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第五章 半导体物理基础复习 深圳大学 光电工程学院 能带 载流子分布的规律 掺杂 能带图及pn结的电流电压特性 载流子的复合与发光 异质结与化合物半导体 双异质结构 量子阱 半导体？ ☆ 导电特性介于导体与绝缘体之间 ☆ 一种晶体 目录 1、晶体结构 半导体是由一种(或几种)原子周期性规则排列而成的晶体材料 晶体的结点其总体称为点阵 过结点可以作许多平行的直线轴—晶向/晶向族,以（XXX）表示 过结点可以作许多平行的面--晶面/晶面族，以{XXX}表示 晶格周期性的最小重复单元称之为原胞。 LD常用的GaAs或InP系列材料的结构是由Ga（In)原子和As(P)原子各自组成的面心立方原胞沿对角线穿插1／4距离而构成的。或者说是每个Ⅲ族原子以四面体形式与四个v族原子键合而成 常用半导体材料的结构 常用半导体材料的特性 GaAs： 垂直于三个晶轴x、y、z的六个平面是等价的{100}晶面（族） 包含Ga原子和As原子的对角平面构成四个等价的{110}晶面（族） 晶胞切割As原子的三角形构成八个等效的{111}晶面（族） {111}面上有排列有原子As或Ga原子之分，故称排列As原子的{111}面为{111}A面，而排列Ga原子的为{111}B面 特性： {110} 晶面之间的面间距最大，原子之间的键合力最弱，最容易沿此晶面断裂开，形成GaAs晶体的自然解理面---半导体激光器理想的谐振腔面 不同晶面（包括{111}A面和{111}B面）具有不同的化学势，不同的化学活泼性。在制造半导体激光器的工艺过程中会影响到化学腐蚀速率和外延生长速率 ---选择性腐蚀 —选择性生长 原子的基本结构 原子： 材料基本性质：由最外层电子决定 原子壳层结构： 原子是由原子核和核外电子构成 ,原子核由正电的质子和中子构成；电子带负电，质量为9.1091x10-28克 基态： 在没有外加激发条件下最外层电子处于原子的能量最低状态 激发态： 在外加激发条件下最外层电子处于原子的能量高能态 图1 半导体的能带结构 半导体的能带 物质性能由最外壳层电子状态决定 单一原子系统最外壳层电子状态：基态—禁止态—激发态 多原子系统—半导体材料—能级分裂成N个—能带价带—禁带—导带 基态 激发态 半导体中的导电粒子 导带电子与价带空穴，特性：均参与导电—载流子 能量空间 物理空间 载流子的等效质量 电子运动规律服从薛定谔方程 在x处发现电子的概率为 E-k曲线---半导体中电子和空穴运动应服从的规律 将所有E-K 都移到了 -?/ak+?/a 区域--- 第一布里渊 区 满足： 能量守恒定律 动量守恒定律 p＝h/?=?k 电子跃迁 热平衡时的载流子分布 本征半导体 热平衡的标志： 统一的费米能级 热平衡时半导体中载流子分布 非热平衡载流子分布 准费米能级 导带准费米能级EFC 价带准费米能级EFv 非热平衡： 加有外力 不再有统一的费米能级 导带和价带近似分别处于热平衡 本征半导体与掺杂半导体 n型掺杂---n型半导体 p型掺杂---p型半导体 本征 掺杂半导体及其能带 n型 p型 重掺杂 n--准费米能级进入导带 p--准费米能级进入价带 回忆：费米能级的物理意义 掺杂方式：替位、间隙 五价 三价 少子？多子？ 载流子的运动与pn结的形成与特性 少子分布？多子分布？ ☆ pn结的形成过程 耗尽区？ ☆ 载流子运动： 扩散运动 漂移运动 ☆ 概念 势垒与势垒高度？ pn结？ 载流子的运动规律---漂移-扩散 机理 若半导体材料中载流子浓度存在空间上的变化，载流子倾向于从高浓度区向低浓度区运动--扩散运动—扩散电流；若存在电场，则载流子在电场力作用下发生移动—漂移运动—漂移电流 Dn：电子的扩散系数；?n：迁移率（cm2／V·s） 扩散电流与电子浓度梯度成正比。它是在有浓度梯度时由载流子的无规则热运动引起的。随着x的增加，电子浓度梯度为正时，电子将向负x方向扩散。此时电流是正的，即电流方向和电子扩散的方向相反 爱因斯坦关系 表征半导体载流子输运的扩散过程和漂移过程的两个重要常数，即扩散系数和迁移率联系在一起，K为波尔兹曼常数 pn结能带图与单向导电特性 正向特性 反向特性 势垒高度 正向偏置V 反向偏置 V-I曲线 正向扩散电流 反向漏电流 VD pn0 np0 载流子的复合与发光 扩散长度L与复合 辐射复合 发光区（有源区） 非辐射复合 正向偏置下载流子的电注入与发光过程 发光区 复合：电子由导带跃迁至价带 空穴并释放相应能量的过程 辐射复合：电子由导带跃迁至价带 空穴并释放相应能量