半导体LED原理课件.ppt

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1、第四章光源主要内容半导体物理简介发光二极管(LED)半导体激光器(LD)4.1光源的物理基础半导体物理原子的能级、能带以及电子跃迁自发辐射与受激辐射半导体本征材料和非本征材料原子核电子高能级低能级孤立原子的能级围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特定的离散值(离散轨道)，这种现象称为电子能量的量子化。电子优先抢占低能级N个原子构成晶体时的能级分裂N=4N=9当N很大时能级分裂成近似连续的能带满带：各个能级都被电子填满的能带禁带：两个能带之间的区域——其宽度直接决定导电性能带的分类空带：所有能级都没有电子填充的能带价带：由最外层价电子能级分裂后形成的能带

2、未被电子占满的价带称为导带禁带的宽度称为带隙导体、绝缘体和半导体导体：(导)价带电子绝缘体：无价带电子禁带太宽半导体：价带充满电子禁带较窄外界能量激励满带电子激励成为导带电子满带留下空穴光作用下的跃迁和辐射E2-E1=hvE1E2(a)受激跃迁hvE1E2(b)自发辐射：非相干光hvE1E2(c)受激辐射：相干光hvhvhvN1：处于低能级的粒子数量(价带电子数)N2：处于高能级的粒子数量(导带电子数/价带空穴数)(1)N1>N2，正常粒子数分布，光吸收大于光辐射。当光通过这种半导体时，光强按指数衰减。(2)N2>N1，粒子数反转状态，光辐射大于光吸收。当光通

3、过这种半导体时，会产生放大作用。半导体粒子分布状态问题:如何得到粒子数反转分布的状态?硅的晶格结构硅的晶格结构(平面图)本征半导体材料Si电子和空穴是成对出现的Si电子受到激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对出现E此时外加电场，发生电子/空穴移动导电导带EC价带EV电子跃迁带隙Eg=1.1eV电子态数量空穴态数量电子浓度分布空穴浓度分布空穴电子本征半导体的能带图电子向导带跃迁空穴向价带反向跃迁电子或空隙的浓度为:其中为材料的特征常数kB为玻耳兹曼常数me电子的有效质量mh空穴的有效质量本征载流子浓度例：在300K时，GaAs的电子静止质量为m=9.11×10-3

4、1kg，me=0.068m=6.19×10-32kgmh=0.56m=5.1×10-31kgEg=1.42eV可根据上式得到本征载流子浓度为2.62×1012m-3As+4As+5非本征半导体材料：n型掺入第V族元素(如磷P,砷As,锑Sb)后，某些电子受到很弱的束缚，只要很少的能量DED(0.04~0.05eV)就能让它成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。施主杂质施主能级被施主杂质束缚住的多余电子所处的能级称为施主能级施主能级位于离导带很近的禁带施主能级上的电子吸收少量的能量DED后可以跃迁到导带施主能级电子能量电子浓度分布空穴浓度分布施主杂质电离使导带

5、电子浓度增加非本征半导体材料：p型掺入第III族元素(如铟In,镓Ga,铝Al)，晶体只需要很少的能量DEA

6、流子：n型半导体中的空穴或者p型半导体中的电子pn结U电势2.内建电场的驱动导致载流子做反向漂移运动n型p型耗尽层1.浓度的差别导致载流子的扩散运动反向偏压使耗尽区加宽扩散运动被抑制，只存在少数载流子的漂移运动Un型p型耗尽层耗尽层正向偏压使耗尽区变窄扩散>漂移Un型p型耗尽层耗尽层电致发光正向偏压使pn节形成一个增益区：-导带主要是电子，价带主要是空穴，实现了粒子数反转-大量的导带电子和价带的空穴复合，产生自发辐射光pn外加正偏压注入载流子粒子数反转载流子复合发光hv直接带隙：导带的最低位置位于价带最高位置的正上方；电子空隙复合伴随光子的发射。III-

7、V族元素的合金，典型的如GaAs等。间接带隙：导带的最低位置不位于价带最高位置的正上方；电子空隙复合需要声子的参与，声子振动导致热能，降低了发光量子效率。发光材料的选择例子：光源硅集成还在探索中Luxtera4×10-Gb/s光收发器照片主要内容半导体物理简介发光二极管(LED)半导体激光器(LD)4.2发光二极管(LED)原理：外加电场实现粒子数反转，大量电子-空穴对的自发复合导致发光为什么要使用LED：1.驱动电路简单2.不需要温控电路3.成本低、产量高缺点：4.输出功率不高：几个毫瓦5.谱宽很宽：几十个纳米到上百纳米应用场合：短距离传输同质pn结存在的问

8、题：增益区太厚(1~10mm)，很难把