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光電子材料 1.0 概述 1.1 半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ) 1.2 半導(dǎo)體發(fā)光材料 1.3 發(fā)光二極管 1.4 半導(dǎo)體激光器 1.0 概述 應(yīng)用領(lǐng)域： 信息顯示 光纖通信 固態(tài)照明 國防 固體材料的種類: 單晶體中的原子或分子在三維空間中有序排列， 具有幾何周期重復(fù)性。 晶格：把單晶體中的原子或分子抽象成數(shù)學(xué)上的幾何點，這些點的集合被稱為晶格。 或晶體的原子按一定規(guī)律在空間周期性排列形成格點，成為晶格。 晶體中的原子或分子位于晶格點上。 纖鋅礦結(jié)構(gòu) 電子不僅可以圍繞自身原子核旋轉(zhuǎn)，而且可以轉(zhuǎn) 到另一個原子周圍，即同一個電子可以被多個原子共 有，電子不再完全局限在某一個原子上，可以由一個 原子轉(zhuǎn)到相鄰原子，將可以在整個晶體中運動。 允帶：允許電子存在的能量圍。 禁帶：不允許電子存在的能量范圍。 價帶：在絕對零度，可以被電子填滿的最高能帶。 導(dǎo)帶：價帶之上，電子可以擺脫單個原子束縛，并在整個半導(dǎo)體材料中自由移動的能帶。 禁帶寬度： 單位是能量單位：eV（電子伏特）。 價帶電子運動可以看作空穴的運動。 在半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶的電子和價帶的空穴均參與導(dǎo)電 這與金屬（導(dǎo)體）導(dǎo)電有很大的區(qū)別。 載流子：半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴統(tǒng)稱為載流子。 本征半導(dǎo)體是純凈而不含任何雜質(zhì)的理想半導(dǎo)體材料。 由于晶體中原子的熱振動，價帶中的一些電子 激發(fā)到導(dǎo)帶，同時在價帶中留下空穴，形成電子-空 穴對。因此，本征半導(dǎo)體中的電子濃度與空穴濃度 相等。 本征半導(dǎo)體內(nèi)引入一定數(shù)量的雜質(zhì)，可以有效改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)，這種摻有一定數(shù)量雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為非本征半導(dǎo)體。 硅中摻入磷(P)，當(dāng)一個磷原子占據(jù)了硅原子的 位置，一個硅原子被一個帶有5 個價電子的磷原子 所取代（或替補），其中4個價電子與周圍的4個硅 原子形成共價鍵，還剩余一個價電子。 原子對剩余的這個價電子的束縛能力較弱，只需獲得較小的能量就可以脫離磷原子的束縛成為可以傳導(dǎo)電流的準(zhǔn)自由電子。 此電子被施給了導(dǎo)帶，磷原子因此被稱為施主。 由于帶負(fù)電載流子增加，硅變成N型。 N型半導(dǎo)體：摻入了施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體中，熱平衡狀態(tài) 下的準(zhǔn)自由電子濃度大于空穴濃 度，稱這 樣的半導(dǎo)體為N型半導(dǎo)體。 雜質(zhì)濃度ND>>本征載流子濃度ni N型半導(dǎo)體中n0>>P0，電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。 硅中摻入硼（B），當(dāng)一個帶有3 個價電子的硼原子占據(jù)了硅原子的位置，它和周圍的4個硅原子形成共價鍵時，還缺少一個電子，必須從別處的硅原子中奪取一個價電子，于是在硅晶體的共價鍵中產(chǎn)生了一個空穴。 硼原子成為一個帶有一個負(fù)電荷的硼離子（B-），稱為負(fù)電中心硼離子。其效果相當(dāng)于形成了一個負(fù)電中心和一個多余的空穴。 熱平衡狀態(tài)下，摻有濃度為NA的受主雜質(zhì)的半導(dǎo) 體中，空穴和準(zhǔn)自由電子的濃度分別為 摻雜：引入其它原子來改變半導(dǎo)體電性能的方法 施主雜質(zhì)：在半導(dǎo)體中提供準(zhǔn)自由電子的雜質(zhì) 對于 Si 而言摻入的施主雜質(zhì)一般為V族 元素，如 磷 P、As等； ND ≡ 施主雜質(zhì)濃度 [cm-3] 一般情況下 ND >> ni ( 1015 ~ 1020 ) 常溫下，施主雜質(zhì)完全電離  受主雜質(zhì)：在半導(dǎo)體中提供空穴的雜質(zhì) 對于Si而言摻入的受主雜質(zhì)一般為III族 元素，如硼 B、Ga等； NA ≡ 受主雜質(zhì)濃度 [cm-3] 一般情況下NA >> ni (NA：1015 ~ 1020 cm-3 ) 常溫下受主雜質(zhì)完全電離  4、費米能級 如果一個能帶中的某一個能級的能量設(shè)為E，則該能級被電子占據(jù)的概率是符合一個函數(shù)規(guī)律的即為f（E），f（E）稱為費米函數(shù)。  當(dāng)f（E）=1/2時，得出的E值對應(yīng)的能級為費米能級。 費米能級是量子態(tài)基本上被電子占據(jù)或基本上是空的一個標(biāo)志。費米能級以下的能級都被電子所填充。 電子從費米能級高的一側(cè)向低費米能級一側(cè)流動。 本征與非本征半導(dǎo)體的費米能級： 1.1.2 半導(dǎo)體發(fā)光 1、輻射躍遷： 半導(dǎo)體材料中的電子由高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時，以光子的形式釋放多余的能量，這稱為輻射躍遷，輻射躍遷的過程也就是半導(dǎo)體材料的發(fā)光過程。 躍遷是電子-空穴對復(fù)合 激勵： 光致發(fā)光 電致發(fā)光 3、半導(dǎo)體的發(fā)光 2、非輻射躍遷： 電子由較高能級躍遷至低能級并不發(fā)出電磁輻射，稱作非輻射躍遷。 同時考慮輻射躍遷過程和非輻射躍遷過程時，則有： 4、直接帶隙結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體 直接帶隙結(jié)構(gòu)：價帶頂?shù)哪芰?位置和導(dǎo)帶底的位置相同 直接帶隙躍遷: 特點：無聲子參與，發(fā)光效率高 直接帶隙半導(dǎo)體材料: II-VI族化合物 ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、 CdS、CdSe、CdTe III-V族化合物 GaN、GaAs、GaSb、InP 5、間接帶隙結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體 間接帶隙結(jié)構(gòu)：價帶頂?shù)哪芰?位置與導(dǎo)帶底的能量位置不同 間接帶隙躍遷： 特點：聲子參與，發(fā)光效率低 間接帶隙半導(dǎo)體材料： IV族半導(dǎo)體Si、Ge， III-V族化合物中的AlAs、GaP 半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程： 發(fā)光材料概述： 主要的半導(dǎo)體發(fā)光材料為直接帶隙的III-V族半導(dǎo)體材料，以及由它們組成的三元、四元固溶體。 固溶體指的是礦物一定結(jié)晶構(gòu)造位置上離子的互相置換，而不改變整個晶體的結(jié)構(gòu)及對稱性等。 GaAs III-V族化合物半導(dǎo)體，典型的直接躍遷型發(fā)光材料， 禁帶寬度1.42ev左右，相應(yīng)波長在873nm附近，屬 于近紅外波段。許多發(fā)光器件的基礎(chǔ)材料，外延生 長用的襯底材料。 GaP 間接帶隙寬度2.26eV，典型的間接發(fā)光材料。 在GaP中通過摻入雜質(zhì)（N)，產(chǎn)生等電子陷阱，俘 獲激子，通過激子復(fù)合實現(xiàn)發(fā)光。 在半導(dǎo)體發(fā)光材料中具有較高的發(fā)光效率。并 且通過摻入不同的發(fā)光中心，可以直接輸出紅、綠、 黃燈等種不同顏色的光。 激子的俘獲： 一個電荷(電子或空穴)首先被缺陷的近程勢所 束縛，使缺陷中心帶電，然后再通過庫侖互作用(遠(yuǎn)程 勢)束縛一個電荷相反的空穴或電子，形成束縛激子 。 GaN 直接躍遷型半導(dǎo)體材料，具有帶隙寬、熱導(dǎo)率 高化學(xué)性能穩(wěn)定的特點。室溫條件下，帶隙寬度為 3.39eV。 InGaAsP 四元固溶體。通過組分x和y的調(diào)節(jié)， 覆蓋波長范圍從870nm(GaAs)至3.5μm(InAs)，該 范圍包含了光纖通訊波長1.3和1.55μm。光纖通訊 所用1.3和1.55μm半導(dǎo)體光源即主要采用InGaAsP 材料。 ZnS （熒光粉） II-VI族半導(dǎo)體化合物，帶隙寬度為3.6eV。使用 ZnS粉末，用Cu作為激活劑，可以在交流驅(qū)動下， 實現(xiàn)場致發(fā)光。發(fā)光光譜可覆蓋整個可見光波段。 練習(xí) 當(dāng)P-N結(jié)外加正向偏置電壓時，外加電壓形成的電場方向與內(nèi) 建電場_____（相反/一致），導(dǎo)致勢壘區(qū)總的電場強度 ______（增強/減弱），這說明空間電荷數(shù)量______（增多/ 減少），也就意味著勢壘區(qū)寬度______（增大/減�。�，勢壘 高度______（增大/減�。�。此時，電場強度的變化導(dǎo)致載流 子的漂移運動______（大于/小于）擴(kuò)散運動，形成______ （凈擴(kuò)散/凈漂移），以致勢壘區(qū)邊界載流子濃度______（大 于/小于）該區(qū)內(nèi)部，從而在Ｎ區(qū)形成______（從Ｎ區(qū)勢壘邊 界向Ｎ區(qū)內(nèi)部／從Ｎ區(qū)內(nèi)部向Ｎ區(qū)勢壘邊界）的______（電 子／空穴）的______（擴(kuò)散／漂移），在Ｐ區(qū)形成______ （從Ｐ區(qū)勢壘邊界向Ｐ區(qū)內(nèi)部／從Ｐ區(qū)內(nèi)部向Ｐ區(qū)勢壘邊界） 的______（電子／空穴）的______（擴(kuò)散／漂移）。 發(fā)光二極管 當(dāng)加正向偏置時勢壘下降，p區(qū)和n區(qū)的多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U(kuò)散。由于電子遷移率μ比空穴遷移率大得多，出現(xiàn)大量電子向P區(qū)擴(kuò)散，構(gòu)成對P區(qū)少數(shù)載流子的注入。這些電子與價帶上的空穴復(fù)合，復(fù)合時得到的能量以光能的形式釋放。這就是P-N結(jié)發(fā)光的原理。 在基底上依次生長一層n型層和p型層，p型層相對較 薄，以減少半導(dǎo)體材料的再吸收，有利于輻射復(fù)合產(chǎn) 生的光子逃逸。 1.發(fā)光二極管的效率 描述LED發(fā)射光譜分布的兩個主要參量： 峰值波長 與半高全寬 （單色性指標(biāo)） 。 由于發(fā)光復(fù)合幾率具有溫度依賴性，一般地，環(huán)境溫 度上升，亮度下降；當(dāng)LED消耗功率大，則結(jié)溫上升， 輸出亮度下降，使得發(fā)光強度隨電流I不再線性增長， 而是呈現(xiàn)熱飽和現(xiàn)象。所以減小功耗，改良散熱條件 很重要。 優(yōu)點： 壽命長，理論上為10萬小時，一般大于5萬小時。（是熒光燈的10倍） 發(fā)熱量低，耗電量小，白熾燈的1/8，熒光燈的1/3 體積小，重量輕，可封裝成各種類型 堅固耐用，不怕震動。環(huán)氧樹脂封裝，防水，耐惡劣環(huán)境使用 多色顯示，利用RGB可實現(xiàn)七彩色顯示。 工作溫度穩(wěn)定性好。 響應(yīng)時間快，一般為納秒(ns)級。 冷光，不是熱光源。 電壓低，可以用太陽能電池作電源。 應(yīng)用領(lǐng)域： 1.激光器的產(chǎn)生及歷史 根據(jù)上面的分析，產(chǎn)生激光有三個基本結(jié)構(gòu)： a.工作物質(zhì)提供實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和產(chǎn)生激光的受激 輻射的物質(zhì)體系； b.泵浦源實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)提供外界能量； c.諧振腔，實現(xiàn)光放大并限制振蕩光束（方向和頻率）。 泵浦源：外加正向偏壓。 當(dāng)加在PN結(jié)上的正向電壓超過某一值（eV>Eg）后， PN結(jié)的某段區(qū)域中導(dǎo)帶底的電子數(shù)大于價帶頂電子 數(shù)，出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。該區(qū)域稱為增益區(qū)(有源區(qū)) 。 量子阱(QW，Quantum Well) 半導(dǎo)體激光器是一 種窄帶隙有源層夾在寬帶隙半導(dǎo)體材料中間或交 替重疊生長，有源層厚度小至1～10nm的新型半 導(dǎo)體激光二極管。 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Lasers）發(fā)光面積大，發(fā)散角小。 P-I特性 半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點和缺點 優(yōu)點： 結(jié)構(gòu)簡單； 電流泵浦，功率轉(zhuǎn)換效率高(最大可達(dá)50%)，便于調(diào)制； 總 結(jié) 1.pn結(jié)的形成，半導(dǎo)體發(fā)光過程 2.半導(dǎo)體發(fā)光材料的要求，典型半導(dǎo)體發(fā)光材料 3.LED的基本原理，同質(zhì)結(jié)LED提高效率的方法，雙異質(zhì)結(jié)LED的工作原理及優(yōu)點，白光LED 4.激光器的基本結(jié)構(gòu)及其作用，LD工作原理BaD紅軟基地

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