形成与电流流动、杂质掺杂与导电性质的改变、载流子的激发与复合等方面。
通过对这些理论的深入理解和应用，我们能够设计和制造各种基于半导体材料的电子器件。
半导体的工作原理
半导体的工作原理半导体是一种材料，其工作原理基于其特殊的电子能级结构和导电性质。
半导体的原子结构类似于晶体结构，但其电子能级分布具有较小的能隙。
在纯净的半导体中，其电子能级被填满，带电的电子与正电荷的原子核相互吸引而保持稳定。
当外部某种条件影响下，例如施加电场或加热，半导体中的电子将被激发，跃迁到较高的能级或离开原子。
半导体中的电子行为可通过以下两种方式解释：1. 带电的电子：当半导体中的某些原子减少了电子，就会出现阳离子空穴（空位）。
这些空穴可以看作带正电的“粒子”，并具有与电子相反的电荷。
空穴在半导体中以一种类似于正电子的方式运动，可以传导电流。
2. 杂质的掺入：半导体中添加一些杂质原子，可以改变其导电性质。
通过掺入杂质，半导体的电子能级结构发生变化，形成额外的能级，称为“杂质能级”。
这些额外的能级可用于电子的传导，从而增加了半导体的导电能力。
根据杂质的种类和掺入量的不同，半导体可以分为N型半导体和P型半导体。
在一个典型的半导体器件中，如二极管或晶体管，N型半导体与P型半导体相接触形成PN结。
PN结的形成会导致电子在P区向N区的扩散，而空穴则从N区向P区扩散。
当电子和空穴相遇后，它们将发生再结合，这导致了PN结的两侧形成空间电荷区域。
这个空间电荷区域在无外部电压作用下阻止了电流的流动。
通过施加外部电压，可以改变PN结的导电行为。
当外部电压为正极性时，即P区连接正电压，N区连接负电压，电子和空穴被推向PN结，形成电流。
这种情况下，PN结被认为是“正向偏置”的。
相反，当外部电压为负极性时，即P区连接负电压，N区连接正电压，电子和空穴被推开，电流无法通过PN 结。
这种情况下，PN结被认为是“反向偏置”的。
半导体器件的工作原理基于电子和空穴在半导体中的运动和再结合行为。
通过控制材料的特性、杂质的掺入和外部电压的施加，可以实现不同类型的半导体器件，如二极管、晶体管等，以实现各种电子功能。
半导体发光与光吸收
2、半导体光吸收
1、光吸收：光子将电子由低能态激发到更高能态的过程。
I=I0exp（-αd）, d:光穿过半导体材料的距离， α：吸收系数
对于直接带隙半导体： α：104—105/cm
2、本征吸收：价带电子吸收能量跃迁到导带的过程。
吸收条件：hv≥Eg
特点：在10-100meV的能量范围内α下降3-4个数量级。直接带 隙半导体的吸收系数与光子能量的关系为：
横向光学声子（TO），横向声学声子（TA），纵向光学声子 （LO），纵向声学声子（LA）一般最易观察到纵向光学声子
（LO声子）伴线。
1、辐射跃迁
束缚激子发光：束缚激子 中的电子和空穴复合发光 束缚激子：束缚在杂质或缺陷上的激子，不能在晶体中自由运动。
激子可束缚在中性施主，中性受主，电离施主，电离受主上。 中性施主束缚激子：D0X 电离施主束缚激子：D+X 中性受主束缚激子：A0X 电离受主束缚激子：A+X 发光峰能量：hv= Eg-Ex-Eb 束缚能：Ex+Eb 其中，Ex为自由激子束缚能，Eb是将自由激子
束缚到杂质中心的附加能。
1、辐射跃迁
特征：发光峰能量略低于自由激子，发射谱线很窄，半峰宽一般低 于1meV。
判定：低温观察KT/ EDx﹤0.3。有效质量比，σ：me*/mh*，对于电离 施主，σ小于0.71，系统能量下降，也有认为，σ小于0.2时，束缚激子 （D+X）才是稳定的。对于电离受主束缚激子，只有当σ大于1.4时，才 可能存在，因此一般电离受主束缚激子很难观察到。 束缚激子的声子伴线：束缚激子在复合时，发射了一个或多个声子，同 时发出的光子。
α（hv）=A（hv-Eg）1/2，hv ≥Eg
=0
，hv＜Eg
第二讲++半导体发光原理
异质结（heterojunction）
两种不同的半导体相接触所形成的界面区域 按照两种材料的导电类型不同，异质结可分为同
型异质结（p-p结或n-n结）和异型异质(p-n)结 异质结常具有两种半导体各自的PN结都不能达
到的优良的光电特性 异型异质结可通过改变结两侧带隙能量的相对大
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量子阱LED器件
量子阱结构则可以克服双 异质结构 LED 遇到的问题， 是一种更有效的发光结构。
如右图所示，有源区为 pAlGaN/InGaN/n-GaN 单量 子阱，厚度为 3nm的 InGaN 作为阱层，厚度为 4μm 的 n-GaN 层和 100nm 的 p-AlGaN层分别作为垒 层。
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PN结具有单向导电性
PN结加正向电压时，呈 现低电阻，具有较大的 正向扩散电流；
PN结加反向电压时，呈 现高电阻，具有很小的 反向漂移电流。
由此得出结论：PN结具 有单向导电性。
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单色LED的工作原理
LED发光二极管的核心结构是半导体PN结 半导体电致发光理论：半导体导带中的电子与
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量子阱（quantum well）
概念：利用带隙较宽的层夹住带隙窄且极薄的层 形成的构造。(LED中主要用于提高复合效率）， 带隙较窄的层的电势要比周围（带隙较宽的层） 低，因此形成了势阱（量子阱）。
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量子阱LED
单量子阱（SQW）结构：将原来双异质结结构 中的有源层厚度从0.1～1 um减到nm数量级， 使有源层的厚度可以和晶体中电子的德布罗意 波长相比拟或比它小的时候，载流子的能谱就 会改变（量子限域）。
积分一次，得
dE dx
q
s
ND
xC
半导体物理名词解释总结
半导体物理名词解释1.有效质量：a 它概括了半导体内部势场的作用，使得在解决导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及半导体内部势场的作用 b 可以由实验测定，因而可以很方便的解决电子的运动规律2.空穴：定义价带中空着的状态看成是带正电荷的粒子，称为空穴意义a 把价带中大量电子对电流的贡献仅用少量的空穴表达出来b金属中仅有电子一种载流子，而半导体中有电子和空穴两种载流子，正是这两种载流子的相互作用，使得半导体表现出许多奇异的特性，可用来制造形形色色的器件3.理想半导体（理想与非理想的区别）：a 原子并不是静止在具有严格周期性的晶格的格点位置上，而是在其平衡位置附近振动b 半导体材料并不是纯净的，而是含有各种杂质即在晶格格点位置上存在着与组成半导体材料的元素不同其他化学元素的原子 c 实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而存在着各种形式的缺陷4.杂质补偿：在半导体中，施主和受主杂质之间有相互抵消的作用通常称为杂质的补偿作用5.深能级杂质：非Ⅲ、Ⅴ族杂质在硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带较远，他们产生的受主能级距离价带也较远，通常称这种能级为深能级，相应的杂质为深能级杂质6.简并半导体：当E-E F》k o T不满足时，即f（E）《1，[1-f（E）]《1的条件不成立时，就必须考虑泡利不相容原理的作用，这时不能再应用玻耳兹曼分布函数，而必须用费米分布函数来分析导带中的电子及价带中的空穴的统计分布问题。
这种情况称为载流子的简并化，发生载流子简并化的半导体被称为简并半导体（当杂质浓度超过一定数量后，载流子开始简并化的现象称为重掺杂，这种半导体即称为简并半导体7.热载流子：在强电场情况下，载流子从电场中获得的能量很多，载流子的平均能量比热平衡状态时的大，因而载流子与晶格系统不再处于热平衡状态。
温度是平均动能的量度，既然载流子的能量大于晶格系统的能量，人们便引入载流子的有效温度T e来描写这种与晶格系统不处于热平衡状态时的载流子，并称这种状态载流子为热载流子8.砷化镓负阻效应：当电场达到一定値时，能谷1中的电子可从电场中获得足够的能量而开始转移到能谷2，发生能谷间的散射，电子的动量有较大的改变，伴随吸收或发射一个声子。
半导体发光二极管工作原理特性及应用
半导体发光二极管工作原理特性及应用半导体发光器件包含半导体发光二极管（简称LED）、数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏（简称矩阵管）等。
事实上，数码管、符号管、米字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管。
一、半导体发光二极管工作原理、特性及应用（一）LED发光原理发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP （磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。
因此它具有通常P-N结的I-N 特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。
此外，在一定条件下，它还具有发光特性。
在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。
进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图1所示。
假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。
除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间邻近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。
发光的复合量相关于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。
由于复合是在少子扩散区内发光的，因此光仅在靠近PN结面数μm以内产生。
理论与实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有关，即λ≈1240/Eg（mm）式中Eg的单位为电子伏特（eV）。
若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。
比红光波长长的光为红外光。
现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。
（二）LED的特性1．极限参数的意义（1）同意功耗Pm:同意加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。
超过此值，LED发热、损坏。
（2）最大正向直流电流IFm：同意加的最大的正向直流电流。
超过此值可损坏二极管。
（3）最大反向电压VRm：所同意加的最大反向电压。
半导体发光材料的研究及其应用
半导体发光材料的研究及其应用半导体发光材料是一种光电材料，具有磷光和电致发光等特性。
它的应用范围很广，从普通的照明到高端的科技领域都有用到。
半导体发光材料的研究与应用是一项热门的科技领域，在很多国家的企业和研究机构都拥有重要地位。
一、半导体发光材料的基本原理半导体发光材料发光的基本原理是在外电场或外光激发的作用下，材料的原子或分子跃迁会产生一个光子，使得材料发出光。
半导体作为一种典型的半导体材料，具有广泛的用途和优越的性能。
它在照明、显示、通讯、电子、生物等领域都有着巨大的应用潜力。
二、半导体发光材料的种类和特点半导体发光材料种类繁多，其中最具代表性的是LED。
LED的生产和应用已成为半导体电子产业中的重要分支。
在IC封装、显示、数字信息处理等众多领域，LED的应用已经得到广泛的推广。
与传统的照明设备相比，LED具有高亮度、低电压、低热量、长寿命、易调节等诸多优点。
此外，半导体发光材料还包括荧光材料、散射材料等，其作用各异。
三、半导体发光材料的应用1. 照明行业。
LED的应用在照明行业上已经得到了极大的发展。
它以低功率高亮度的光源，成为了照明行业复兴的主角，同时因其无汞、无紫外线辐射等特性，成为高效、环保的替代品。
2. 显示行业。
LED显示屏、OLED等技术都是半导体发光材料应用在显示行业的代表。
它不但具有亮度高、功耗低、分辨率高等特点，同时还具有高度灵活的可塑性，可以满足各种复杂环境下的显示需求。
3. 通讯行业。
LED通讯是利用半导体的发光原理进行无线通讯，已成为近年来通讯领域的最新宠儿。
LED通讯主要具有频谱隔离、安全可靠、能量有效等优势，因此在安保、机场、商场等各领域展现出更广泛的应用空间。
4. 生物检测领域。
半导体发光材料在生物医学检测和药物研发方面也有广泛的应用。
通过荧光信号的检测，实现对生物分子、生命体系的快速便捷、高灵敏检测。
四、半导体发光材料的未来发展半导体发光材料作为未来科技领域的热门方向，未来的发展需注重以下几方面。
半导体激光器发光原理及工作原理
半导体激光器发光原理及工作原理半导体激光器是一种利用半导体材料产生激光的器件，广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。
本文将介绍半导体激光器的发光原理和工作原理。
一、半导体激光器的发光原理1.1 激发态电子跃迁：半导体激光器的发光原理是利用半导体材料中的电子和空穴的复合辐射产生激光。
当电子和空穴在PN结区域复合时，会发生能级跃迁，释放出光子。
1.2 光放大过程：在半导体材料中，光子会被吸收并激发更多的电子跃迁，形成光放大过程。
这种过程会导致光子数目的指数增长，最终形成激光。
1.3 反射反馈：半导体激光器内部通常设置有反射镜，用于反射激光，使其在器件内部多次反射，增强激光的光程和功率，最终形成高亮度的激光输出。
二、半导体激光器的工作原理2.1 电流注入：半导体激光器的工作需要通过电流注入来激发电子和空穴的复合。
电流通过PN结区域，形成电子和空穴的复合辐射。
2.2 光放大：在电流注入的情况下，光子会被吸收并激发更多的电子跃迁，形成光放大过程。
这会导致激光的产生和输出。
2.3 温度控制：半导体激光器的工作过程中会产生热量，需要进行有效的温度控制，以确保器件的稳定性和寿命。
通常会采用温控器等设备进行温度管理。
三、半导体激光器的特点3.1 尺寸小：半导体激光器采用微型化设计，尺寸小巧，适合集成在各种设备中。
3.2 高效率：半导体激光器具有高效的能量转换率，能够将电能转换为光能，功耗低。
3.3 快速调制：半导体激光器响应速度快，能够实现快速调制和调节，适用于高速通信和数据传输领域。
四、半导体激光器的应用领域4.1 通信：半导体激光器广泛应用于光通信系统中，用于光纤通信和无线通信的光源。
4.2 医疗：半导体激光器在医疗领域中用于激光手术、激光治疗等，具有精准、无创的特点。
4.3 材料加工：半导体激光器可用于材料切割、打标、焊接等加工领域，具有高精度和高效率的优势。
五、半导体激光器的发展趋势5.1 高功率：未来半导体激光器将朝着高功率、高亮度的方向发展，以满足更多领域的需求。
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N型半导体
P型半导体
受激辐射
在满足两能级之差的外来光子的激励下， 处在高能级的原子以一定的几率自发向低 能级跃迁，同时发射一个与外来光子有相 同的频率，方向，相位和偏振光子
外部辐射可以是其他自发辐射也可以是 样品中的受激辐射，并不一定是外部辐射 场。
受激和自发辐射对比
• 自发辐射：随机的，发出一串串光波的相 位、传播方向、偏振状态都彼此无关，辐 射的光波为非相干光； • 受激辐射的光波，其频率、相位、偏振状 态、传播方向均与外来的光波相同，辐射 的光波是相干光。
11.半导体发光的基本原理
组员：许婷婷 郭平 吴科星 刘文强
• 11.1晶体中光产生和吸收微观模型 • 11.2半导体发光原理
• 11.3激光生成
11.1 晶体中光产生和吸收微观模型
集成电路常用的光源： 1 半导体激光器 2 发光二极管 优点： 1 尺寸小 3高频调制
2 混合集成度高 4 高效耦合
作用：对入射光的频率、方向选择，产生极 好的方向性和单色性、高亮度的激光束 光学谐振腔是产生激光的必要装置之一 结构：由两个反射镜和增益介质组成，这两 个反射镜可以是凸面镜、凹面镜或平面镜
稳定腔：近轴光纤在谐振腔内部来回反射时， 光线离轴的高度不会无限大，称此为稳定 腔
稳定条件：两镜的距离（称腔长）为L，曲率 半径为R1，R2，光学谐振腔的稳定条件为 1>(1-L/R1)(1-L/R2)>0 不满足上条件的腔称非稳定腔。费稳定腔光线 逸出的多，又称高损耗谐振腔。 R1=R2的稳定腔称对称腔
谢谢
自发辐射
电子从高能级自发的发射到低能级
直接跃迁：
间接跃迁：
泵浦
1.光束泵浦
结合的典型时间
10-11s
0.25s
2.P-N结加偏压泵浦（电致发光）
发光二极管
优点 1在很高的频率进行 调制 2耦合到微米量级的光 波导中
应用：结的相应结区 2.选择吸收系数低的材料
E h
C 0
E
2
hc
E mc
0
mc
2
h m c0
p m cu
h p u
0 h 2 2 k u 0
p k
直接跃迁
直接带隙材料 间接带隙材料。
间接跃迁
跃迁的过程如图所示：
电子吸收了一个光子同时又吸收（释放）一个 声子，这种跃迁叫做间接跃迁。
2.染料激光器
平面光栅的作用： 改变光栅的倾斜角 度，用来调节光栅 衍射角，使某一波长的光能在谐振腔纵轴 向产生衍射极大而形成光振荡，发射单一 的激光
3.气体激光器
以氦氖激光器为例。 工作物质为8:1混合 气体密封在放电管A 内，激励源是3KV以上的直流电源经C,C’接 入采用反射峰在λ0的反射面，可抑制其他 波长光波的谐振，得到单色输出激光。
三种激光器的典型结构
1、固体激光器
红宝石激光器 在工作物质红宝石中 掺入少量铬离子，红宝石棒一端磨平并镀银成 为全反射面，另一端面半镀银成为能透射的部 分反射面。螺旋形闪光氙灯作为激励光源，上 下反射器起聚光作用。激活离子铬离子替代晶 体中部分Al离子的位置，氙灯发出激励光时， 被处于基态的络离子吸收跃迁到高能级，向低 能级跃迁发射光子经红宝石放大产生激光。
波尔兹曼分布方程：
稳态情况下，
对入射光子能量的要求
11.3激光的生成
激光的阈值：
光在谐振腔中的工作物质里传播 时，会存在各种损耗，只有当光在腔 内来回一次所得到的增益大于或等于 各种损耗之和时，才能形成激光输出。
激光的工作原理
• 在介质中存在粒子数反转的情况下， 当增益一旦超过损耗时，光强将以指 数形式增加，随着光在两反射面之间 的来回反射，放大过程不断重复，就 可得到激光。
跃迁概率
间接跃迁 VS 直接跃迁
其他跃迁
带内的吸收可以是电子在导带的也可以是 空穴在价带的。施主能态到导带的电子跃迁和 受主能态到价态的空穴跃迁
11.2 半导体发光
半导体中的电子可以吸收一定能量的光子 而被激发。处于激发态的电子也可以向较 低的能级跃迁，以光辐射的形式释放能量 1.自发辐射 电子和空穴随机结合 2.受激辐射 由光激发使电子和空穴的结合
产生激光的条件
• 稳定的光学谐振腔； • 在谐振腔内传播时满足阈值条件； • 外部能量泵浦使粒子数反转
• v
LD和LED的发光效率
一般来说，激光的效率要比同样材料做的发光二激 光的效率高一百倍。激光的优势体现在以下几点：
1.减少了内部的再吸收 2.更好的准值
3.更高的内部量子效率
光学谐振腔