第10讲_5-4半导体物理II半导体的物理效应ppt课件.ppt

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1、第5章导电物理本章将介绍金属材料和半导体材料（也包括半导体陶瓷）的导电机制，着重从能带结构的角度分析材料的导电行为。本章还介绍了利用材料的导电物理特性制得的一些功能材料，例如p-n结、晶体管等。本章提要5.1概述5.2材料的导电性能5.4半导体物理5.3金属电导5.5超导物理2个学时4个学时4个学时第5章导电物理2个学时10个学时5.4半导体物理5.4.1半导体与p-n结5.4.2半导体的物理效应5.4.3能带理论在半导体中的应用5.4.4半导体陶瓷的缺陷化学理论基础2个学时2个学时2个学时4个学时5.4.2半导体的物理效应5.

2、4.2.1余辉效应5.4.2.1发光二极管5.4.2.1激光二极管5.4.2.1光伏特效应5.4.2.1余辉效应价带的电子受到入射光子的激发后，会跃过禁带进入导带。如果导带上的这些被激发的电子又跃迁回到价带时，会以放出光子的形式来释放能量，这就是光致发光效应，也称为荧光效应。光致发光效应图5.18荧光产生原理(a)没有禁带的金属;(b)有禁带的半导体光致发光现象不会在金属中产生。因为在金属中，价带没有充满电子，低能级的电子只会激发到同一价带的高能级。在同一价带内，电子从高能级跃迁回到低能级，所释放的能量太小，产生的光子的波长太长

3、，远远超过可见光的波长。在某些陶瓷和半导体中，价带和导带之间的禁带宽度不大不小，所以被激发的电子从导带跃过禁带回到价带时释放的光子波长刚好在可见光波段。这样的材料称为荧光材料。日光灯灯管的内壁涂有荧光物质。管内的汞蒸气在电场作用下发出紫外线，这些紫外线轰击在荧光物质上使其发光。关掉电源后荧光物质便不再发光。如果荧光材料中含有一些微量杂质，且这些杂质的能级位于禁带内，相当于陷阱能级(Ed)，从价带被激发的电子进入导带后，又会掉入这些陷阱能级。因为这些被陷阱能级所捕获的激发电子必须首先脱离陷阱能级进入导带后才能跃迁回到价带，所以它们

4、被入射光子激发后，需要延迟一段时间才会发光，出现了所谓的余辉现象。余辉现象余辉时间取决于这些陷阱能级与导带之间的能级差，即陷阱能级深度。因为在一定温度下，处于较深的陷阱能级上的电子被热重新激发到导带的几率较小，或者电子进入导带后又落入其他陷阱能级（发生多次捕获），这些情况都使余辉时间变长，也就是使发光的衰减很慢。余辉时间图5.19余辉产生原理荧光材料电视机显示屏所用的荧光材料夜光材料ZnS∶CuSrAl2O4∶Eu,Dy图5.20SrAl2O4∶Eu,Dy长余辉材料的发光原理5.4.2.2发光二极管余辉效应是入射光引起的半导体发

5、光现象，而发光二极管则是电场引起的半导体发光现象。图5.21注入发光能带图(a)平衡p-n结;(b)正偏注入发光在正向偏压的作用下，p-n结势垒降低，势垒区内建电场也相应减弱，载流子也会在正向偏压的作用下发生扩散。n型半导体区内的多数载流子电子扩散到p型半导体区，同时p型半导体区内的多数载流子空穴扩散到n型半导体区。这些注入到p区的载流子电子和注入到n区的载流子空穴都是非平衡的少数载流子。这些非平衡的少数载流子不断与多数载流子复合而发光，这就是半导体p-n结发光的原理。半导体p-n结发光的原理导致发光的能级跃迁除了可以在导带与

6、价带这样的带与带之间（称为本征跃迁）发生外，还可以在杂质能级与带之间、杂质能级之间（称为非本征跃迁）发生。图5.22材料发光与能级跃迁导带上的电子还会以热量的形式释放出一部分能量后掉入杂质能级，然后再向价带跃迁。这种跃迁称为间接跃迁，其能量小于禁带宽度。间接跃迁可以有4种类型。图5.23发光二级管的发光颜色与材料成分的关系能级跃迁所产生的光子并不能够全部传到半导体材料的外部来。因为从发光区发出的光子不仅在通过半导体材料时有可能被再吸收，而且在半导体的表面处很可能发生全发射而返回到半导体材料内部。为了避免这种现象，可以将半导体材料

7、表面制成球面，并使发光区域处于球心位置。5.4.2.3激光二极管处于低能级的电子吸收一个入射光子后，从低能级被激发到高能级，这个过程称为光吸收。当电子从高能级跃迁回到低能级时，会辐射放出一个光子，这种辐射称为自发辐射。除了自发辐射外，还有一种受激辐射。在受激辐射过程中，处于高能级的电子受到入射光子的作用，跃迁到低能级，并辐射放出一个与入射光子在频率、位相、传播方向、偏振状态等各方面完全相同的光子。当注入光子时，自发辐射与受激辐射这两种过程究竟哪一种占主导地位，取决于处于高能级上和处于低能级上的电子数量之比。如果处于高能级上的电子

8、数大于处于低能级上的电子数，受激辐射就会超过光吸收产生的自发辐射，就会导致激光的产生。高浓度掺杂的p-n结制成的激光二极管对于高浓度掺杂的半导体p-n结，由于杂质浓度很高，n型区内来自杂质能级的载流子电子非常多，费密能级位于导带之中。另外，p型区的价带中的载流子