第1章 半导体发光材料及器件
1-半导体发光材料及器件

5、间接带隙结构半导体 间接带隙结构:价带顶的能量 位置与导带底的能量位置不同
间接带隙跃迁:
h Eg Ep
特点:声子参与,发光效率低
间接带隙半导体材料: IV族半导体Si、Ge, III-V族化合物中的AlAs、GaP
间接带隙半导体材料用于制作光电探测器。
12
能级
能带
当原子之间距离逐步接近时,原子周围电子的 能级逐步转变为能带。
13
允带:允许电子存在的能量围。 禁带:不允许电子存在的能量范围。 价带:在绝对零度,可以被电子填满的最高能带。
导带:价带之上,电子可以摆脱单个原子束缚,并在整 个半导体材料中自由移动的能带。
禁带宽度: Eg Ec Ev
金属(导体)、半导体、绝缘体能带示意图
3~6eV
绝缘体:价带全满,禁带很宽,价带电子常温下不能 被激发到空的导带,故常温下不导电。
17
2、空穴(hole)
价带中由于少了一些电子,在价带顶部附近出现了 一些空的量子状态,称之为空穴(带正电)。
价带电子运动可以看作空穴的运动。
在半导体中,导带的电子和价带的空穴均参与导电 这与金属(导体)导电有很大的区别。
光电子材料
以光子、电子为载体,处理、存储和传递信息的 材料。
已使用的光电子材料主要分为光学功能材料、激 光材料、发光材料、光电信息传输材料(主要是光 导纤维)、光电存储材料、光电转换材料、光电显 示材料(如电致发光材料和液晶显示材料)和光电 集成材料。
第1章 半导体发光材料及器件
1.0 1.1 1.2 1.3 1.4
n0 ND
31
p0
ni2 ND
受主杂质:在半导体中提供空穴的杂质 • 对于Si而言掺入的受主杂质一般为III族
第1章常用半导体器件

ui=0时直流电源作用
根据电流方程,rd
uD iD
UT ID
小信号作用
Q越高,rd越小。 静态电流
3. 二极管电路应用举例
(1)开关电路(掌握)
方法:假设法,将D管断开 原则一:单向导电性
阳极 a
k 阴极
D
V阳>V阴,D管正偏,导通 V阳< V阴,D管反偏,截止
原则二:优先导通原则(多二极管电路中)
物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气 体、液体、固体均有之。
P区空穴 浓度远高 于N区。
N区自由电 子浓度远高
于P区。
扩散运动
扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面 N区的自由电子浓度降低,产生内电场。
由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子,形成 内电场,从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P 区、自由电子从P区向N 区运动。
2
98 0.98
100
综上所述,实现晶体三极管放大作用的 两个条件是:
(1)内部条件:发射区杂质浓度远大于基区 杂质浓度,且基区很薄。
(2)外部条件:发射结正向偏置,集电结反 向偏置。
正偏电压工作,通电流→发光,电信号→光信号 光颜色:红、橙、黄、绿(与材料磷、砷、镓、化有关)
3. 激光二极管
(a)物理结构 (b)符号
发光二极管
光电二极管
一、晶体管的结构及类型 二、晶体管的电流放大原理 三、晶体管的共射输入特性和输出特性 四、温度对晶体管特性的影响 五、主要参数
三极管:电流放大(三个电极)
将PN结封装,引出两个电极,就构成了二极管。
小功率 二极管
大功率 二极管
稳压 二极管
半导体光电子器件课件

§1-2 异质结的晶格匹配与异质结在光电子器件中的应用一、半导体光电子材料1.半导体光电材料特性参数2. 异质结中的晶格匹配二、半导体材料的折射率三、异质结特性及在半导体光电子器件中的应用一、半导体光电子材料.常见半导体材料(Si、GaAs)的能带图半导体的能带结构与晶向有关,都比较复杂,通常以能量E和波矢k的关系来表达。
Si的导带的极小值和价带的极大值不在同一k值处,因而为间接带;GaAs、InP的导带极小值和价带极大值同在相同的k=0处,这类材料为直接带隙材料。
1.半导体光电材料特性参数晶体结构、晶格常数a,热胀系数,能带类型、(单位为ev)、电子迁移率µn和空穴迁移率µp、禁带宽度Eg介电常数ε和电子亲合势χ。
•Si间接带隙材料,金刚石结构,原胞是面心立方结构,常规电子器件和高速的集成电路材料。
Si、Ge等Ⅳ族元素半导体都是间接带隙等材料,其发光效率非常低,不适于做发光器件。
•GaAs、InP是直接带隙材料,闪锌矿结构。
沿着它的{110}晶面很容易把晶体一分为二地解理开来,故此面称为解理面。
Ⅲ-Ⅴ族中的直接带隙材料。
在{110}面中,同时有等数量的Ga原子和As原子,因此显示出电学中性。
解理面非常平坦、光亮,有较高的反射率,解理面之间相互平行,因此两个相向平行的解理面就构成一个非常好的谐振腔。
二、半导体材料的折射率不同化合物的禁带宽度Eg和折射率n随组分的变化趋势正好相反,即Eg大的化合物,折射率n反而较小。
这正是设计半导体光电器件常常需要的。
Al x Ga 1-x As 的折射率n 随AlAs 组分x 之间的依赖关系为2091.0710.0590.3xx n +−=Ga x In 1-x As y P 1-y 的折射率n 的表达为()2059.0256.04.3yy y n −+=折射率是一个很重要的光学参数。
折射率的大小、异质结构中的折射率梯度、折射率随波长、载流子浓度、温度等等的变化都会影响半导体激光器、探测器、波导器件的性能,尤其会影响激光的波长和模式。
半导体器件基础 第1章(第二版)PPT课件

电 子的浓度是一定的,反向电流在一定
的电压范围内不随外界电压的变化而
子 变化,这时的电流称为反向饱和电流,第
技 以IR(sat) 表示。
一
术 章
基
础
电
少数载流子的浓度很小,由
子 此而引起的反向饱和电流也很小, 技 但温度的影响很大。表1.2.1是硅 第
管的反向电流随温度的变化情况 一
术 章
基
础
三、PN结的伏安特性
一
术 温度每升高8℃,硅的载流子浓度增加一倍。
章
基
+4
+4
+4
+4
+4
+4 自
由
础
+4
+4
+4
+4
+4
+4 电
子
空穴
+4
+4
+4
+4
+4
+4
1.1.3 杂质半导体的导电特性
电
掺杂后的半导体称为杂质半导体,
子 杂质半导体按掺杂的种类不同,可分为N 第
技 型(电子型)半导体和P型(空穴型)半
一
术 导体两种。
1.2.1 PN结的形成
电
当P型半导体和N型半
子 导体相互“接触”后,在
它们的交界面附近便出现
第
技 了电子和空穴的扩散运动。
一
术 N区界面附近的多子电子将 基 向P区扩散,并与P区的空
同样,P区界面形章 成一个带负电的薄电
础穴复合,N区界面附近剩下 荷层。于是在两种半 了不能移动的施主正离子, 导体交界面附近便形
成了一个空间电荷区,
半导体光电子器件讲解ppt

按制造工艺分
半导体光电子器件的结构
常见的半导体光电子器件结构包括:衬底、活性层、电极等。
衬底通常选用半导体材料,如硅、锗、三五族化合物等。
活性层是光电子器件的核心部分,用于实现光吸收、载流子产生、光电器件的作用。
电极的作用是收集和导出活性层产生的载流子。
半导体光电子器件的工作原理是当加电压时,即势垒降低,有大量电子从N区注入到P区,形成一定的电流,当没有光照时,只有热平衡反向电流,当有光照时,会形成附加的光生电流,从而实现了光电转换。
半导体光电子器件的工作原理
04
半导体光电子器件的性能参数
03
迁移率
指半导体材料中载流子的平均漂移速度,反映了半导体材料导电性能的好坏。
半导体光电子器件的电学参数
01
载流子浓度
指半导体材料中自由电子和空穴的浓度,可以反映半导体材料的导电性能。
02
电阻率
指半导体材料电阻的大小,通常与材料的载流子浓度和迁移率有关。
xx年xx月xx日
半导体光电子器件讲解ppt
CATALOGUE
目录
引言半导体光电子器件的基本原理半导体光电子器件的种类与结构半导体光电子器件的性能参数半导体光电子器件的生产与制造半导体光电子器件的应用案例
0器件简介
2
3
半导体光电子器件是利用半导体材料和器件实现光-电信号转换的器件。
半导体材料通常包括硅、锗、砷化镓、磷化铟等。
半导体光电子器件具有体积小、重量轻、稳定性好、寿命长等特点。
半导体光电子器件的历史发展
半导体光电子器件的起源可以追溯到20世纪60年代。
20世纪80年代,随着光纤通信技术的发展,半导体光电子器件在光纤通信领域得到广泛应用。
半导体器件教案

第1 章半导体二极管及其应用本章规定:1、理解本证半导体、P 型和N 型半导体的特性及PN 结的形成过程。
2、熟悉二极管的伏安特性及其分类。
3、掌握直流稳压电源的构成及各部分电路的作用。
本章重点:1、PN 结的单向导电性。
2、二极管的伏安特性及应用。
本章难点:PN 结的形成。
教学时数:8 学时教学办法:自学+多媒体教学1.1半导体的特性及其类型一、半导体的独特特性1、导体、半导体和绝缘体导体:自然界中很容易导电的物质称为导体,金属普通都是导体。
绝缘体:有的物质几乎不导电,称为绝缘体,如橡皮、陶瓷、塑料和石英。
半导体:导电特性处在导体和绝缘体之间,称为半导体,如锗、硅、砷化镓和某些硫化物、氧化物等。
2、半导体的导电特性:(1)热敏性:当环境温度升高时,导电能力明显增强。
(可做成温度敏感元件,如热敏电阻)。
(2)光敏性:当受到光照时,导电能力明显变化。
(可做成多个光敏元件,如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管教学办法阐明通过生产生活中的电子产品引入课题。
等)。
(3)掺杂性:往纯净的半导体中掺入某些杂质,导电能力明显变化。
(可做成多个不同用途的半导体器件,如二极管、三极管和晶闸管等)。
3、本征半导体的晶体构造(1)本征半导体 --- 完全纯净的、不含其它杂质且含有晶体构造的半导体称为本征半导体。
(2)、本征半导体中的两种载流子----自由电子和空穴使本征半导体含有导电能力,但很微弱。
注意:温度愈高,载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好因。
此,温度对半导体器件性能影响很大。
二、杂质半导体注意阐明:本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差。
1、N 型半导体----掺入五价元素如磷、锑、砷等。
自由电子是多数载流子,空穴是少数载流子。
2、P 型半导体掺入三价元素如硼、镓、铟等。
空穴是多数载流子,自由电子是少数载流子。
注意:1.掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度;温度决定少数载流子的浓度。
2.杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体,因而其导电能力大大改善。
模拟电子课件第一章_半导体材料及二极管

–20
I/uA
锗管的伏安特性
图 二极管的伏安特性
ID
UD
-
UD / V
34
1.正偏伏安特性
当正向电压比较小时,正向电流很小,几乎为零。,
相应的电压叫死区电压。
死区电压: 硅二极管为0.5V左右 锗二极管为0.1V左右
i/mA 30
当正向电压超过死区电压后,二极 管导通, 电流与电压关系近似指数关 系。
42
3.二极管的其它主要参数
➢最大平均整流电流 : I F 允许通过的最大正向平均电流 ➢最高反向工作电压 : 最V大R 瞬时值,否则二极管击穿
1
18
半导体中某处的扩散电流 主要取决于该处载流子的浓 度差(即浓度梯度),而与 该处的浓度值无关。即扩散 电流与载流子在扩散方向上 的浓度梯度成正比,浓度差 越大,扩散电流也越大。
图1.6 半导体中载流子的浓度分布
1
19
即:某处扩散电流正比于浓度分布曲线上该点处的斜率
和。
dn( x) dx
dp ( x) dx
在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素,即构成 N 型半导体 (或称电子型半导体)。
常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
1
10
原来晶格中的某些硅原子将 被杂质原子代替。 杂质原子与周围四个硅原子 组成共价键时多余一个电子。 这个电子只受自身原子核吸引, 在室温下可成为自由电子。
5价的杂质原子可以提供电子, 所以称为施主原子。
Problem: N型半导体是否呈电中性?
1
+4
+4
+5
+4
+4
+4
第1章 半导体器件习题及答案

第1章 半导体器件一、是非题 (注:请在每小题后[ ]内用"√"表示对,用"×"表示错) 1、P 型半导体可通过在本半导体中掺入五价磷元素而获得。
( ) 2、N 型半导体可以通过在本征半导体中掺入三价元素而得到。
( ) 3、在N 型半导体中,掺入高浓度的三价杂质可以发型为P 型半导体。
( ) 4、P 型半导体带正电,N 型半导体带负电。
( )5、N 型半导体的多数载流子是电子,所以它带负电。
( )6、半导体中的价电子易于脱离原子核的束缚而在晶格中运动。
( )7、半导体中的空穴的移动是借助于邻近价电子与空穴复合而移动的。
( )8、施主杂质成为离子后是正离子。
( )-9、受主杂质成为离子后是负离子。
( )10、PN 结中的扩散电流是载流子在电场作用下形成的。
( ) 11、漂移电流是少数载流子在内电场作用下形成的。
( )12、由于PN 结交界面两边存在电位差,所以,当把PN 结两端短路时就有电流流过。
( ) 13、PN 结在无光照、无外加电压时,结电流为零。
( )14、二极管的伏安特性方程式除了可以描述正向特性和反向特性外,还可以描述二极管的反向击穿特性。
( ) 15、通常的BJT 管在集电极和发射极互换使用时,仍有较大的电流放大作用。
( ) 16、有人测得某晶体管的U BE =,I B =20μA ,因此推算出r be =U BE /I B =20μA=35kΩ。
( ) 17、有人测得晶体管在U BE =,I B =5μA ,因此认为在此工作点上的r be 大约为26mV/I B =Ω。
( ) 18、有人测得当U BE =,I B =10μA 。
考虑到当U BE =0V 时I B =0因此推算得到·0.6060()100BE be B U r k I ∆-===Ω∆- ( )二、选择题 (注:在每小题的备选答案中选择适合的答案编号填入该题空白处,多选或不选按选错论) . 1、在绝对零度(0K )时,本征半导体中_________ 载流子。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
1.1.1 半导体物理基础
p区 n区 p-n结 中性p区 空间电荷区 中性n区
电场
电荷
x
电场
x
1 .1半导体及半导体发光基础
1.1.2 半导体发光
一、辐射跃迁: 半导体材料中的电子由高能态向低能态跃迁时,以光子 的形式释放多余的能量,这称为辐射跃迁,辐射跃迁的过 程也就是半导体材料的发光过程。
跃迁是电子-空穴对复合
数。 当f(E)=1/2时,得出的E的值对应的能级为费米能级。 一般近似的认为费米能级以下的能级都被电子所填充。电子从费 米能级高的一侧向低费米能级一侧流动。
1 .1 半导体及半导体发光基础
1.1.1 半导体物理基础
2 i
热平衡条件下的浓度定律:
Eg pn n Nc Nv exp KBT
3 当注入正向电流时,注入结区的非平 衡载流子在扩散过程中自发辐射发出 非相干光。在发光二极管的结构中不存在谐振腔,也不需要粒子数反转。
1.3 发光二极管
二、基本结构
全内反射造成大部分光复发逃逸形成有效光辐射;
只有小于全反射临界角的光才能形成部分反射大部分离开发光 二极管,形成有效的光辐射。例如GaAs-空气界面的临界角只 有16°。
1.2 半导体发光材料
二、典型半导体发光材料
ZnS (荧光粉)
II-VI族半导体化合物,带隙宽度为3.6eV。使用ZnS粉末,用
Cu作为激活剂,可以在交流驱动下,实现场致发光。发
光光谱可覆盖整个可见光波段。
1.3 发光二极管
发光二极管
Light Emitting Diode
大功率3W,5WRGB三基色LED灯
Nc 2 2 me kBT / h
*
2 32
Nc:导带电子状态密度
Nv 2 2 mh kBT / h
*
2 32
浓度定律的推论? 热平衡? 在没有外界影响的条件下,热力学系统的宏观性质不随时间变 化的状态。
1 .1 半导体及半导体发光基础
1.1.1 半导体物理基础 PN结: 扩散、漂移、自建场、耗尽层、正偏、反偏
GaN
直接跃迁型半导体材料,具有带隙宽、热导率高、化学性
能稳定的特点。室温条件下,带隙宽度
纤锌矿结构,可外延生长单晶。
Eg 3.39eV
1.2 半导体发光材料
二、典型半导体发光材料
GaN与III族氮化物半导体InN及AlN的性质接近,均为直 接跃迁型半导体材料,它们构成的三元固溶体的带隙可以
1 .1 半导体及半导体发光基础
1.1.1 半导体物理基础
能级:孤立原子中电子的轨道,形成分离的能级。 能带:原子紧密结合时,电子的轨道发生分裂,单个原子中 电子的轨道数正比于紧密结合的原子数 。轨道能量之差 变得非常小,能级可视为近似连续分布,称为能带。
1 .1 半导体及半导体发光基础
1.1.1 半导体物理基础
一、发光材料概述:
紫外 可见 红外
InAsSb AlInGaAs InGaAsSb InGaAsP GaAsP AlGaInP
0.1 0.2 0.4
InSb InAs
GaSb InP GaAs AlGaAs AlGaAsSb
InGaAs
2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 波长(μm)
0.6 0.8 1.0
2.光谱分析
1 g kT 2 hc
1.8kT2 hc
1.3 发光二极管
3.光强分布 朗伯分布
I air
P nair source cos 2 2 4r ns
2
4.温度特性
I I 300 K e
由于晶体中原子的热振动,价带中的一些电子被激发到
导带,同时在价带中留下空穴,形成电子-空穴对。因此, 本征半导体中的电子浓度与空穴浓度相等。
1 .1 半导体及半导体发光基础
1.1.1 半导体物理基础
非本征半导体: 本征半导体内引入一定数量的杂质,可以有效改变半导
体的导电性质,这种掺有一定数量杂质的半导体称为非本
概述
GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaN(氮化镓)、InGaN(铟
镓氮)、GaAsP(磷砷化镓)、GaAlAs(镓铝砷)等
II-VI族半导体化合物 : ZnS(硫化锌)、ZnSe(硒化锌)
1 .1 半导体及半导体发光基础
1.1.1 半导体物理基础
能带、导带、价带、禁带、直接带隙材料、 间接带隙材料、本征半导体、非本征半导 体、
光电子材料与器件
第1章 半导体发光材 料及器件
大纲
1.0 1.1
概述 半导体及半导体发光基础
半导体发光材料 1.3 半导体激光器 1.4 发光二极管
1.2
1.0
应用领域:
概述
信息显示 光纤通信 固态照明 国防
1.0
半导体发光二极管 半导体激光器 III-V族半导体材料 :
用在一定的条件下会使它们在空间上束缚在一起,这样形
成的复合体称为激子。
1.2 半导体发光材料
二、典型半导体发光材料
激子的俘获: 一个电荷(电子或空穴)首先被缺陷的近程势所束缚,使
缺陷中心带电,然后再通过库仑互作用(远程势)束缚一个电
荷相反的空穴或电子,形成束缚激子 。
1.2 半导体发光材料
二、典型半导体发光材料
GaP 间接带隙宽度2.26eV,典型的间接发光材料。在GaP中
通过掺入杂质(例如N),产生等电子陷阱,俘获激子,通
过激子复合实现发光。 在半导体发光材料中具有较高的发光效率。并且通过掺 入不同的发光中心,可以直接输出红、绿、黄灯等种不同 颜色的光。
1.2 半导体发光材料
二、典型半导体发光材料
激子: 空穴带正电,自由电子带负电,它们之间的库仑吸引互作
1.2 半导体发光材料
二、典型半导体发光材料
GaAs
GaAs是一种重要的III-V族化合物半导体,典型的直接跃迁
型发光材料。直接跃迁发射的光子能量在1.42ev左右,相 应波长在873nm附近,属于近红外波段。 砷化镓属于闪锌矿结构,由极性共价键结合,离子性为0.31。
1.2 半导体发光材料
二、典型半导体发光材料
发光效率:
N R 1 R N 1 R 1 NR 1 R NR
高效率的发光器件需要辐射寿命远小于非辐射寿命 。
1 .1 半导体及半导体发光基础
1.1.2 半导体发光 三、直接带隙材料与间接带隙材料的辐射跃迁:
导带
E
电子
Eg
空穴
1.240 ( m) Eg (eV )
光输出
N-AIyGa1-yAs
P- GaAs
P-AIxGa1-xAs
1.3 发光二极管
三、主要光学特性
1.效率
int
Pint / hf I /e
P / hf extre Pint / hf
ext
P / hf int extre I /e
power
P IU
1.3 发光二极管
1.3 发光二极管
二、基本结构
1.
指通常所说的LED的发光角度,θ1/2是指发光强度值为轴向 强度值一半的方向与发光轴线(法线)的夹角,2θ1/2指左右 两个方向的夹角之和。 如下图所示
同质结LED
层相对较薄,以减少半导体材料的再吸 收,有利于辐射符合产生的光子逃逸。
塑料圆顶 输出光辐射
在基底上依次生长一层n型层和p型层,p型
在绝对零度,可以被电子填满的最高能带形成价带。
价带之上,电子可以摆脱单个原子束缚,并在整个半导体材料中
自由移动的能带,称为导带。
对半导体而言,价带与导带之间由禁带相隔。
Ec Eg Ev 价带 导带 禁带
1 .1 半导体及半导体发光基础
1.1.1 半导体物理基础
直接带隙和间接带隙半导体: 如果导带底与价带顶对应相同的波数,则相应的带隙为直接
室温下III-V族发光材料的发射波长范围
发射波段宽的材料有什么相同点?
1.2 半导体发光材料
一、发光材料概述:
半导体发光材料的发光范围覆盖了紫外、可见光到红外 的很宽范围的光谱。
在具体应用中,根据需要,为了获得特定波长范围的自
发或受激辐射光波,则需选择合适的半导体发光材料。 半导体材料多元固溶体的带隙随成分的比例而变化,可 以获得不同的发射波长。
2 y x
k
k 0
价带
1 .1 半导体及半导体发光基础
1.1.2 半导体发光
普朗克常数 h= 6.626068 × 10-34 m2 kg / s e=1.
1.1.2 半导体发光
E
声子
2 yx
2 y x
导带 电子
2 y x
输出光辐射
输出光辐射 半球形 半导体
p n+ n+ 基底 电极
pn结
电极
(a)
(b)
(c)
一般贴片 LED系列 的发光角度为110 至120度之间,行 业一般标注120度。
二、基本结构
2. 异质结LED
1.3 发光二极管
作用:由于ALGaAs的带隙宽于GaAs,在 GaAs中发射的光子不被ALGaAs吸收,减小光吸收
激子的复合发光: 在间接带隙半导体材料中,由于动量选择定则的限制,
材料的发光通常是很弱的,但如果存在束缚激子,其波函
数在空间上是局域化的,因而发光跃迁的动量选择定则大 大放松,无须声子参与就可能具有很大的发光跃迁几率。 这样,间接带材料的发光效率将大大增强。