半导体发光材料及器件.ppt

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1、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。1.0概述1.1半导体及半导体发光基础1.2半导体发光材料1.3发光二极管1.4半导体激光器第1章半导体发光材料及器件1.0概述应用领域：信息显示光纤通信固态照明国防元素半导体：Si，Ge（IV族）III-V族半导体：GaAs,InP化合物半导体II-VI族半导体：ZnSIV

2、-IV族半导体：SiC1、半导体的种类固体材料的种类:(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)整个晶体中排列有序不存在长程有序或几个尺度内有序在小区域内完全有序无定形（非晶）多晶单晶2、晶体结构应用无定形硅薄膜--加工液晶显示器多晶硅-----太阳能电池单晶硅-电子器件集成电路制造6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。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

3、晶格点上。7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半导体有:元素半导体如Si、Ge金刚石结构3、常见晶体结构化合物半导体:GaAs、InP、ZnS闪锌矿结构金刚石型VS闪锌矿型纤锌矿结构六方晶系简单六方格子与纤锌矿结构同类的晶体：BeO、ZnO、AlNS2-六方紧密堆积排列Zn2+填充在四面体空隙中，只占据了1/2+14n=3四个电子n=28个电子n=12个电子SiH孤立原子中的电子：能级是量子化的。1、能带1.1半导体及半导体发光基础1.1.1半导体物理基础电子不仅可

4、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。晶体中的电子特点：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

5、由移动的能带。禁带宽度：单位是能量单位：eV（电子伏特）。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。15金属（导体）、半导体、绝缘体能带示意图半导体：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。硅1.12eV锗0.67eV砷化镓1.42eV16金属（导体）、半导体、绝缘体能带示意图绝缘体：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

6、导电。3~6eV172、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。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。19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-空穴对。因此，本征半导体中的电子浓度与空穴浓度相等。3、本征半导体和非本征半导体（1）本征

7、半导体热平衡条件下的浓度定律：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。（2）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。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

8、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22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。1）N型半导体准自由电子23准自由电子磷原子成为1个带有1个正电荷的磷离子(P