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1、 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 照照 明明 技技 術(shù)術(shù)第四章第四章 半導(dǎo)體的激發(fā)與發(fā)光半導(dǎo)體的激發(fā)與發(fā)光 半導(dǎo)體發(fā)光二極管能將電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?。其原理是電半?dǎo)體發(fā)光二極管能將電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?。其原理是電能造成比熱平衡時(shí)更多的電子和空穴,同時(shí),由于復(fù)合而減能造成比熱平衡時(shí)更多的電子和空穴,同時(shí),由于復(fù)合而減少電子和空穴,造成新的熱平衡,在復(fù)合過(guò)程中,能量以光少電子和空穴,造成新的熱平衡,在復(fù)合過(guò)程中,能量以光的形式放出。的形式放出。 本章主要介紹本章主要介紹PNPN結(jié)及其特性、注入載流子的復(fù)合、異質(zhì)結(jié)結(jié)及其特性、注入載流子的復(fù)合、異質(zhì)結(jié)構(gòu)等構(gòu)等內(nèi)容。內(nèi)容。 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 照照 明明 技技 術(shù)術(shù)一、半
2、導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)一、半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)(一)半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)(一)半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu) 硅和鍺是四價(jià)元素,在原硅和鍺是四價(jià)元素,在原子最外層軌道上的四個(gè)電子子最外層軌道上的四個(gè)電子稱為稱為價(jià)電子價(jià)電子。它們分別與周。它們分別與周圍的四個(gè)原子的價(jià)電子形成圍的四個(gè)原子的價(jià)電子形成共價(jià)鍵共價(jià)鍵。共價(jià)鍵中的價(jià)電子。共價(jià)鍵中的價(jià)電子為這些原子所共有,并為它為這些原子所共有,并為它們所束縛,在空間形成排列們所束縛,在空間形成排列有序的晶體。有序的晶體。 硅原子空間排列硅原子空間排列及共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖及共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖共價(jià)鍵共價(jià)鍵第一節(jié)第一節(jié) 半導(dǎo)體半導(dǎo)體PNPN結(jié)及其特性結(jié)及其特性 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 照照 明
3、明 技技 術(shù)術(shù)(二)本征半導(dǎo)體(二)本征半導(dǎo)體: : 純凈的結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體。純凈的結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體。 本征半導(dǎo)體特性:本征半導(dǎo)體特性:(1)熱力學(xué)溫度為)熱力學(xué)溫度為0K時(shí),幾乎不導(dǎo)電。時(shí),幾乎不導(dǎo)電。(2)光激發(fā)、熱激發(fā)和摻入雜質(zhì)可以使其導(dǎo)電能力增加。對(duì))光激發(fā)、熱激發(fā)和摻入雜質(zhì)可以使其導(dǎo)電能力增加。對(duì) 應(yīng)的導(dǎo)電元器件分別是光敏元件、熱敏元件、晶體管。應(yīng)的導(dǎo)電元器件分別是光敏元件、熱敏元件、晶體管。(三)半導(dǎo)體的導(dǎo)電原理(三)半導(dǎo)體的導(dǎo)電原理 1、電子、電子 當(dāng)半導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度當(dāng)半導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時(shí),沒(méi)有自由電子。當(dāng)溫度升時(shí),沒(méi)有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí),價(jià)電子能量增
4、高,有的價(jià)電子可以掙脫高或受到光的照射時(shí),價(jià)電子能量增高,有的價(jià)電子可以掙脫原子核的束縛而參與導(dǎo)電,成為原子核的束縛而參與導(dǎo)電,成為自由電子自由電子。 這一現(xiàn)象稱為這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)本征激發(fā),也稱也稱熱激發(fā)熱激發(fā)。 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 照照 明明 技技 術(shù)術(shù)2 2、空穴、空穴 自由電子產(chǎn)生的同時(shí),在其原來(lái)的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一自由電子產(chǎn)生的同時(shí),在其原來(lái)的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)個(gè)空位空位,原子的電中性被破壞,呈現(xiàn)出正電性,其正電量與,原子的電中性被破壞,呈現(xiàn)出正電性,其正電量與電子的負(fù)電量相等,人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個(gè)空位為電子的負(fù)電量相等,人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個(gè)空位為空穴空穴。3 3、電子空穴
5、對(duì)、電子空穴對(duì) 因熱激發(fā)而出現(xiàn)的因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自自由電子和空穴是同時(shí)成對(duì)由電子和空穴是同時(shí)成對(duì)出現(xiàn)的出現(xiàn)的,稱為,稱為電子空穴對(duì)電子空穴對(duì)。游離的部分自由電子落入游離的部分自由電子落入未飽和共價(jià)鍵,未飽和共價(jià)鍵,則則電子空電子空穴成對(duì)消失,稱為穴成對(duì)消失,稱為復(fù)合復(fù)合。本征激發(fā)和復(fù)合的過(guò)程 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 照照 明明 技技 術(shù)術(shù) 因五價(jià)雜質(zhì)原子中只因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵,而形成共價(jià)鍵,而多余的一多余的一個(gè)價(jià)電子個(gè)價(jià)電子因無(wú)共價(jià)鍵束縛因無(wú)共價(jià)鍵束縛而而很容易形成自由電子很容易形成自由電子。(四)雜質(zhì)
6、(四)雜質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體1、N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 四價(jià)的本征半導(dǎo)體四價(jià)的本征半導(dǎo)體(Si(Si、GeGe等等) ),摻入少量,摻入少量五價(jià)的雜質(zhì)五價(jià)的雜質(zhì)元素元素( (如如P P、AsAs等等) )形成電子型半導(dǎo)體,稱形成電子型半導(dǎo)體,稱N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。也稱也稱電子型半導(dǎo)體電子型半導(dǎo)體。 N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 照照 明明 技技 術(shù)術(shù) 在在N N型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中自由自由電子是多數(shù)載流子電子是多數(shù)載流子, ,它主要由它主要由雜質(zhì)原子提雜質(zhì)原子提供;供;空穴是少數(shù)載流子空穴是少數(shù)載流子, , 由熱激發(fā)形成。由熱激發(fā)形成。 提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為提供自由電
7、子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子正離子,因,因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)。2 2、P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素雜質(zhì)元素( (如硼如硼B(yǎng)B、銦、銦InIn等等) )形成了形成了P P型半導(dǎo)體,型半導(dǎo)體,也稱也稱為為空穴型半導(dǎo)體空穴型半導(dǎo)體。因三價(jià)雜因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí),鍵時(shí),缺少一個(gè)價(jià)電子缺少一個(gè)價(jià)電子而在而在共價(jià)鍵中共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴留下一個(gè)空穴。 P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 照照 明明 技技 術(shù)術(shù)P型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子空穴是多數(shù)載流子,主
8、要由摻雜形成;主要由摻雜形成; 電子是少數(shù)載流子電子是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。由熱激發(fā)形成??昭ê苋菀追@電子,使雜質(zhì)原子成為空穴很容易俘獲電子,使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子負(fù)離子,三價(jià)雜質(zhì)因,三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為而也稱為受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)。 3 3、N N型化合物半導(dǎo)體型化合物半導(dǎo)體例如,化合物例如,化合物GaAsGaAs中摻中摻Te(Te(碲碲 ) ),六價(jià)的,六價(jià)的TeTe替代五價(jià)的替代五價(jià)的AsAs可可形成施主能級(jí),形成施主能級(jí),成為成為n n型型GaAsGaAs雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體。4 4、P P型化合物半導(dǎo)體型化合物半導(dǎo)體例如,化合物例如,化合物 GaAsGaAs中摻中摻ZnZn,二價(jià)的,
9、二價(jià)的ZnZn替代三價(jià)的替代三價(jià)的GaGa可形成可形成受主能級(jí),受主能級(jí),成為成為p p型型GaAsGaAs雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體。 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 照照 明明 技技 術(shù)術(shù)二、二、PNPN結(jié)及其特性結(jié)及其特性 P-N結(jié)結(jié)阻阻EN型型P型型(一)(一)PNPN結(jié)的形成結(jié)的形成 N型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和P P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上型半導(dǎo)體的結(jié)合面上由于區(qū)的電子向區(qū)擴(kuò)散,區(qū)的由于區(qū)的電子向區(qū)擴(kuò)散,區(qū)的空穴向區(qū)擴(kuò)散,空穴向區(qū)擴(kuò)散,在交界面附近產(chǎn)生在交界面附近產(chǎn)生了一個(gè)電場(chǎng),稱為了一個(gè)電場(chǎng),稱為內(nèi)建場(chǎng)內(nèi)建場(chǎng)。內(nèi)建場(chǎng)阻。內(nèi)建場(chǎng)阻止電子和空穴進(jìn)一步擴(kuò)散,記作止電子和空穴進(jìn)一步擴(kuò)散,記作 。 最后最后,多子的多子
10、的擴(kuò)散擴(kuò)散和少子的和少子的漂移漂移達(dá)達(dá)到到動(dòng)態(tài)平衡動(dòng)態(tài)平衡。對(duì)于。對(duì)于P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型半型半導(dǎo)體結(jié)合面,離子薄層形成的導(dǎo)體結(jié)合面,離子薄層形成的空間電空間電荷區(qū)荷區(qū)稱為稱為PN結(jié)結(jié)。在空間電荷區(qū),由于。在空間電荷區(qū),由于缺少多子,所以也稱缺少多子,所以也稱耗盡層耗盡層。阻E 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 照照 明明 技技 術(shù)術(shù)2、PN結(jié)處存在電勢(shì)差結(jié)處存在電勢(shì)差Uo。 也阻止也阻止N N區(qū)區(qū)帶負(fù)電的電子進(jìn)帶負(fù)電的電子進(jìn)一步向一步向P P區(qū)區(qū)擴(kuò)散。擴(kuò)散。 它阻止它阻止P P區(qū)區(qū)帶正電的空穴進(jìn)帶正電的空穴進(jìn)一步向一步向N N區(qū)區(qū)擴(kuò)散;擴(kuò)散;U00eU電子能級(jí)電子能級(jí)電勢(shì)曲線電勢(shì)曲線電子電勢(shì)能曲線電子
11、電勢(shì)能曲線P-N結(jié)結(jié) 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 照照 明明 技技 術(shù)術(shù) 3、由于由于PNPN結(jié)的存在,結(jié)的存在,電子電子的能量應(yīng)考慮的能量應(yīng)考慮到到勢(shì)壘帶來(lái)的勢(shì)壘帶來(lái)的附加附加勢(shì)能勢(shì)能,使電子能帶出現(xiàn)彎曲。使電子能帶出現(xiàn)彎曲??諑Э諑Э諑Э諑-n結(jié)結(jié)0eU 施主能級(jí)施主能級(jí)受主能級(jí)受主能級(jí)滿帶滿帶滿帶滿帶 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 照照 明明 技技 術(shù)術(shù)1 1、結(jié)的單向?qū)щ娦浴⒔Y(jié)的單向?qū)щ娦裕ǎǎ?正向偏壓正向偏壓在結(jié)的在結(jié)的P型區(qū)型區(qū)接電源正極,接電源正極,N型型區(qū)接負(fù)極叫區(qū)接負(fù)極叫正向正向偏壓。偏壓。阻擋層勢(shì)壘被削弱、變窄,阻擋層勢(shì)壘被削弱、變窄,有利于空穴向有利于空穴向N區(qū)運(yùn)動(dòng),電子向區(qū)運(yùn)動(dòng),電子向
12、P區(qū)運(yùn)動(dòng),形成正向電流區(qū)運(yùn)動(dòng),形成正向電流(m級(jí)級(jí)), PN結(jié)表現(xiàn)為小電阻結(jié)表現(xiàn)為小電阻。Ep型型n型型I阻阻E(二)(二)PNPN結(jié)的特性結(jié)的特性 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 照照 明明 技技 術(shù)術(shù)外加正向電壓越大,外加正向電壓越大,正向電流也越大,正向電流也越大,而且是呈非線性的而且是呈非線性的伏安特性伏安特性(圖為鍺管圖為鍺管)。V(伏)(伏)(毫安)(毫安)正向正向00.21.0I 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 照照 明明 技技 術(shù)術(shù)()() 反向偏壓反向偏壓在結(jié)的在結(jié)的P型區(qū)接電源負(fù)極,型區(qū)接電源負(fù)極,N型區(qū)接電源正極,型區(qū)接電源正極,叫叫反向偏壓反向偏壓。 阻擋層勢(shì)壘增大、變寬,阻擋層勢(shì)壘增大、變寬,不
13、利于空穴向區(qū)運(yùn)動(dòng),不利于空穴向區(qū)運(yùn)動(dòng),也不利于電子向也不利于電子向P區(qū)運(yùn)動(dòng),區(qū)運(yùn)動(dòng),沒(méi)有正向電流。沒(méi)有正向電流。 PN結(jié)表現(xiàn)結(jié)表現(xiàn)為大電阻。為大電阻。 但是,由于少數(shù)載流子但是,由于少數(shù)載流子的存在,會(huì)形成很弱的反的存在,會(huì)形成很弱的反向電流,這個(gè)電流也稱為向電流,這個(gè)電流也稱為反向飽和電流反向飽和電流。Ep型型n型型I阻阻E 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 照照 明明 技技 術(shù)術(shù)PN結(jié)正偏時(shí),結(jié)正偏時(shí),呈現(xiàn)低電阻,呈現(xiàn)低電阻,具有較大的正向擴(kuò)散電流;具有較大的正向擴(kuò)散電流; IFRFII 由此可以得出結(jié)論:由此可以得出結(jié)論:PN結(jié)具結(jié)具有單向?qū)щ娦浴S袉蜗驅(qū)щ娦?。反反偏偏PNPN結(jié)反偏時(shí),結(jié)反偏時(shí),呈現(xiàn)高
14、電阻,呈現(xiàn)高電阻,具有很小的反向漂移電流。具有很小的反向漂移電流。IR 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 照照 明明 技技 術(shù)術(shù)2 2、PNPN結(jié)的反向擊穿特性結(jié)的反向擊穿特性 當(dāng)加到當(dāng)加到PN結(jié)上結(jié)上的反向電壓增大到的反向電壓增大到某個(gè)數(shù)值時(shí),反向某個(gè)數(shù)值時(shí),反向電流急劇增加,這電流急劇增加,這種現(xiàn)象稱為種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的結(jié)的反向擊穿反向擊穿。擊穿電壓擊穿電壓V(伏伏)I-(微安)(微安)反向反向-20-30 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 照照 明明 技技 術(shù)術(shù)(1 1)電擊穿(可逆)電擊穿(可逆) 齊納齊納(Zener(Zener) )擊穿:擊穿: 較強(qiáng)的內(nèi)電場(chǎng)將空間電荷區(qū)共價(jià)鍵中的價(jià)電子拉出。產(chǎn)較強(qiáng)的內(nèi)電場(chǎng)將空間電
15、荷區(qū)共價(jià)鍵中的價(jià)電子拉出。產(chǎn)生大量的電子空穴對(duì),使空間電荷區(qū)的高阻性變差而擊穿。生大量的電子空穴對(duì),使空間電荷區(qū)的高阻性變差而擊穿。摻雜濃度高易擊穿。摻雜濃度高易擊穿。雪崩擊穿:雪崩擊穿: 少數(shù)載流子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下碰撞電離并產(chǎn)生連鎖效應(yīng),少數(shù)載流子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下碰撞電離并產(chǎn)生連鎖效應(yīng),造成空間電荷區(qū)中的載流子數(shù)目劇增,使造成空間電荷區(qū)中的載流子數(shù)目劇增,使IsIs突然增大。突然增大。(2 2)熱擊穿(不可逆)熱擊穿(不可逆)反向電壓反向電壓 反向電流反向電流 結(jié)溫結(jié)溫 熱激發(fā)熱激發(fā) 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 照照 明明 技技 術(shù)術(shù)3、PN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng) 在在PN結(jié)內(nèi)的耗盡層中,存在相對(duì)的正負(fù)
16、電荷,根據(jù)外加電壓結(jié)內(nèi)的耗盡層中,存在相對(duì)的正負(fù)電荷,根據(jù)外加電壓能改變耗盡層的寬度,因而電容量也隨之變化,因此能改變耗盡層的寬度,因而電容量也隨之變化,因此PN結(jié)具有結(jié)具有的電容效應(yīng)。的電容效應(yīng)。在突變結(jié)的情況下:在突變結(jié)的情況下:210)1 (VCCj310)1 (VCCj在緩變結(jié)的情況下:在緩變結(jié)的情況下:式中式中C0是無(wú)外加電壓時(shí)耗盡層的電容量。是無(wú)外加電壓時(shí)耗盡層的電容量。 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 照照 明明 技技 術(shù)術(shù)第二節(jié)第二節(jié) 注入載流子的復(fù)合注入載流子的復(fù)合一、復(fù)合的種類一、復(fù)合的種類 復(fù)合分為兩大類,一個(gè)是伴隨光的輻射的復(fù)合復(fù)合分為兩大類,一個(gè)是伴隨光的輻射的復(fù)合(輻射型復(fù)合輻射
17、型復(fù)合);一個(gè)是不伴隨光輻射的復(fù)合一個(gè)是不伴隨光輻射的復(fù)合(非輻射型復(fù)合非輻射型復(fù)合)。前者是由于空穴和。前者是由于空穴和電子的復(fù)合以光能的形式輻射能量,即對(duì)發(fā)光二極管來(lái)說(shuō)是有用電子的復(fù)合以光能的形式輻射能量,即對(duì)發(fā)光二極管來(lái)說(shuō)是有用的復(fù)合,不伴隨光輻射的復(fù)合對(duì)發(fā)光二極管來(lái)說(shuō)是有害的復(fù)合。的復(fù)合,不伴隨光輻射的復(fù)合對(duì)發(fā)光二極管來(lái)說(shuō)是有害的復(fù)合。二、輻射型復(fù)合,二、輻射型復(fù)合, 1、直接躍遷和間接躍遷、直接躍遷和間接躍遷 在導(dǎo)帶底的電子落到滿帶,與空穴復(fù)合時(shí),最初的狀態(tài)和最在導(dǎo)帶底的電子落到滿帶,與空穴復(fù)合時(shí),最初的狀態(tài)和最后的狀態(tài)的能量差以光的形式輻射。分為直接躍遷型和間接躍遷后的狀態(tài)的能量差
18、以光的形式輻射。分為直接躍遷型和間接躍遷型。型。 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 照照 明明 技技 術(shù)術(shù)對(duì)于對(duì)于直接躍遷型輻射直接躍遷型輻射,如果輻射光的頻率為,如果輻射光的頻率為,則:,則:21EEhv對(duì)于對(duì)于間接躍遷型輻射間接躍遷型輻射,如果輻射光的頻率為,如果輻射光的頻率為,則:,則:KEEhv21式中,式中,K K為聲子的能量,也就是晶格振動(dòng)的熱能。為聲子的能量,也就是晶格振動(dòng)的熱能。注:聲子注:聲子就是晶格振動(dòng)的簡(jiǎn)正模就是晶格振動(dòng)的簡(jiǎn)正模能量量子能量量子。 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 照照 明明 技技 術(shù)術(shù)2 2、通過(guò)雜質(zhì)能級(jí)的復(fù)合、通過(guò)雜質(zhì)能級(jí)的復(fù)合 首先含有雜質(zhì)的半導(dǎo)體在常溫附近大部分的雜質(zhì)被離子化首先
19、含有雜質(zhì)的半導(dǎo)體在常溫附近大部分的雜質(zhì)被離子化, ,在空的雜質(zhì)能級(jí)上導(dǎo)帶的電子被俘獲在空的雜質(zhì)能級(jí)上導(dǎo)帶的電子被俘獲;其次,必須使雜質(zhì)的能其次,必須使雜質(zhì)的能級(jí)俘獲的電子再吸收熱能,在回到導(dǎo)帶之前和空穴復(fù)合。級(jí)俘獲的電子再吸收熱能,在回到導(dǎo)帶之前和空穴復(fù)合。3 3、相鄰能級(jí)的復(fù)合、相鄰能級(jí)的復(fù)合 電子的波動(dòng)函數(shù)跨越兩個(gè)能級(jí),引起電子的躍遷,這樣兩電子的波動(dòng)函數(shù)跨越兩個(gè)能級(jí),引起電子的躍遷,這樣兩個(gè)能級(jí)間的能量差以光的形式輻射出來(lái)。個(gè)能級(jí)間的能量差以光的形式輻射出來(lái)。4 4、激子復(fù)合、激子復(fù)合 (1 1)激子:)激子:激子是庫(kù)侖引力束縛在一起的電子激子是庫(kù)侖引力束縛在一起的電子空穴對(duì),也空穴對(duì),
20、也是一種激發(fā)的能量狀態(tài)。自由激子能在晶體內(nèi)部運(yùn)動(dòng),而束縛是一種激發(fā)的能量狀態(tài)。自由激子能在晶體內(nèi)部運(yùn)動(dòng),而束縛激子則可受到施主、受主、等電子陷阱、晶體缺陷激子則可受到施主、受主、等電子陷阱、晶體缺陷等等的束縛。的束縛。 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 照照 明明 技技 術(shù)術(shù) (2 2)在半導(dǎo)體晶體中,除了固定在晶格原子上的電子和能自由)在半導(dǎo)體晶體中,除了固定在晶格原子上的電子和能自由地在晶體中運(yùn)動(dòng)的電子外,還有處于它們中間能量的固定在格子地在晶體中運(yùn)動(dòng)的電子外,還有處于它們中間能量的固定在格子上的電子,這就是上的電子,這就是處于激發(fā)態(tài)的電子處于激發(fā)態(tài)的電子,隨之與空穴產(chǎn)生空穴,隨之與空穴產(chǎn)生空穴電電子對(duì),
21、這個(gè)激子就可因擴(kuò)散而轉(zhuǎn)移到另一個(gè)原子上去。子對(duì),這個(gè)激子就可因擴(kuò)散而轉(zhuǎn)移到另一個(gè)原子上去。這個(gè)帶有這個(gè)帶有能量的電子能量的電子空穴對(duì)由于復(fù)合釋放出能量,以光的形式向外輻射??昭▽?duì)由于復(fù)合釋放出能量,以光的形式向外輻射。(如(如GaPGaP發(fā)紅光、綠光)發(fā)紅光、綠光)三、非輻射型復(fù)合三、非輻射型復(fù)合1 1、階段地放出聲子的復(fù)合、階段地放出聲子的復(fù)合 作為半導(dǎo)體發(fā)光材料,從發(fā)光波長(zhǎng)來(lái)考慮,禁帶寬度必須在作為半導(dǎo)體發(fā)光材料,從發(fā)光波長(zhǎng)來(lái)考慮,禁帶寬度必須在1eV1eV以上,而聲子的能量在以上,而聲子的能量在0.06eV0.06eV左右,導(dǎo)帶的電子落入滿帶時(shí)左右,導(dǎo)帶的電子落入滿帶時(shí), ,電子的能量假
22、如全部生成聲子,則必須有電子的能量假如全部生成聲子,則必須有2020個(gè)以上的聲子生成,個(gè)以上的聲子生成,這么多的聲子同時(shí)生成的概率幾乎等于零。因此,聲子也就階段這么多的聲子同時(shí)生成的概率幾乎等于零。因此,聲子也就階段性地產(chǎn)生。性地產(chǎn)生。 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 照照 明明 技技 術(shù)術(shù)2、俄歇過(guò)程、俄歇過(guò)程 電子能量變換成熱能的過(guò)程稱為電子能量變換成熱能的過(guò)程稱為俄歇過(guò)程。俄歇過(guò)程。它是非輻射型的它是非輻射型的復(fù)合過(guò)程。俄歇過(guò)程是在自由載流子的濃度比較高的情況下和有復(fù)合過(guò)程。俄歇過(guò)程是在自由載流子的濃度比較高的情況下和有晶格缺陷的情況下發(fā)生。晶格缺陷的情況下發(fā)生。3、表面復(fù)合、表面復(fù)合 在晶體表面,可
23、以想象到存在著比內(nèi)部還要多的缺陷,因此,在晶體表面,可以想象到存在著比內(nèi)部還要多的缺陷,因此,在表面引起的各種非輻射性復(fù)合的概率比晶體內(nèi)部還要高。在表面引起的各種非輻射性復(fù)合的概率比晶體內(nèi)部還要高。 發(fā)光二極管的發(fā)光效率、壽命、可靠性都與表面密切相關(guān)。發(fā)光二極管的發(fā)光效率、壽命、可靠性都與表面密切相關(guān)。 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 照照 明明 技技 術(shù)術(shù)第三節(jié)第三節(jié) 輻射與非輻射復(fù)合之間的競(jìng)爭(zhēng)輻射與非輻射復(fù)合之間的競(jìng)爭(zhēng) 少數(shù)載流子既可輻射復(fù)合也可非輻射復(fù)合,二者之間的競(jìng)少數(shù)載流子既可輻射復(fù)合也可非輻射復(fù)合,二者之間的競(jìng)爭(zhēng)決定了發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率。爭(zhēng)決定了發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率。KTEEnNpNLtItiexp110由式可見(jiàn),發(fā)光中心密度大,非輻射復(fù)合中心密度小,發(fā)光中由式可見(jiàn),發(fā)光中心密度大,非輻射復(fù)合中心密度小,發(fā)光中心淺、自由電子密度越大,則內(nèi)量子效率越高。心淺、自由電子密度越大,則內(nèi)量子效率越高。 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 照照 明明 技技 術(shù)術(shù)第四節(jié)第四節(jié) 異質(zhì)結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)構(gòu) 異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)是由兩塊不同帶隙能量的單晶半導(dǎo)體連接而成的。是由兩塊不同帶隙能量的單晶半導(dǎo)體連接而成的。異質(zhì)結(jié)分為同型(異質(zhì)結(jié)分為同型(n-nn-n或或p-pp-p)和異型()和異型(p-np-n)異質(zhì)結(jié)兩種)異質(zhì)結(jié)兩種。理。理想異質(zhì)結(jié)的界面是突
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