1-半导体发光材料与器件
半导体
半导体半导体简介：顾名思义：常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料，叫做半导体（semiconductor）。
我们通常把导电性和导电导热性差或不好的材料，如金刚石、人工晶体、琥珀、陶瓷等等，称为绝缘体。
而把导电、导热都比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。
可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。
半导体定义：电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质。
半导体室温时电阻率约在10E-5～10E7欧·米之间，温度升高时电阻率指数则减小。
半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。
有元素半导体，化合物半导体，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。
半导体材料：半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。
半导体材料的电学性质对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的电导率。
正是利用半导体材料的这些性质，才制造出功能多样的半导体器件。
半导体材料按化学成分和内部结构，大致可分为以下几类。
1.元素半导体有锗、硅、硒、硼、碲、锑等。
2.化合物半导体由两种或两种以上的元素化合而成的半导体材料，包括Ⅲ-Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。
3.无定形半导体材料，用作半导体的玻璃是一种非晶体无定形半导体材料，分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃两种。
4.有机增导体材料已知的有机半导体材料有几十种，包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，目前尚未得到应用。
制备不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求，包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。
半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。
常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。
半导体照明之基本常识
LED基本常识(一)半导体发光器件包括半导体发光二极管（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。
因此它具有一般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、介带中间附近）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。
发光的复合量相对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，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。
理论和实践证明，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）允许功耗Pm:允许加于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：允许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：所允许加的最大反向电压。
超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。
半导体光电子材料与器件教学大纲
附件2：《半导体光电子材料与器件》教学大纲（理论课程及实验课程适用）一、课程信息课程名称（中文）：半导体光电子材料与器件课程名称（英文）：Semiconductor Optoelectronic materials and devices课程类别：选修课课程性质：专业方向课计划学时：32（其中课内学时：40 ，课外学时：0）计划学分：2先修课程：量子力学、物理光学、固体物理、激光原理与技术、半导体物理等选用教材：《半导体物理学简明教程》，孟庆巨胡云峰等编著，电子工业出版社，2014年6月，非自编；普通高等教育“十二五”规划教材，电子科学与技术专业规划教材开课院部：理学院适用专业：光电信息科学与工程、微电子学等专业课程负责人：梁春雷课程网站：无二、课程简介（中英文）《半导体光电子材料与器件》是光电信息科学与工程本科专业的专业课。
学习本课程之前，要求学生已经具有量子力学、热力学与统计物理、固体物理和半导体物理方面的知识。
本课程论述基于电子的微观运动规律为基础的各种半导体器件的工作原理。
其核心内容是硅光电子器件的工作原理和设计方法。
本课程的目的是让学生了解和掌握半导体器件相关的物理知识，熟练掌握各种常见半导体器件参数与器件的结构参数和材料参数之间的关系。
能够使用典型的光电子器件进行光电探测。
初步具备新型器件的跟踪研究能力和自主开发能力。
Semiconductor Optoelectronic Materials and Devices is the course designed for the undergraduate students of optoelectronic information science and engineering specialty. Before taking this class, the students are required to have the knowledge of quantum mechanics, thermodynamics and statistical physics, solid state physics and semiconductor physics.The class will discuss the principles of working of all kinds of Semiconductor devices based on the microscopic movement of electron. The main content will be the principle of working and the method of design of optoelectronic devices base on silicon. The purpose is to let the students understand and master physical knowledge related to the semiconductor devices, skillfully master all kinds of relations of semiconductor devices parameters with structural parameter and material parameter. The students are requires to be able to employ some typical devices for photoelectric detection, also they will be able to have the basic ability to follow and develop new devices.三、课程教学要求序号专业毕业要求课程教学要求关联程度1 工程知识本课程注重培养学生理论联系实际的能力、科学研究的思想方法、创新能力以及工程实践能力等。
半导体照明技术
半导体照明技术
三、高亮度发光二极管芯片构造
刚开始研制成旳高亮度LED，都是在半导体激光器件中已
成熟采用旳双异质结构造，这种构造生长旳特点是生长轻易，
提升发光效率旳效果明显，它旳特制双异质构造形成旳势垒将
注入旳载流子限制在复合区内，大大提升了发光复合效率。但
为了提升发光效率，又对芯片构造进行了许多新旳改善，详细
半导体照明技术
4、色温 色温旳特征能够用色坐标（X、Y）来量化，根据X、Y值
能够得杰出温或有关色温。如混合485nm(蓝光)和583nm (橙 黄光)，可得到色温大约为4000K旳白色光。对于三色白光源 来说，能够调整三色旳成份来控制光源旳色温。目前经过调 整LED或荧光粉旳波长和带宽以及相应成份能够得到从低到 高色温区旳所用白光。所以对于半导体照明光源来说，色温 也不是困难。
发光波长与构成x间符合关系式：
1.24 103 1.43 1.23x
综合考虑外量子效率与x旳关系和人眼是视觉敏捷度， 存在一种最佳旳构成x值x=0.4，得到最高旳发光亮度，波长 为650-660nm。
半导体照明技术
四、镓铝砷
1、Ga1-xAlxAs是GaAs和AlAs旳固溶体。当x=0.35时由直接 跃迁变成间接跃迁。
半导体照明技术
五、铝镓铟磷
1、(AlxGa1-x)yIn1-yP，y约为0.5时，其晶格常数几乎完美地与 GaAs匹配。在GaAs上生长旳高质量(AlxGa1-x)0.5In0.5P薄膜是半 导体照明中主要旳异质构造材料。
2、直接带隙到间接带隙旳转变出目前x=0.65，相应于带隙能 量2.3eV，所以能得到656nm到540nm范围内旳光发射。用它制 成旳发光二极管得到了可见光中最高旳发光效率，在614nm到 达108lm/W。
半导体发光器件-LD和LE
contents
目录
• 引言 • LD（激光二极管） • LE（发光二极管） • LD与LE的性能比较 • LD与LE的优缺点分析 • LD与LE的未来展望
01 引言
半导体发光器件简介
半导体发光器件是指利用半导体材料 作为发光介质，通过注入载流子（电 子和空穴）实现发光的一种固态电子 器件。
高效能
LD具有高光电转换效率，能够将更多 的电能转化为光能，从而减小了能源 消耗。
LD的优缺点
• 长寿命：LD的寿命通常较长，能够保证长时间的 使用。
LD的优缺点
价格较高
定向性强
相对于LED，LD的价格较高，这可能 会增加产品的成本。
由于LD的光束具有高度的定向性，因 此在某些需要散射光的场合不太适用。
受激发射
在激光二极管中，电子在受到光 或电的激发后，跃迁到高能级， 当高能级电子向低能级跃迁时，
会释放出光子，形成激光。
谐振腔
激光二极管内部通常包含两个反 射镜，形成谐振腔，使光子在反 射镜之间来回反射，不断增强光
子能量，最终形成激光输出。
注入电流
激光二极管需要一定的注入电流 才能工作，电流通过激光二极管 的P-N结，产生电子和空穴对， 这些电子和空穴对在受到激发后
高效化
提高LE的发光效率和降低 能耗，实现更节能环保的 照明。
多色化
开发不同材料的LE，实现 多彩照明，丰富人们的视 觉体验。
04 LD与LE的性能比较
发光效率
01
02
03
LD的发光效率通常高于 LE，因为LD的芯片结构 更简单，发光效率更高。
LD的发光效率可以达到 100 lm/W以上，而LE的 发光效率一般在50-70
什么是半导体材料？常见半导体材料有哪些？
什么是半导体材料？常见半导体材料有哪些？什么是半导体材料？What is a semiconductor material？半导体材料semiconductormaterial，是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内）、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。
自然界的物质、材料按导电能力大小可分为导体、半导体和绝缘体三大类。
半导体的电阻率在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围（上限按谢嘉奎《电子线路》取值，还有取其1/10或10倍的；因角标不可用，暂用当前描述）。
在一般情况下，半导体电导率随温度的升高而升高，这与金属导体恰好相反。
凡具有上述两种特征的材料都可归入半导体材料的范围。
反映半导体半导体材料内在基本性质的却是各种外界因素如光、热、磁、电等作用于半导体而引起的物理效应和现象，这些可统称为半导体材料的半导体性质。
构成固态电子器件的基体材料绝大多数是半导体，正是这些半导体材料的各种半导体性质赋予各种不同类型半导体器件以不同的功能和特性。
半导体的基本化学特征在于原子间存在饱和的共价键。
作为共价键特征的典型是在晶格结构上表现为四面体结构，所以典型的半导体材料具有金刚石或闪锌矿（ZnS）的结构。
由于地球的矿藏多半是化合物，所以最早得到利用的半导体材料都是化合物，例如方铅矿（PbS）很早就用于无线电检波，氧化亚铜（Cu2O）用作固体整流器，闪锌矿（ZnS）是熟知的固体发光材料，碳化硅（SiC）的整流检波作用也较早被利用。
硒（Se）是最早发现并被利用的元素半导体，曾是固体整流器和光电池的重要材料。
元素半导体锗（Ge）放大作用的发现开辟了半导体历史新的一页，从此电子设备开始实现晶体管化。
中国的半导体研究和生产是从1957年首次制备出高纯度（99.999999%～99.9999999%）的锗开始的。
采用元素半导体硅（Si）以后，不仅使晶体管的类型和品种增加、性能提高，而且迎来了大规模和超大规模集成电路的时代。
高迁移率有机半导体材料与器件的研究 2023国家自然科学奖
高迁移率有机半导体材料与器件的研究2023国家自然科学奖1. 引言1.1 概述随着信息技术的迅速发展，有机半导体材料作为一种新型材料，引起了广泛的关注和研究。
高迁移率有机半导体材料是近年来研究的热点之一，其在电子器件领域具有广阔的应用前景。
本文将重点探讨高迁移率有机半导体材料与器件的研究，并对2023国家自然科学奖对该领域研究的支持和影响进行分析。
1.2 研究背景传统的硅基半导体材料具有成熟稳定的性能和制备工艺，但在柔性电子、可穿戴设备等领域存在局限性。
相比之下，有机半导体材料具有轻质、柔性可弯曲、低成本等优势，因此被认为是未来电子器件发展的重要方向之一。
然而，传统有机半导体材料通常具有较低的载流子迁移率，限制了其在高性能电子器件中的应用。
为了解决这个问题，高迁移率有机半导体材料被提出并广泛研究，以期实现高性能有机器件的制备。
1.3 目的和意义本文旨在系统地介绍高迁移率有机半导体材料及其相关器件的研究进展，并探讨其在电子器件领域的应用前景。
同时，文章将对2023年国家自然科学奖对于该领域研究的支持和影响进行分析，以便更好地了解该领域的最新发展和未来趋势。
相信通过本文的阐述，可以进一步推动高迁移率有机半导体材料与器件的研究，在相关领域取得更多重要突破，并为推动我国信息技术产业发展贡献力量。
以上是“1. 引言”部分内容，接下来将详细阐述“2. 高迁移率有机半导体材料的特点与应用”的相关内容。
2. 高迁移率有机半导体材料的特点与应用2.1 高迁移率有机半导体材料的概念高迁移率有机半导体材料是一类具有高电子或空穴迁移率的有机化合物。
相比传统无机半导体材料，高迁移率有机半导体材料在电子输运速度、可加工性和柔性等方面具备显著优势。
这些材料通常由有机分子或聚合物构成，其分子结构可以被调控和设计以实现更高的载流子迁移率。
2.2 材料特性与性能分析高迁移率有机半导体材料展示了许多独特的特性和优良的性能，使其在各种领域中拥有广泛的应用前景。
半导体光学
半导体激光器的应用领域及市场需求
应用领域
市场需求
• 通信：光纤通信、无线通信等
• 高功率、高效率、窄线宽半导体激光器的需求持续增长
• 医疗：激光手术、激光诊断等
• VCSEL、量子阱激光器等新型激光器的市场需求不断涌
• 科研：光谱分析、光学测量等
现
• 制造：激光加工、激光打印等
半导体光子学的应用前景及挑战
应用前景
挑战
• 光通信：实现高速、高容量、长距离的光通信传输
• 半导体光子学理论体系的完善和发展
• 光计算：实现高速、低功耗的光计算处理
• 半导体光子学器件的研制和优化
• 光传感：实现高灵敏度、高分辨率的光传感检测
• 半导体光子学技术在新兴领域的应用拓展
05
半导体光通信技术与应用
• 光电晶体管：利用半导体晶体管结构实现光信号的探测
半导体光探测器的技术进展及发展趋势
技术进展
发展趋势
• 高灵敏度、高速率、宽响应范围半导体光探测器的研制
• 半导体光探测器的集成化、片上化
• PIN光电二极管、雪崩光电二极管（APD）、光电晶体管
• 半导体光探测器在新兴领域的应用拓展
等新型光探测器的应用
• 间接跃迁：电子先从价带跃迁到中间能带，再从中间能带跃迁到导带，吸收光子能量
发光过程
• 辐射复合：电子从导带跃迁回价带，释放出光子，发生辐射复合发光
• 荧光发光：电子在导带中的能量损失，通过非辐射复合过程跃迁回价带，释放出光子，发
生荧光发光
• 磷光发光：电子在导带中的能量损失，通过非辐射复合过程跃迁到中间能带，再从中间能
• 受材料的能带结构、电子浓度等因素影响
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杂质来源 1）制备半导体的原材料纯度不够高 2）半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的沾污 3）为了半导体的性质而人为地掺入某种化学元素的原子
根据对载流子浓度的影响的不同，杂质可分为: 施主(donor) 杂质（高价元素）---N型半导体 受主 (acceptor)杂质（低价元素）---P型半导体
载流子：半导体中，导带中的电子和价带中的空穴 统称为载流子。
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3、本征半导体和非本征半导体
（1）本征半导体 本征半导体是纯净而不含任何杂质的理想半导
体材料。
由于晶体中原子的热振动，价带中的一些电子
激发到导带，同时在价带中留下空穴，形成电子-空
Байду номын сангаас
穴对。因此，本征半导体中的电子浓度与空穴浓度
相等。
热平衡条件下的浓度定律：
概述 半导体及半导体发光基础 半导体发光材料 发光二极管 半导体激光器
1.0 概述
应用领域： 信息显示 光纤通信 固态照明 国防
1、半导体的种类 元素半导体：Si，Ge（IV族）
III-V族半导体：GaAs, InP 化合物半导体 II-VI族半导体：ZnS
IV-IV族半导体：SiC
2、晶体结构 固体材料的种类:
闪锌矿结构 金刚石型 VS
闪锌矿型
化 合 物 半 导 体 : GaAs、InP、ZnS
纤锌矿结构
S2-六方紧密堆积排列 Zn2+填充在四面体空隙 中，只占据了1/2
六方晶系 简单六方格子 与纤锌矿结构同类的晶 体：BeO、ZnO、AlN
1.1半导体及半导体发光基础
1.1.1半导体物理基础 1、能 带 孤立原子中的电子：能级是量子化的。 n=3
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。
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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
(根据原子、分子或分子团在三维空间中排列的有序程度的不同)
无定形（非晶）
不存在长程有序或 几个尺度内有序
应 无定形硅薄膜-用 加工液晶显示器
6
多晶
在小区域内 完全有序
多晶硅----太阳能电池
单晶
整个晶体中 排列有序
单晶硅-电子器件 集成电路制造
单晶体中的原子或分子在三维空间中有序排列， 具有几何周期重复性。
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
准自 由电
子
24
准自由 电子
原子对剩余的这个价电子的束缚能力较弱，只需 获得较小的能量就可以脱离磷原子的束缚成为可以传 导电流的准自由电子。
此电子被施给了导带，磷原子因此被称为施主。 由于带负电载流子增加，硅变成N型。
25
热平衡状态下，掺有浓度为ND的施主杂质的 半导体中，空穴和准自由电子的浓度分别为
四个电子
n=2 8个电子
+14
n=1 2个电子 H
Si
晶体中的电子
电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转 到另一个原子周围，即同一个电子可以被多个原子共 有，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个 原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。 特点： 1.外层电子受原子束缚轻，电子壳层交叠大，共有 化运动显著; 2.电子只能在相同支壳层之间转移
晶格：把单晶体中的原子或分子抽象成数学上的几 何点，这些点的集合被称为晶格。 或晶体的原子按一定规律在空间周期性排列形成格 点，成为晶格。
晶体中的原子或分子位于晶格点上。
7
3、常见晶体结构 金刚石结构
原子结合形式：共价键 形成的晶体结构： 构成一个正四 面体，具有 金 刚 石 晶 体 结 构
金刚石结构 半 导 体 有: 元 素 半 导 体 如Si、Ge
pn
ni2
Nc Nv
exp
Eg kBT
p n ni
（2）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征半导体。
非本征半导体是制造各种半导体器件的基础。
由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周期排列的 原子所产生的周期性势场受到破坏，有可能在禁带中 引入允许电子存在的能量状态（即能级），从而对半 导体的性质产生决定性的影响。
n0 ND
p0
ni2 ND
N型半导体：掺入了施主杂质的半导体中，热平衡状态 下的准自由电子浓度大于空穴浓 度，称这 样的半导体为N型半导体。
杂质浓度ND>>本征载流子浓度ni
N型半导体中n0>>P0，电子为多数载流子，空穴为少数 载流子。
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1）N型半导体
准自由 电子
硅中掺入磷(P)，当一个磷原子占据了硅原子的 位置，一个硅原子被一个带有5 个价电子的磷原子 所取代（或替补），其中4个价电子与周围的4个硅 原子形成共价键，还剩余一个价电子。
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磷原子成为1个带有1个正电荷的磷离子(P+) 称为正电中心磷离子，其效果相当于形成了一个 正电中心和一个多余的电子。
单位是能量单位：eV（电子伏特）。
导导 Ec
Eg
导导
Ev
导导
金属（导体）、半导体、绝缘体能带示意图
金属(导体)：导带被电子部分占满，在电场作用 下这些电子可以导电。
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金属（导体）、半导体、绝缘体能带示意图
硅1.12eV 锗0.67eV 砷化镓1.42eV
半导体：在绝对零度下，导带全空，价带全满，不导 电。禁带比较窄，常温下部分价带电子被激 发到空的导带，形成有少数电子填充的导 带和留有少数空穴的价带，都能导电。 16
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。
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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。