半導(dǎo)體led原理ppt課件(已修改)
2025-05-19 12:40 本頁面
【正文】 第四章 光 源 主要內(nèi)容 半導(dǎo)體物理簡介 發(fā)光二極管 (LED) 半導(dǎo)體激光器 (LD) 光源的物理基礎(chǔ) 半導(dǎo)體物理 原子的能級、能帶以及電子躍遷 自發(fā)輻射與受激輻射 半導(dǎo)體本征材料和非本征材料 原子核 電子 高能級 低能級 孤立原子的能級 圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子能量不能任意取值，只能取特定的離 散值 (離散軌道 )，這種現(xiàn)象稱為電子能量的量子化。 電子優(yōu)先搶占低能級 N個原子構(gòu)成晶體時的能級分裂 原 子 間 距電子能量原 子 間 距電子能量原 子 間 距電子能量N 224。 ∞N = 4 N = 9 當(dāng) N 很大時能級 分裂成近似連續(xù) 的能帶 滿帶： 各個能級都被電子填滿的能帶 禁帶： 兩個能帶之間的區(qū)域 —— 其寬度直接決定導(dǎo)電性 能帶的分類 空帶： 所有能級都沒有電子填充的能帶 E滿 帶價 帶空 帶導(dǎo) 帶禁 帶禁 帶價帶： 由最外層價電子能級分裂后形成的能帶 未被電子占滿的價帶稱為 導(dǎo)帶 禁帶的寬度稱為帶隙 導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體 3 ~ 6 e V0 . 1 ~ 2 e V 0 . 1 ~ 2 e V導(dǎo)體： (導(dǎo) )價帶電子 絕緣體： 無價帶電子 禁帶太寬 半導(dǎo)體： 價帶充滿電子 禁帶較窄 外界能量激勵 滿帶電子激勵成為導(dǎo)帶電子 滿帶留下空穴 光作用下的躍遷和輻射 E2 E1 = hv E1 E2 (a) 受激躍遷 hv E1 E2 (b) 自發(fā)輻射：非相干光 hv E1 E2 (c) 受激輻射：相干光 hv hv hv N1：處于低能級的粒子數(shù)量 (價帶電子數(shù) ) N2：處于高能級的粒子數(shù)量 (導(dǎo)帶電子數(shù) /價帶空穴數(shù) ) (1) N1 N2， 正常粒子數(shù)分布 ， 光吸收大于光輻射 。 當(dāng)光通過這種半導(dǎo)體時 ， 光強(qiáng)按指數(shù)衰減 。 (2) N2 N1， 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài) ， 光輻射大于光吸收 。 當(dāng)光通過這種半導(dǎo)體時 ， 會產(chǎn)生放大作用 。 半導(dǎo)體粒子分布狀態(tài) 問題 : 如何得到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài) ? 硅的晶格結(jié)構(gòu) 硅的晶格結(jié)構(gòu) (平面圖 ) 本征半導(dǎo)體材料 Si 電子和空穴是成對出現(xiàn)的 Si電子受到激勵躍遷到導(dǎo)帶，導(dǎo)致電子和空穴成對出現(xiàn) E 此時外加電場，發(fā)生電子 /空穴移動導(dǎo)電 導(dǎo)帶 EC 價帶 EV 電子躍遷 帶隙 Eg = eV 電子態(tài)數(shù)量 空穴態(tài)數(shù)量 電子濃度分布 空穴濃度分布 空穴 電子 本征半導(dǎo)體的能帶圖 電子向?qū)кS遷 空穴向價帶反向躍遷 )2e x p ( TkEnpnBgi ???? ?4/32/32 )()/2(2 heB mmhTk?? ?電子或空隙的濃度為 : 其中 為材料的特征常數(shù) kB 為玻耳茲曼常數(shù) me 電子的有效質(zhì)量 mh 空穴的有效質(zhì)量 本征載流子濃度 例：在 300 K時， GaAs的電子靜止質(zhì)量為 m = 1031 kg， me = = 1032 kg mh = = 1031 kg Eg = eV 可根據(jù)上式得到本征載流子濃度為 1012 m3 As+4 +5 非本征半導(dǎo)體材料： n型 摻入第 V族元素 (如磷 P, 砷 As, 銻 Sb)后，某些電子受到很弱的束 縛，只要很少的能量 DED (~)就能讓它成為自由電子。 這個電離過程稱為雜質(zhì)電離。 施主雜質(zhì) 施主能級 被施主雜質(zhì)束縛住的多余電子所處的能級稱為 施主能級 施主能級位于離導(dǎo)帶很近的禁帶 施主能級上的電子吸收少量的能量 DED后可以躍遷到導(dǎo)帶 施主能級 電子能量 電子濃度分布 空穴濃度分布 施主雜質(zhì)電離使導(dǎo)帶 電子濃度增加 非本征半導(dǎo)體材料： p型 摻入第 III族元素 (如銦 In,鎵 Ga,鋁 Al)，晶體只需要很少的能量 DEA Eg 就可以產(chǎn)生自由空穴 B 受主雜質(zhì) 受主能級 被受主雜質(zhì)束縛的空穴所處的能級稱為 受主能級 受主能級位于靠近價帶 EV的禁帶中 空穴獲得較小的能量 DEA后就能反向躍遷到價帶成為導(dǎo)電空穴 電子濃度分布 空穴濃度分布 受主能級電離使導(dǎo)帶 空穴濃度增加 電子能量 2inpn ?在熱平衡的條件下，對于 (非 )本征半導(dǎo)體，兩種載流子的乘積等于一個常數(shù)： 濃度作用定律 本征材料：電子和空穴總是成對出現(xiàn)
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