第一篇：實(shí)驗(yàn)六 半導(dǎo)體發(fā)光器件的電致發(fā)光測量1

實(shí)驗(yàn)六 半導(dǎo)體發(fā)光器件的電致發(fā)光測量 081190088 楊靜

一． 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與目的

（1）了解半導(dǎo)體發(fā)光材料電致發(fā)光的基本概念。

（2）了解并掌握半導(dǎo)體顯微探針測試臺、光纖光譜儀的使用。（3）掌握半導(dǎo)體發(fā)光材料電致發(fā)光特性的測量方法。

二． 實(shí)驗(yàn)原理概述 1．輻射躍遷

半導(dǎo)體材料受到某種激發(fā)時，電子產(chǎn)生由低能級向高能級的躍遷，形成非平衡載流子。這種處于激發(fā)態(tài)的電子在半導(dǎo)體中運(yùn)動一段時間后，又回到較低的能量狀態(tài)，并發(fā)生電子—空穴對的復(fù)合。復(fù)合過程中，電子以不同的形式釋放出多余的能量。如躍遷過程伴隨著放出光子，這種躍遷成為輻射躍遷。作為半導(dǎo)體發(fā)光材料，必須是輻射躍遷占優(yōu)勢。

導(dǎo)帶的電子躍遷到價帶，與價帶空穴相復(fù)合，伴隨的光子發(fā)射，稱為本征躍遷。顯然這種帶與帶之間的電子躍遷所引起的發(fā)光過程，是本征吸收的逆過程。對于直接帶隙半導(dǎo)體，導(dǎo)帶與價帶極值都在k空間原點(diǎn)，本征躍遷為直接躍遷。由于直接躍遷的發(fā)光過程只涉及一個電子—空穴對和一個光子，其輻射效率較高。間接帶隙半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶與價帶極值對應(yīng)于不同的波矢k，這時發(fā)生的帶與帶之間的躍遷是間接躍遷。在間接躍遷過程中，除了發(fā)射光子外，還有聲子參與。因此，這種躍遷比直接躍遷的幾率小的多，發(fā)光比較微弱。

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如果將雜質(zhì)摻入半導(dǎo)體，則會在帶隙中產(chǎn)生施主及受主的能級，因此又可能產(chǎn)生不同的復(fù)合而發(fā)光。電子從導(dǎo)帶躍遷到雜質(zhì)能級，或雜質(zhì)能級上的電子躍遷入價帶，或電子在雜質(zhì)能級間的躍遷都可以引起發(fā)光，這類躍遷稱為非本征躍遷。間接帶隙半導(dǎo)體本征躍遷幾率較小，非本征躍遷起主要作用。施主與受主之間的躍遷效率較高，多數(shù)發(fā)光二極管屬于這種躍遷機(jī)理。在施主—受主對的復(fù)合中，過剩電子、空穴先分別被電離的施主和受主看成點(diǎn)電荷，把晶體看作連續(xù)介質(zhì)，施主與受主之間的庫倫作用力使受基態(tài)能量增大，其增量與施主—受主雜質(zhì)間距離r成正比，所發(fā)射的光子能量為：

ην＝E－(E+E)＋

gq2DA4πεε0r

式中ED和EA分別為施主和受主的電離能，ε是晶體的低頻介電常數(shù)。對簡單的替位施主和受主雜質(zhì)，r只能取一系列的不連續(xù)值，因此，施主—受主復(fù)合發(fā)光是一系列分離譜線，隨著r的增大，成為一發(fā)射帶。

2.電致發(fā)光

根據(jù)不同的激發(fā)過程，可以有各種發(fā)光過程，如：光致發(fā)光、陰極發(fā)光、電致發(fā)光等。

半導(dǎo)體的電致發(fā)光（EL），也稱場致發(fā)光，是由電流（電場）激發(fā)載流子，將電能直接轉(zhuǎn)變成光能的過程。EL包括低場注入型發(fā)光和高場電致發(fā)光。前者是發(fā)光二極管（LED）和半導(dǎo)體激光器的基礎(chǔ)。本實(shí)驗(yàn)只涉及這類EL譜的測量。

發(fā)光二極管是通過電光轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)發(fā)光的光電子器件，是主要的半[鍵入文字]

導(dǎo)體發(fā)光器件之一，具有廣泛的應(yīng)用，如各類顯示、數(shù)據(jù)通訊等。特別是通過白色發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)固體照明，不僅可以節(jié)省能源、減少污染，而且體積小、壽命長，因此固態(tài)照明已被全世界重視。

所有商用LED都具有P-N結(jié)結(jié)構(gòu)，因此以P-N結(jié)的發(fā)光為例來說明注入發(fā)光機(jī)制。P型半導(dǎo)體是摻雜了受主雜質(zhì)，而N型則是摻雜了施主雜質(zhì)，將兩種材料放在一起，即得到P-N結(jié)。N型半導(dǎo)體中產(chǎn)生電子，P型半導(dǎo)體中產(chǎn)生空穴，在其中間產(chǎn)生耗盡層。P-N結(jié)處于平衡時，存在一定的勢壘區(qū)，場也相應(yīng)地減弱。這樣繼續(xù)發(fā)生載流子的擴(kuò)散，即電子由N區(qū)注入P區(qū)，同時空穴由P區(qū)注入到N區(qū)。進(jìn)入P區(qū)的電子和進(jìn)入N區(qū)的空穴都是非平衡少數(shù)載流子。這些非平衡少數(shù)載流子不斷與多數(shù)載流子復(fù)合而發(fā)光。

如果采用異質(zhì)結(jié)，發(fā)光效率可以得到顯著的提高。由寬帶隙半導(dǎo)體材料隔開的中間發(fā)光區(qū)，兩種類型的過剩載流子從兩側(cè)注入并被限制在同一區(qū)域，過剩載流子數(shù)目顯著提高。隨著載流子濃度的提高，輻射壽命縮短，導(dǎo)致更為有效的輻射復(fù)合。如果中間有源區(qū)域減小到10nm或更小就形成量子阱，由于其厚度與德布羅意波長相近，量子力學(xué)效應(yīng)出現(xiàn)，載流子狀態(tài)密度變得更高，從而可以獲得更高的發(fā)光效率。這是目前商用LED的實(shí)際結(jié)構(gòu)。

電致發(fā)光譜的測量系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與光致發(fā)光測量裝置類似，主要區(qū)別是用高溫定度直流電源代替了光致發(fā)光譜測量中所用的激發(fā)光源。針對半導(dǎo)體發(fā)光器件的電致發(fā)光的測量中，電源與發(fā)光器件的連接通常在探針測試臺上進(jìn)行，由金屬微探針壓在發(fā)光器件上預(yù)制的[鍵入文字]

電擊表面形成歐姆接觸，使直流電源輸出的電壓和電流無損耗地加到被測器件上。

本實(shí)驗(yàn)的光譜測量采用微型光纖光譜儀。這類光譜儀具有體積小、即插即用、檢測速度快、配置靈活、操作方便等特點(diǎn)。USB接口的微型光纖光譜儀內(nèi)置了先進(jìn)的探測器和強(qiáng)大的高速電路系統(tǒng)，與掃描式單色儀相比，由于采用了線性探測器陣列，不需要轉(zhuǎn)動光柵來工作，光柵永久固定，保證了性能的長期穩(wěn)定，并能夠?qū)崿F(xiàn)高速檢測，配合電子快門，全譜測量的最短積分時間可達(dá)到數(shù)毫秒。

三．實(shí)驗(yàn)方法與步驟 實(shí)驗(yàn)儀器與材料

手動式半導(dǎo)體顯微探針測試臺：1臺 探針座：2只 探針：2根

石英光纖（SMA905接頭）：1根 鹵鎢燈光源（SMA905接頭）：1臺 高精度直流電源：1臺 微型光纖光譜儀：1臺 微型計(jì)算機(jī)：1臺

InGaN或AlGaAs LED芯片：若干

實(shí)驗(yàn)方法與操作步驟

（一）測試系統(tǒng)的連接與調(diào)整

1.用石英光纖連接探針測試臺上光收集單元與鹵鎢燈光源，開啟[鍵入文字]

鹵鎢燈光源，根據(jù)被測樣品在載物臺上的實(shí)際位置調(diào)整探針測試臺上光收集單元的位置與方向，使其出射光斑（定位光斑）照射于顯微鏡視野可及的區(qū)域，作為實(shí)際的測試點(diǎn)位置。

2.以導(dǎo)線連接探針座電極與直流電源輸出端。開啟直流電源，根據(jù)需要調(diào)整限流電流（如為100mA）。

3.將被測LED芯片放置于載物臺上，覆蓋其上的吸附孔。開啟真空泵和真空閥門開光，使芯片被穩(wěn)固地吸附于載物臺表面上。通過載物臺平移機(jī)構(gòu)將芯片移動到定位光斑位置。

4.關(guān)閉鹵鎢燈光源。將石英光纖連接鹵鎢燈光源端改接到微型光纖光譜儀的輸入端口。用USB連接線連接微型光纖光譜儀與計(jì)算機(jī)。開啟光譜儀電源。啟動計(jì)算機(jī)。啟動光譜儀控制程序。

（二）探針與電極的連接

1.調(diào)節(jié)顯微鏡的倍率，以能夠清楚觀察探針尖端及LED芯片上電極為度。

2.使用載物臺上X軸/Y軸平移機(jī)構(gòu)移動載物平臺，將待測電極移動至顯微鏡視野中央。

3.待測點(diǎn)位置確認(rèn)好后，再調(diào)節(jié)探針座位置，將探針裝上后可先通過眼視將探針移到接近待測點(diǎn)的位置旁，再使用探針座上下左右三個旋鈕，慢慢的通過顯微鏡觀察將探針移至測試點(diǎn)，此時動作一定要小心，以防動作太大而碰上到芯片，將探針針尖輕觸或稍微懸空到待測電極上。（滑動探針可以電極上留下劃痕，視為接觸）

4.調(diào)節(jié)探針座的Z軸旋鈕使探針尖扎在待測電極上，確保針尖和[鍵入文字]

電極良好接觸。則可以通過連接的測試設(shè)備開始測試。

（三）電致發(fā)光的測量

1.調(diào)節(jié)直流電壓電源的輸出電壓V(0-4V)，記錄直流電壓源的輸出電流（驅(qū)動電流）I，繪制LED芯片的I-V曲線。

2.通過微型光纖光譜儀測量與一組預(yù)定的驅(qū)動電流值對應(yīng)的LED的電致發(fā)光譜，繪制光譜曲線。

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3.根據(jù)電致發(fā)光譜計(jì)算出發(fā)光峰的面積，繪制發(fā)光峰面積-驅(qū)動電流曲線。

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四．思考與討論

（1）試舉出幾種典型的電致發(fā)光器件，并進(jìn)行簡要說明。

答：①交流電致發(fā)光顯示。它是將電致發(fā)光粉ZnS:CuCl或（ZnCd）S:CuBr混合在環(huán)氧樹脂和氰乙基醣的混合物的有機(jī)介質(zhì)中，兩端夾有電極，其中一個為透明電極。另一個是真空蒸鍍鋁或銀電極，構(gòu)成一個EL。

②高場薄膜電致發(fā)光（TFEL）。目前的ACTFEL多采用雙絕緣層ZnS:Mn薄膜結(jié)構(gòu)。器件由三層組成，發(fā)光層夾在兩絕緣層間，起消除漏電流與避免擊穿的作用。摻不同雜質(zhì)則發(fā)不同的光，其中摻Mn的發(fā)光效率最高，加200V，5000Hz電壓時，亮度高達(dá)5000cd/m2。ACTFEL具有記憶效應(yīng)，通常室內(nèi)光照度下，記憶可維持幾分鐘，在黑暗中可保持十幾個小時。

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③有機(jī)發(fā)光顯示器（OLED）又稱有機(jī)EL，是以有機(jī)薄膜作為發(fā)光體的自發(fā)光顯示器件。它是固體自發(fā)光器件，可適應(yīng)惡劣工作環(huán)境；它響應(yīng)時間短、發(fā)光效率高、視角寬、對比度高；它可在5V~10V的低電壓下工作，功耗低，工藝簡單；制造成本低、有機(jī)發(fā)光材料眾多、覆蓋發(fā)光光譜從紅外到紫外，適合全彩色顯示；價廉、易于大規(guī)模生產(chǎn)；OLED的生產(chǎn)更近似于精細(xì)化工產(chǎn)品，可在塑料、樹脂等不同的材質(zhì)上生產(chǎn)，產(chǎn)品的機(jī)械性能好，不僅可以制造出筆記本電腦、臺式機(jī)適用的顯示器，還有可能創(chuàng)造出墻壁大小的屏幕、可以彎曲折疊的屏幕。人們預(yù)言，隨著規(guī)模量產(chǎn)的到來，OLED可以比LCD成本低20%。

（2）介紹幾種發(fā)光二極管在日常生活中的應(yīng)用。

答：發(fā)光二極管是一種把電能直接轉(zhuǎn)換為光能的固體發(fā)光器件。它以體積小、耗電低、響應(yīng)速度快、亮度調(diào)整靈活、使用壽命長、穩(wěn)定性好、抗震性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)和家用電器等設(shè)備上。具體應(yīng)用有：①指示用電源。在不需要高亮度的場所，可采用發(fā)光二極管作指示電源。例如示波器的標(biāo)尺照明、收音機(jī)的刻度照明、十字路口的信號指示燈等。②電壓越限報(bào)警。利用發(fā)光二極管和穩(wěn)壓二極管的直流上下限報(bào)警。③發(fā)光二極管作光電開關(guān)的光輻射源。光電開關(guān)是以光輻射驅(qū)動的電子開關(guān)，當(dāng)一定強(qiáng)度的光輻射到其中的光敏器件上時，會產(chǎn)生開關(guān)作用。驅(qū)動光電開關(guān)的輻射，可以是可見光，也可以是非可見光，可以用不同類型的發(fā)光二極管充任。④閃光電路。發(fā)光二極管的閃光電路組成是將兩只發(fā)光二極管接在多諧振振蕩器的[鍵入文字]

集電極電路中。這樣，當(dāng)多諧振振蕩器工作時，T1和T2交替導(dǎo)通，LED1和LED2交替發(fā)出閃光信號。

（3）比較發(fā)光二極管與光電二極管的工作原理，設(shè)計(jì)一個由發(fā)光二極管和光電二極管組成的運(yùn)動感知機(jī)構(gòu)。

答：光電二極管，即可將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。我們在捕獲系統(tǒng)上安裝光電二極管，將捕捉到的運(yùn)動信息經(jīng)過一定的處理變成計(jì)算機(jī)可以識別的電信號。然后再利用發(fā)光二極管，將電信號重新讀取并在顯示設(shè)備上還原成光信號，比如我們可以在屏幕上重現(xiàn)運(yùn)動的影響和運(yùn)動過程，這樣就實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動感知。

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第二篇：說課稿-半導(dǎo)體器件

尊敬的各位領(lǐng)導(dǎo)、各位老師下午好，我今天說課的題目是：平衡PN結(jié)

一、分析教材

首先我對本節(jié)的教材內(nèi)容進(jìn)行分析：

《半導(dǎo)體器件物理》是應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)的一門重要專業(yè)方向課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠結(jié)合各種半導(dǎo)體的物理效應(yīng)掌握常用和特殊半導(dǎo)體器件的工作原理，從物理角度深入了解各種半導(dǎo)體器件的基本規(guī)律。PN結(jié)是構(gòu)成各類半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)，如雙極型晶體管、結(jié)型場效應(yīng)晶體管、可控硅等，都是由PN結(jié)構(gòu)成的。PN結(jié)的性質(zhì)集中反映了半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的特點(diǎn)，如存在兩種載流子、載流子有漂移運(yùn)動、擴(kuò)散運(yùn)動、產(chǎn)生與復(fù)合三種基本運(yùn)動形式等。獲得在本課程領(lǐng)域內(nèi)分析和處理一些最基本問題的初步能力，為進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)和獨(dú)立解決實(shí)際工作中的有關(guān)問題奠定一定的基礎(chǔ)。

根據(jù)以上分析，結(jié)合本節(jié)教學(xué)要求，再聯(lián)系學(xué)生實(shí)際，我確立了以下教學(xué)目標(biāo)：

1、知識目標(biāo)

(1)了解PN結(jié)的結(jié)構(gòu)、制備方法；

(2)掌握平衡PN結(jié)的空間電荷區(qū)和能帶圖；

(3)掌握平衡PN結(jié)的載流子濃度分布。

2、能力目標(biāo)

(1)通過典型圖例，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行觀察和認(rèn)識PN結(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的觀察現(xiàn)象、分析問題以及理論聯(lián)系實(shí)際的能力；

(2)指導(dǎo)學(xué)生自己分析，借助教材和圖例，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力以及通過實(shí)驗(yàn)研究問題的習(xí)慣；

3、情感目標(biāo)

(1)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)半導(dǎo)體器件物理的興趣，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生對本專業(yè)熱愛的激情；

(2)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度。

考慮到一方面學(xué)生的文化基礎(chǔ)比較薄弱，綜合解決問題的能力有待提高，另一方面，對于高職類學(xué)校的學(xué)生而言，要求有較強(qiáng)的動手能力，我把教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)設(shè)置如下：

1、教學(xué)重點(diǎn)

平衡p–n結(jié)空間電荷區(qū)的形成；平衡p–n結(jié)的能帶圖

2、教學(xué)難點(diǎn)

平衡p–n結(jié)中載流子的分布

二、說教法

興趣是推動學(xué)生求知欲的強(qiáng)大動力，在教學(xué)中把握學(xué)生好奇心的特點(diǎn)至關(guān)重要。另一方面，在教學(xué)課堂中，不僅要求傳授書本的理論知識，更要注重培養(yǎng)學(xué)生的思維判斷能力、依據(jù)理論解決實(shí)際問題的能力以及自學(xué)探索的能力。據(jù)此，我準(zhǔn)備以演示法和引導(dǎo)式教學(xué)為主，遵循學(xué)生為學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)的原則，通過講授理論知識，使學(xué)生獲得必要的感性認(rèn)識，讓疑問激起他們的學(xué)習(xí)研究興趣，然后再引導(dǎo)學(xué)生掌握必要的基礎(chǔ)知識，最后在開放的課堂上提供學(xué)生進(jìn)一步研究的機(jī)會，滿足他們的好奇心，開發(fā)他們的創(chuàng)新潛力。

三、說學(xué)法

學(xué)生是教學(xué)活動的主體，教學(xué)活動中要注意學(xué)生學(xué)法的指導(dǎo)，使學(xué)生從“學(xué)會”轉(zhuǎn)化為“會學(xué)”。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，本節(jié)采用觀察、分析的學(xué)習(xí)方法，在做好演示圖例的同時，引導(dǎo)學(xué)生合作討論，進(jìn)而獲取知識。

另外，在教學(xué)過程中，我還會鼓勵學(xué)生運(yùn)用探究性的學(xué)習(xí)方法，培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)、探究、解決問題的能力。

四、說教學(xué)過程

為了完成教學(xué)目標(biāo)，解決教學(xué)重點(diǎn)，突破教學(xué)難點(diǎn)，課堂教學(xué)我準(zhǔn)備按以下幾個環(huán)節(jié)展開：

1、新課導(dǎo)入

通過半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)，分析了P型和N型半導(dǎo)體中的載流子濃度分布和運(yùn)動情況，如果將P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，在二者的交界處就形成了PN結(jié)。首先學(xué)習(xí)PN結(jié)。引出問題：什么是PN結(jié)？

設(shè)計(jì)意圖：通過問題的提出，引導(dǎo)學(xué)生形成對所學(xué)事物的輪廓，豐富他們的感性認(rèn)識，吸引學(xué)生的注意力和好奇心。

2、講解新課

通過講解在本征半導(dǎo)體中參入不同雜質(zhì)，引出半導(dǎo)體的一個特殊結(jié)構(gòu)：PN結(jié)。

(1)講解PN結(jié)

用圖示演示PN結(jié)的基本結(jié)構(gòu)，兩種不同類型的半導(dǎo)體：P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體。為了加深學(xué)生的理解，可以采用情景教學(xué)的方式，讓學(xué)生在輕松有趣的互動游戲中掌握枯燥的概念。

(2)平衡PN結(jié)的空間電荷區(qū)和能帶圖

通過圖例展示，教師講解平衡PN結(jié)空間電荷區(qū)的形成和能帶圖，然后讓學(xué)生復(fù)述，傾聽學(xué)生自己的理解，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析，講解各名詞的概念：擴(kuò)散、漂移、空間電荷區(qū)、自建電場、勢壘、勢壘區(qū)。

(3)平衡PN結(jié)的接觸電勢差

由此，也進(jìn)一步引出N區(qū)和P區(qū)之間存在電勢差，稱為PN結(jié)的接觸電勢差。給出n區(qū)電子濃度、p區(qū)空穴濃度的公式，引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)接觸電勢差。

(4)平衡PN結(jié)的載流子濃度分布

通過圖示回顧上課過程中提到的空間電荷區(qū)、自建電場、擴(kuò)散、漂移、載流子的耗盡等概念，總結(jié)平衡PN結(jié)的載流子濃度分布并給出示意圖。

3、歸納總結(jié)，布置作業(yè)

設(shè)計(jì)問題，由學(xué)生回答問題,通過設(shè)問回答補(bǔ)充的方式小結(jié)，學(xué)生自主回答三個問題，教師關(guān)注全體學(xué)生對本節(jié)課知識的掌握程度，學(xué)生是否愿意表達(dá)自己的觀點(diǎn)。

(1)什么是PN結(jié)？

(2)PN結(jié)的制備方法有哪些？

(3)平衡PN結(jié)的空間電荷區(qū)是如何形成的？

(4)平衡PN結(jié)的能帶圖中費(fèi)米能級的作用？

(5)平衡PN結(jié)接觸電勢差的推導(dǎo)過程？

設(shè)計(jì)意圖：通過提問方式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行小結(jié)，養(yǎng)成學(xué)習(xí)——總結(jié)——再學(xué)習(xí)的良好習(xí)慣，發(fā)揮自我評價作用，同時可培養(yǎng)學(xué)生的語言表達(dá)能力。作業(yè)分層要求，做到面向全體學(xué)生，給基礎(chǔ)好的學(xué)生充分的空間，滿足他們的求知欲。

五、板書設(shè)計(jì)

采用三欄式

以上，我從教材、教法、學(xué)法、教學(xué)過程和板書設(shè)計(jì)五個方面對本課進(jìn)行了說明，我的說課到此結(jié)束，謝謝各位評委老師。

第三篇：常用半導(dǎo)體器件教案

第一章

常用半導(dǎo)體器件

1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

1.1.1 本征半導(dǎo)體

一、半導(dǎo)體

1． 概念：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。2． 本征半導(dǎo)體：純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。

二、本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)（圖1.1.1）

1． 晶格：晶體中的原子在空間形成排列整齊的點(diǎn)陣。2． 共價鍵

三、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子（圖1.1.2）

1． 本征激發(fā)：在熱激發(fā)下產(chǎn)生自由電子和空穴對的現(xiàn)象。2． 空穴：講解其導(dǎo)電方式； 3． 自由電子

4． 復(fù)合：自由電子與空穴相遇，相互消失。5． 載流子：運(yùn)載電荷的粒子。

四、本征半導(dǎo)體中載流子的濃度

1． 動態(tài)平衡：載流子濃度在一定溫度下，保持一定。2． 載流子濃度公式：

ni?pi?K1T3/2e?EGO/(2kT)

自由電子、空穴濃度（cm?5－

3），T為熱力學(xué)溫度，k為波耳茲曼常數(shù)（8.63?10eV/K），EGO為熱力學(xué)零度時破壞共價鍵所需的能量（eV），又稱禁帶寬度，K1是與半導(dǎo)體材料載流子有效質(zhì)量、有效能級密度有關(guān)的常量。

1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體

一、概念：通過擴(kuò)散工藝，摻入了少量合適的雜質(zhì)元素的半導(dǎo)體。

二、N型半導(dǎo)體（圖1.1.3）

1． 形成：摻入少量的磷。2． 多數(shù)載流子：自由電子 3． 少數(shù)載流子：空穴

4． 施主原子：提供電子的雜質(zhì)原子。

三、P型半導(dǎo)體（圖1.1.4）

1． 形成：摻入少量的硼。2． 多數(shù)載流子：空穴 3． 少數(shù)載流子：自由電子

4． 受主原子：雜質(zhì)原子中的空穴吸收電子。

5． 濃度：多子濃度近似等于所摻雜原子的濃度，而少子的濃度低，由本征激發(fā)形成，對溫度敏感，影響半導(dǎo)體的性能。

1.1.3 PN結(jié)

一、PN結(jié)的形成（圖1.1.5）

1． 擴(kuò)散運(yùn)動：多子從濃度高的地方向濃度低的地方運(yùn)動。2． 空間電荷區(qū)、耗盡層（忽視其中載流子的存在）3． 漂移運(yùn)動：少子在電場力的作用下的運(yùn)動。在一定條件下，其與擴(kuò)散運(yùn)動動態(tài)平衡。4． 對稱結(jié)、不對稱結(jié)：外部特性相同。

二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

1． PN結(jié)外加正向電壓：導(dǎo)通狀態(tài)（圖1.1.6）正向接法、正向偏置，電阻R的作用。（解釋為什么Uho與PN結(jié)導(dǎo)通時所表現(xiàn)的外部電壓相反：PN結(jié)的外部電壓為U即平時的0.7V，而內(nèi)電場的電壓并不對PN結(jié)的外部電壓產(chǎn)生影響。）

2． PN結(jié)外加反向電壓：截止?fàn)顟B(tài)（圖1.1.7）反向電壓、反向偏置、反向接法。形成漂移電流。

三、PN結(jié)的電流方程

1． 方程（表明PN結(jié)所加端電壓u與流過它的電流i的關(guān)系）：

i?IS(euUT?1)

UT?kT

q為電子的電量。q2．平衡狀態(tài)下載流子濃度與內(nèi)電場場強(qiáng)的關(guān)系： 3． PN結(jié)電流方程分析中的條件：

4． 外加電壓時PN結(jié)電流與電壓的關(guān)系：

四、PN結(jié)的伏安特性（圖1.1.10）

1． 正向特性、反向特性

2． 反向擊穿：齊納擊穿（高摻雜、耗盡層薄、形成很強(qiáng)電場、直接破壞共價鍵）、雪崩擊穿（低摻雜、耗盡層較寬、少子加速漂移、碰撞）。

五、PN結(jié)的電容效應(yīng)

1． 勢壘電容：（圖1.1.11）耗盡層寬窄變化所等效的電容，Cb（電荷量隨外加電壓而增多或減少，這種現(xiàn)象與電容器的充放電過程相同）。與結(jié)面積、耗盡層寬度、半導(dǎo)體介電常數(shù)及外加電壓有關(guān)。2． 擴(kuò)散電容：（圖1.1.12）

（1）平衡少子：PN結(jié)處于平衡狀態(tài)時的少子。

（2）非平衡少子：PN結(jié)處于正向偏置時，從P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴和從N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的自由電子。

（3）濃度梯度形成擴(kuò)散電流，外加正向電壓增大，濃度梯度增大，正向電流增大。

（4）擴(kuò)散電容：擴(kuò)散區(qū)內(nèi)，電荷的積累和釋放過程與電容器充放電過程相同。i越大、τ越大、UT越小，Cd就越大。

（5）結(jié)電容Cj?Cb?Cd

pF級，對于低頻忽略不計(jì)。

1.2 半導(dǎo)體二極管

（幾種外形）（圖1.2.1）

1.2.1 半導(dǎo)體二極管的幾種常見結(jié)構(gòu)（圖1.2.2）

一、點(diǎn)接觸型：電流小、結(jié)電容小、工作頻率高。

二、面接觸型：合金工藝，結(jié)電容大、電流大、工作頻率低，整流管。

三、平面型：擴(kuò)散工藝，結(jié)面積可大可小。

四、符號

1.2.2 二極管的伏安特性 一、二極管的伏安特性

1． 二極管和PN結(jié)伏安特性的區(qū)別：存在體電阻及引線電阻，相同端電壓下，電流??；存在表面漏電流，反向電流大。

2． 伏安特性：開啟電壓（使二極管開始導(dǎo)通的臨界電壓）（圖1.2.3）

二、溫度對二極管方案特性的影響

1． 溫度升高時，正向特性曲線向左移，反向特性曲線向下移。

2． 室溫時，每升高1度，正向壓降減小2～2.5mV；每升高10度，反向電流增大一倍。

1.2.3 二極管的主要參數(shù)

一、最大整流電流IF：長期運(yùn)行時，允許通過的最大正向平均電流。

二、最高反向工作電壓UR：工作時，所允許外加的最大反向電壓，通常為擊穿電壓的一半。

三、反向電流IR：未擊穿時的反向電流。越小，單向?qū)щ娦栽胶?；此值對溫度敏感?/p>

四、最高工作頻率fM：上限頻率，超過此值，結(jié)電容不能忽略。

1.2.4 二極管的等效電路 一、二極管的等效電路：在一定條件下，能夠模擬二極管特性的由線性元件所構(gòu)成的電路。一種建立在器件物理原理的基礎(chǔ)上（復(fù)雜、適用范圍寬），另一種根據(jù)器件外特性而構(gòu)造（簡單、用于近似分析）。

二、由伏安特性折線化得到的等效電路：（圖1.2.4）

1． 理想二極管：注意符號 2． 正向?qū)〞r端電壓為常量

3． 正向?qū)〞r端電壓與電流成線性關(guān)系 4． 例1（圖1.2.5）三種不同等效分析：（1）V遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于UD，（2）UD變化范圍很小，(3)接近實(shí)際情況。5． 例2（圖1.2.6）三、二極管的微變等效電路（圖1.2.7）（圖1.2.8）（圖1.2.9）

動態(tài)電阻的公式推倒：

1.2.5 穩(wěn)壓二極管

一、概念：一種由硅材料制成的面接觸型晶體二極管，其可以工作在反向擊穿狀態(tài)，在一定電流范圍內(nèi)，端電壓幾乎不變。

二、穩(wěn)壓管的伏安特性：（圖1.2.10）

三、穩(wěn)壓管的主要參數(shù)

1． 穩(wěn)定電壓UZ：反向擊穿電壓，具有分散性。2． 穩(wěn)定電流IZ：穩(wěn)壓工作的最小電流。

3． 額定功耗PZM：穩(wěn)定電壓與最大穩(wěn)定電流的乘積。4． 動態(tài)電阻rZ：穩(wěn)壓區(qū)的動態(tài)等效電阻。

5． 溫度系數(shù)α：溫度每變化1度，穩(wěn)壓值的變化量。小于4V為齊納擊穿，負(fù)溫度系數(shù)；大于7V為雪崩擊穿，正溫度系數(shù)。

四、例（圖1.2.11）

1.2.6 其他類型二極管

一、發(fā)光二極管（圖1.2.12）可見光、不可見光、激光；紅、綠、黃、橙等；開啟電壓大。

二、光電二極管（圖1.2.13）遠(yuǎn)紅外接受管，伏安特性（圖1.2.14）光電流（光電二極管在反壓下，受到光照而產(chǎn)生的電流）與光照度成線性關(guān)系。

三、例（圖1.2.15）

1.3 雙極型晶體管

雙極型晶體管（BJT: Bipolar Junction Transistor）幾種晶體管的常見外形（圖1.3.1）

1.3.1 晶體管的結(jié)構(gòu)及類型（圖1.3.2）

一、構(gòu)成方式：同一個硅片上制造出三個摻雜區(qū)域，并形成兩個PN結(jié)。

二、結(jié)構(gòu)：

1． 三個區(qū)域：基區(qū)（薄且摻雜濃度很低）、發(fā)射區(qū)（摻雜濃度很高）、集電區(qū)（結(jié)面積大）；

2． 三個電極：基極、發(fā)射極、集電極； 3． 兩個PN結(jié)：集電結(jié)、發(fā)射結(jié)。

三、分類及符號：PNP、NPN 1.3.2 晶體管的電流放大作用

一、放大：把微弱信號進(jìn)行能量的放大，晶體管是放大電路的核心元件，控制能量的轉(zhuǎn)換，將輸入的微小變化不失真地放大輸出，放大的對象是變化量。

二、基本共射放大電路（圖1.3.3）

1． 輸入回路：輸入信號所接入的基極－發(fā)射極回路；

2． 輸出回路：放大后的輸出信號所在的集電極－發(fā)射極回路； 3． 共射放大電路：發(fā)射極是兩個回路的公共端； 4． 放大條件：發(fā)射結(jié)正偏且集電結(jié)反偏；

5． 放大作用：小的基極電流控制大的集電極電流。

三、晶體管內(nèi)部載流子的運(yùn)動（圖1.3.4）分析條件?uI?0

1． 發(fā)射結(jié)加正向電壓，擴(kuò)散運(yùn)動形成發(fā)射極電流IE，空穴電流IEP由于基區(qū)摻雜濃度很低，可以忽略不計(jì)；IE?IEN?IEP

2． 擴(kuò)散到基區(qū)的自由電子與空穴的復(fù)合運(yùn)動形成電流IBN；

3． 集電結(jié)加反向電壓，漂移運(yùn)動形成集電極電流IC，其中非平衡少子的漂移形成ICN，平衡少子形成ICBO。

??ICBO4． 晶體管的電流分配關(guān)系：IC?ICN?ICBO，IB?IBN?IEP?ICBO?IB，IE?IB?IC

四、晶體管的共射電流放大系數(shù)

1． 共射直流電流放大系數(shù)：??ICNIC?ICBO ??IBIB?ICBO2． 穿透電流ICEO：IC??IB?(1??)ICBO??IB?ICEO

基極開路時，集電極與發(fā)射極之間的電流；

3． 集電結(jié)反向飽和電流ICBO：發(fā)射極開路時的IB電流； 4．近似公式：IC??IB，IE?(1??)IB

5． 共射交流電流放大系數(shù)：當(dāng)有輸入動態(tài)信號時，???ic ?iB6． 交直流放大系數(shù)之間的近似：若在動態(tài)信號作用時，交流放大系數(shù)基本不變，則有iC?IC??iC??IB?ICEO???iB??(IB??iB)?ICEO因?yàn)橹绷鞣糯笙禂?shù)在線性區(qū)幾乎不變，可以把動態(tài)部分看成是直流大小的變化，忽略穿透電流，有：???，放大系數(shù)一般取幾十至一百多倍的管子，太小放大能力不強(qiáng)，太大性能不穩(wěn)定；

7． 共基直流電流放大系數(shù)：??ICN??，??，??

1??IE1???iC，??? ?iE8． 共基交流電流放大系數(shù)：??

1.3.3 晶體管的共射特性曲線

一、輸入特性曲線（圖1.3.5）iB?f(uBE)u的能力有關(guān)。

二、輸出特性曲線（圖1.3.6）iC?f(uCE)IB?常數(shù)CE?常數(shù)，解釋曲線右移原因，與集電區(qū)收集電子

（解釋放大區(qū)曲線幾乎平行于橫軸的原因）

1． 截止區(qū)：發(fā)射結(jié)電壓小于開啟電壓，集電結(jié)反偏，穿透電流硅1uA，鍺幾十uA；

2． 放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，iB和iC成比例；

3． 飽和區(qū)：雙結(jié)正偏，iB和iC不成比例，臨界飽和或臨界放大狀態(tài)（uCB?0）。

1.3.4 晶體管的主要參數(shù)

一、直流參數(shù)

1． 共射直流電流系數(shù)? 2． 共基直流電流放大系數(shù)? 3． 極間反向電流ICBO

二、交流參數(shù) 1． 共射交流電流放大系數(shù)? 2． 共基交流電流放大系數(shù)?

3． 特征頻率fT：使?下降到1的信號頻率。

三、極限參數(shù)（圖1.3.7）

1． 最大集電極耗散功率PCM；

2． 最大集電極電流ICM：使?明顯減小的集電極電流值；

3． 極間反向擊穿電壓：晶體管的某一電極開路時，另外兩個電極間所允許加的最高反向電壓，UCBO幾十伏到上千伏、UCEO、UEBO幾伏以下。

UCBO?UCEX?UCES?UCER?UCEO

1.3.5 溫度對晶體管特性及參數(shù)的影響

一、溫度對ICBO影響：每升高10度，電流增加一倍，硅管的ICBO要小一些。

二、溫度對輸入特性的影響：（圖1.3.8）與二極管伏安特性相似。溫度升高時，正向特性曲線向左移，反向特性曲線向下移，室溫時，每升高1度，發(fā)射結(jié)正向壓降減小2～2.5mV。

三、溫度對輸出特性的影響：（圖1.3.9）溫度升高?變大。

四、兩個例題

1.3.6 光電三極管

一、構(gòu)造：（圖1.3.10）

二、光電三極管的輸出特性曲線與普通三極管類似（圖1.3.11）

三、暗電流：ICEO無光照時的集電極電流，比光電二極管的大，且每上升25度，電流上升10倍；

四、光電流：有光照時的集電極電流。

1.4 場效應(yīng)管

1.4.1 結(jié)型場效應(yīng)管 1.4.2 絕緣柵型場效應(yīng)管

一、N溝道增強(qiáng)型MOS管（圖1.4.7）

1． 結(jié)構(gòu)：襯底低摻雜P，擴(kuò)散高摻雜N區(qū)，金屬鋁作為柵極； 2． 工作原理：

(1)柵源不加電壓，不會有電流；

(2)（圖1.4.8）uDS?0且uGS?0時，柵極電流為零，形成耗盡層；加大電壓，形成反型層（導(dǎo)電溝道）；開啟電壓UGS(th)；

(3)（圖1.4.9）uGS?UGS(th)為一定值時，加大uDS，iD線性增大；但uDS的壓降均勻地降落在溝道上，使得溝道沿源－漏方向逐漸變窄；當(dāng)uGD＝UGS(th)時，為預(yù)夾斷；之后，uDS增大的部分幾乎全部用于克服夾斷區(qū)對漏極電流的阻力，此時，對應(yīng)不同的uGS就有不同的iD，從而可以將iD看為電壓uGSiD出現(xiàn)恒流。控制的電流源。

3． 特性曲線與電流方程：(1)特性曲線：（圖1.4.10）轉(zhuǎn)移特性、輸出特性；

?u?(2)電流方程：iD?IDO?GS?1?

?U??GS(th)?

二、N溝道耗盡型MOS管（圖1.4.10）

1． 結(jié)構(gòu)：絕緣層加入大量的正離子，直接形成反型層； 2． 符號

三、P溝道MOS管：漏源之間加負(fù)壓

四、VMOS管

21.4.3 場效應(yīng)管的主要參數(shù)

一、直流參數(shù)

1． 開啟電壓UGS(th)：是UDS一定時，使iD大于零所需的最小UGS值；

2． 夾斷電壓UGS(off)：是UDS一定時，使iD為規(guī)定的微小電流時的uGS；

3． 飽和漏極電流IDSS：對于耗盡型管，在UGS＝0情況下，產(chǎn)生預(yù)夾斷時的漏極電流； 4． 直流輸入電阻RGS(DC)：柵源電壓與柵極電流之比，MOS管大于10?。

二、交流參數(shù)

1． 低頻跨導(dǎo)：gm?9?iD?uGS

UDS?常數(shù)2． 極間電容：柵源電容Cgs、柵漏電容Cgd、1～3pF，漏源電容Cds0.1～1pF

三、極限參數(shù)

1． 最大漏極電流IDM：管子正常工作時，漏極電流的上限值； 2． 擊穿電壓：漏源擊穿電壓U(BR)DS，柵源擊穿電壓U(BR)GS。3． 最大耗散功率PDM：

4． 安全注意：柵源電容很小，容易產(chǎn)生高壓，避免柵極空懸、保證柵源之間的直流通路。

四、例

1.4.4 場效應(yīng)管與晶體管的比較

一、場效應(yīng)管為電壓控制、輸入電阻高、基本不需要輸入電流，晶體管電流控制、需要信號源提供一定的電流；

二、場效應(yīng)管只有多子參與導(dǎo)電、穩(wěn)定性好，晶體管因?yàn)橛猩僮訁⑴c導(dǎo)電，受溫度、輻射等因素影響大；

三、場效應(yīng)管噪聲系數(shù)很?。?/p>

四、場效應(yīng)管漏極、源極可以互換，而晶體管很少這樣；

五、場效應(yīng)管比晶體管種類多，靈活性高；

六、場效應(yīng)管應(yīng)用更多。

1.5 單結(jié)晶體管和晶閘管 1.6 集成電路中的元件

第四篇：第八章 半導(dǎo)體發(fā)光（范文）

第八章

半導(dǎo)體發(fā)光

研究一種新型半導(dǎo)體材料，首先是要對它的光電以及結(jié)晶品質(zhì)等進(jìn)行研究。對于光電子材料。對它的發(fā)光性質(zhì)的研究是一個重大課題，有大量的工作可做。可以說每一種光電子材料的光學(xué)性質(zhì)研究都有大量文獻(xiàn)報(bào)道。通過對材料的發(fā)光性能的研究，可以判定材料的生長質(zhì)量，發(fā)光特性，雜質(zhì)情況，雜質(zhì)電離能，適合不適合制作發(fā)光器件等。畫光譜圖

1.輻射躍遷：處于激發(fā)態(tài)的電子向較低的能級躍遷，同時發(fā)射光子的過程。要求系統(tǒng)處于非平衡狀態(tài)，一般通過一些外加的激發(fā)手段才能達(dá)到。

電致發(fā)光：電流激發(fā)。

陰極射線發(fā)光：電子束激發(fā)。

光致發(fā)光：光激發(fā)，入射光子能量要大于材料禁帶寬度。

2．發(fā)光波長與能量的關(guān)系：λ=c/v=hc/E=1240/E（nm），E單位為電子伏特（eV）

3．帶-帶躍遷：導(dǎo)帶的電子躍遷到價帶，與空穴復(fù)合，自由載流子復(fù)合。（激子效應(yīng)對半導(dǎo)體發(fā)光光譜有更重要的影響，但在較高實(shí)驗(yàn)溫度下和對于純度較差的樣品，可以觀察到帶-帶躍遷）

發(fā)光光譜形狀：F(hv)∝(hv)2（hv-Eg）1/2

exp-(hv-Eg)/KT

特征：發(fā)光峰在Eg附近。發(fā)光峰具有一個高能量尾部，在hv=Eg處，低能量邊緣突然截止。在低激發(fā)情況，發(fā)射峰的半峰寬近似等于0.7kT。隨摻雜濃度增加和費(fèi)米能級深入導(dǎo)帶，發(fā)光峰峰位置和高能邊緣均向高能量方向移動。增加激發(fā)和升高溫度也可導(dǎo)致發(fā)光向高能方移動。自吸收導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)觀測的發(fā)光光譜向低能方向漂移。K：玻爾茲曼常數(shù)，8.62x10-5電子伏特/度。300K時，KT約26meV。77K時，KT約6.6meV。

4． 自由激子：自由電子和自由空穴由與庫侖力作用而束縛在一起所形成的系統(tǒng)，可

在晶體中運(yùn)動。電子與空穴之間的作用類似與氫原子中電子與質(zhì)子的相互作用。自由激子代表了低激發(fā)密度下純半導(dǎo)體中電子和空穴的能量最低的本征激發(fā)態(tài)。（對足夠純的半導(dǎo)體材料，低溫下本征輻射復(fù)合的主要特征可以是激子復(fù)合導(dǎo)致的狹窄譜線。按激子復(fù)合發(fā)光模型，發(fā)光譜低能端應(yīng)在激子波矢0對應(yīng)的激子能量處突然截止，考慮激子效應(yīng)時，有時還需考慮激子和光子耦合導(dǎo)致的激子極化激元的效應(yīng)，可以解釋實(shí)驗(yàn)觀察到的發(fā)光譜線的低能帶尾）。溫度較低，材料純度較高時可觀察到。

發(fā)光峰能量：hv= hv=Eg-Eex 束縛能：Eex=-mr*q4/8ε

r

ε

0

h2n2 =（mr* /mo）（13.6/ε

r

2）（1/n2）

mr*為電子和空穴的折合質(zhì)量 mr*=mp* /（mp*+mn*）

mp*，mn*分別是空穴和電子的有效質(zhì)量。（在雜質(zhì)原子里（如施主），核的有效質(zhì)量很大，因此，其折合質(zhì)量等于電子的有效質(zhì)量。但激子折合質(zhì)量要小于電子，激子束縛能要低于施主或受主的束縛能）（一般只能觀察到n=1，2的譜線）

特征：發(fā)光峰能量略低于Eg，離化能可估計(jì)出，發(fā)光峰尖銳，半峰寬在幾

個meV以內(nèi)。發(fā)光強(qiáng)度與激發(fā)密度成線性關(guān)系，一般在低溫下才可觀察到。

自由激子的聲子伴線：自由激子在復(fù)合時，發(fā)射了一個或多個聲子，同時發(fā)出的光子。

發(fā)光峰能量：hv= hv=Eg-Eex-mEp

特征：發(fā)光峰一般伴隨自由激子峰出現(xiàn)。其與自由激子的能量差為聲子能量。出現(xiàn)多聲子伴線時，發(fā)射峰之間的能量差相等。

橫向光學(xué)聲子（TO），橫向聲學(xué)聲子（TA），縱向光學(xué)聲子（LO），縱向聲學(xué)聲子（LA）一般最易觀察到縱向光學(xué)聲子（LO聲子）伴線。

5． 束縛激子：束縛在雜質(zhì)上的激子。雜質(zhì)中心俘獲電子或空穴，然后俘獲相反符號的載流子；或者雜質(zhì)中心俘獲一個自由激子。束縛激子不能在晶體中自由運(yùn)動?？墒`在中性施主，中性受主，電離施主，電離受主上。（從能量的觀點(diǎn)看，如果激子處在雜質(zhì)中心附近時使系統(tǒng)能量下降，那么激子保持在雜質(zhì)或缺陷附近是有利的，激子可以束縛在雜質(zhì)中心上。）低溫觀察KT/ EDx﹤0.3。

中性施主束縛激子：D0X

電離施主束縛激子：D+X 中性受主束縛激子：A0X

電離受主束縛激子：A+X 對中性施主或受主，雜質(zhì)中心都有可能束縛激子，但電離雜質(zhì)的情況就不一樣。判定：有效質(zhì)量比：σ：me*/mh*，認(rèn)為：對于電離施主，σ小于0.71，系統(tǒng)能量下降，也有認(rèn)為，σ小于0.2時，束縛激子（D+X）才是穩(wěn)定的。當(dāng)σ接近0時，Eb=0.22 Ex。D+X離解為一個中性施主和一個自由空穴比離解為一個電離施主和一個自由激子更容易發(fā)生。對于電離受主束縛激子，只有當(dāng)σ大于1.4時，才可能存在，因此一般電離受主束縛激子很難觀察到。具體參照半導(dǎo)體光學(xué)性質(zhì)337，圖5.21。

中性施主束縛激子：D0X

電離施主束縛激子：D+X 中性受主束縛激子：A0X

電離受主束縛激子：A+X 發(fā)光峰能量：hv= Eg-Ex-Eb，電離施主束縛激子hv= Eg-EDx= Eg-ED-D（D0h）束縛能：Ex+Eb

其中，Ex為自由激子束縛能，Eb是將自由激子束縛到雜質(zhì)中心的附加能。

特征：發(fā)光峰能量略低于自由激子，發(fā)射譜線很窄（樣品較純的情況下，束縛激子的波函數(shù)可認(rèn)為互不交疊，基態(tài)能量是孤立和局域化的，不同于自由激子，其動能項(xiàng)對發(fā)光譜線的展寬效應(yīng)可忽略不計(jì)），半峰寬一般低于1meV。GaAs，束縛于淺雜質(zhì)的激子發(fā)射譜線寬在0.1meV數(shù)量級。（各種束縛激子的判定較為復(fù)雜，首先可比較實(shí)驗(yàn)觀測到的束縛激子發(fā)光譜線的能量和各種不同束縛激子態(tài)束縛能的理論估計(jì)）如，利用有效質(zhì)量近似，類氫模型估算出的自由激子束縛能（Eex），計(jì)算出有效質(zhì)量比σ：me*/mh*，在已知該材料的σ情況下，根據(jù)不同束縛激子能Eb與Eex的關(guān)系估算出Eb，得到各種束縛激子的發(fā)光峰能量，與實(shí)驗(yàn)值比較。還可以結(jié)合磁場作用下的束縛激子發(fā)光譜線的塞曼分裂來判定。

束縛激子的聲子伴線：束縛激子在復(fù)合時，發(fā)射了一個或多個聲子，同時發(fā)出的光子。

6．深躍遷：電子從導(dǎo)帶躍遷到受主能級，或從施主能級躍遷到價帶。

發(fā)光能量：hv= Eg-Ei

Ei（EA受主束縛能，ED施主束縛能）

施主束縛能：ED= mn*q4/8ε

r

ε

0

h2= 13.6 mn*/m0ε

r

mn*: 電導(dǎo)有效質(zhì)量，m0: 電子慣性質(zhì)量。εr: 相對介電常數(shù)。

如果摻雜濃度達(dá)到1018cm-3, 導(dǎo)帶電子躍遷到受主能級或從施主能級躍遷到價帶的幾率和帶-帶躍遷，激子躍遷有相同的量級，不難在實(shí)驗(yàn)中觀察到。也可觀察到聲子伴線峰。

特征：發(fā)光峰能量低于激子峰，一般譜線較寬。當(dāng)雜質(zhì)濃度增加時，發(fā)光峰展寬，峰位能量漂移。（半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)，P362。，半導(dǎo)體中的光學(xué)過程，P151）7．施主-受主對：施主離子及其束縛的電子和受主離子及其束縛的空穴可以構(gòu)成施主-受主對（D-A對）（半導(dǎo)體中的光學(xué)過程，P160），KT﹤Ei時，載流子被電離雜質(zhì)俘獲后很難熱電離，D-A對的躍遷變得重要。

發(fā)光峰能量：hv=Eg-（EA+ED）+e2/（4πεr），其中，r為施主-受主對的間距。

特征：當(dāng)r不是很大（10-50晶格常數(shù)）可顯示為一系列分立的譜線，但在r較大時，形成一個連續(xù)的寬發(fā)射譜。隨激發(fā)密度增大，激發(fā)近距離的D-A對數(shù)目增多，發(fā)光峰向高能方移動。

8．能帶內(nèi)的躍遷，導(dǎo)帶熱電子躍遷到價帶頂，導(dǎo)帶底電子與價帶熱電子復(fù)合：在直接帶隙半導(dǎo)體中很難觀察到，而價帶空穴到電離受主的躍遷的聲子發(fā)射幾率遠(yuǎn)大于光子發(fā)射幾率，一般難以觀察到。

半導(dǎo)體的光吸收

探測半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)最直接的方法就是測量它的吸收光譜。研究一種新型半導(dǎo)體材料，首先是要對它的光電以及結(jié)晶品質(zhì)等進(jìn)行研究。對于光電子材料。對它的發(fā)光性質(zhì)的研究是一個重大課題，有大量的工作可做。可以說每一種光電子材料的光學(xué)性質(zhì)研究至少有上千篇的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。通過對材料的發(fā)光性能的研究，可以判定材料的生長質(zhì)量，發(fā)光特性，雜質(zhì)情況，雜質(zhì)電離能，適合不適合制作發(fā)光器件等。畫光譜圖

1． 本征吸收：價帶電子吸收能量躍遷到導(dǎo)帶的過程?？膳卸ú牧系慕麕挾?。條件：入射光子能量大于禁帶寬度。特點(diǎn)：吸收系數(shù)與光子的能量關(guān)系為：

α（hv）=A（hv-Eg）1/2，hv≥Eg

=0

hv＜Eg 處于激發(fā)態(tài)的電子向較低的能級躍遷，同時發(fā)射光子的過程。要求系統(tǒng)處于非平衡狀態(tài)，一般通過一些外加的激發(fā)手段才能達(dá)到。

電致發(fā)光：電流激發(fā)。

陰極發(fā)光：電子束激發(fā)。

光致發(fā)光：光激發(fā)，入射光子能量要大于材料禁帶寬度。

2．發(fā)光波長與能量的關(guān)系：λ=hv=hc/E=1240/E（nm），E單位為電子伏特（eV）

3．帶-帶躍遷：導(dǎo)帶的電子躍遷到價帶，與空穴復(fù)合，自由載流子復(fù)合。（激子效應(yīng)對半導(dǎo)體發(fā)光光譜有更重要的影響，但在較高實(shí)驗(yàn)溫度下和對于純度較差的樣品，可以觀察到帶-帶躍遷）

發(fā)光光譜形狀：L=B（hv-Eg）1/2

特征：發(fā)光峰在Eg附近。發(fā)光峰具有一個高能量尾部，在hv=Eg處，低能量邊緣突然截止。在低激發(fā)情況，發(fā)射峰的半峰寬近似等于0.7kT。

K：玻爾茲曼常數(shù)，8.62x10-5電子伏特/度。300K時，KT約26meV。77K時，KT約6.6meV。

6． 自由激子：自由電子和自由空穴由與庫侖力作用而束縛在一起所形成的系統(tǒng)，可

在晶體中運(yùn)動。電子與空穴之間的作用類似與氫原子中電子與質(zhì)子的相互作用。（對足夠純的半導(dǎo)體材料，低溫下本征輻射復(fù)合的主要特征可以是激子復(fù)合導(dǎo)致的狹窄譜線。按激子復(fù)合發(fā)光模型，發(fā)光譜低能端應(yīng)在激子波矢0對應(yīng)的激子能量處突然截止，考慮激子效應(yīng)時，有時還需考慮激子和光子耦合導(dǎo)致的激子極化激元的效應(yīng)，可以解釋實(shí)驗(yàn)觀察到的發(fā)光譜線的低能帶尾）

發(fā)光峰能量：hv= hv=Eg-Eex 束縛能：Eex=-mr*q4/8ε

r

ε

0

h2n2 =13.6 mr* /moε

r

mr*為電子和孔穴的折合質(zhì)量 mr*=mp* /（mp*+mn*）

mp*，mn*分別是空穴和電子的有效質(zhì)量。（在雜質(zhì)原子里（如施主），核的有效質(zhì)量很大，因此，其折合質(zhì)量等于電子的有效質(zhì)量。但激子折合質(zhì)量要小于電子，激子束縛能要低于施主或受主的束縛能）（一般只能觀察到n=1，2的譜線）

特征：發(fā)光峰能量略低于Eg，離化能可估計(jì)出，發(fā)光峰尖銳，半峰寬在幾

個meV以內(nèi)。一般在低溫下才可觀察到。

自由激子的聲子伴線：自由激子在復(fù)合時，發(fā)射了一個或多個聲子，同時發(fā)出的光子。

發(fā)光峰能量：hv= hv=Eg-Eex-mEp

特征：發(fā)光峰一般伴隨自由激子峰出現(xiàn)。其與自由激子的能量差為聲子能量。出現(xiàn)多聲子伴線時，發(fā)射峰之間的能量差相等。

橫向光學(xué)聲子（TO），橫向聲學(xué)聲子（TA），縱向光學(xué)聲子（LO），縱向聲學(xué)聲子（LA）一般最易觀察到縱向光學(xué)聲子（LO聲子）伴線。

7． 束縛激子：束縛在雜質(zhì)上的激子。雜質(zhì)中心俘獲電子或空穴，然后俘獲相反符號的載流子；或者雜質(zhì)中心俘獲一個自由激子。束縛激子不能在晶體中自由運(yùn)動?？墒`在中性施主，中性受主，電離施主，電離受主上。（從能量的觀點(diǎn)看，如果激子處在雜質(zhì)中心附近時使系統(tǒng)能量下降，那么激子保持在雜質(zhì)或缺陷附近是有利的，激子可以束縛在雜質(zhì)中心上。）

對中性施主或受主，雜質(zhì)中心都有可能束縛激子，但電離雜質(zhì)的情況就不一樣。判定：有效質(zhì)量比：σ：me*/mh*，認(rèn)為：對于電離施主，σ小于0.71，系統(tǒng)能量下降，也有認(rèn)為，σ小于0.2時，束縛激子（D+X）才是穩(wěn)定的。當(dāng)σ接近0時，Eb=0.22 Ex。D+X離解為一個中性施主和一個自由空穴比離解為一個電離施主和一個自由激子更容易發(fā)生。對于電離受主束縛激子，只有當(dāng)σ大于1.4時，才可能存在，因此一般電離受主束縛激子很難觀察到。具體參照半導(dǎo)體光學(xué)性質(zhì)337，圖5.21。

中性施主束縛激子：D0X

電離施主束縛激子：D+X 中性受主束縛激子：A0X

電離受主束縛激子：A+X 發(fā)光峰能量：hv= Eg-Ex-Eb 束縛能：Ex+Eb

其中，Ex為自由激子束縛能，Eb是將自由激子束縛到雜質(zhì)中心的附加能。

特征：發(fā)光峰能量略低于自由激子，發(fā)射譜線很窄，半峰寬一般低于1meV。GaAs，束縛于淺雜質(zhì)的激子發(fā)射譜線寬在0.1meV數(shù)量級。（各種束縛激子的判定較為復(fù)雜，首先可比較實(shí)驗(yàn)觀測到的束縛激子發(fā)光譜線的能量和各種不同束縛激子態(tài)束縛能的理論估計(jì)）如，利用有效質(zhì)量近似，類氫模型估算出的自由激子束縛能（Eex），計(jì)算出有效質(zhì)量比σ：me*/mh*，在已知該材料的σ情況下，根據(jù)不同束縛激子能Eb與Eex的關(guān)系估算出Eb，得到各種束縛激子的發(fā)光峰能量，與實(shí)驗(yàn)值比較。還可以結(jié)合磁場作用下的束縛激子發(fā)光譜線的塞曼分裂來判定。

束縛激子的聲子伴線：束縛激子在復(fù)合時，發(fā)射了一個或多個聲子，同時發(fā)出的光子。

6．深躍遷：電子從導(dǎo)帶躍遷到受主能級，或從施主能級躍遷到價帶。

發(fā)光能量：hv= Eg-Ei

Ei（EA受主束縛能，ED施主束縛能）

施主束縛能：ED= mn*q4/8ε

r

ε

0

h2= 13.6 mn*/m0ε

r

mn*: 電導(dǎo)有效質(zhì)量，m0: 電子慣性質(zhì)量。εr: 相對介電常數(shù)。

如果摻雜濃度達(dá)到1018cm-3, 導(dǎo)帶電子躍遷到受主能級或從施主能級躍遷到價帶的幾率和帶-帶躍遷，激子躍遷有相同的量級，不難在實(shí)驗(yàn)中觀察到。也可觀察到聲子伴線峰。

特征：發(fā)光峰能量低于激子峰，一般譜線較寬。當(dāng)雜質(zhì)濃度增加時，發(fā)光峰展寬，峰位能量漂移。（半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)，P362。，半導(dǎo)體中的光學(xué)過程，P151）7．施主-受主對：施主離子及其束縛的電子和受主離子及其束縛的空穴可以構(gòu)成施主-受主對（D-A對）（半導(dǎo)體中的光學(xué)過程，P160）

發(fā)光峰能量：hv=Eg-（EA+ED）+e2/（4πεr），其中，r為失主-受主對的間距。

特征：當(dāng)r不是很大（10-50晶格常數(shù)）可顯示為一系列分立的譜線，但在r較大時，形成一個連續(xù)的寬發(fā)射譜。隨激發(fā)密度增大，激發(fā)近距離的D-A對數(shù)目增多，發(fā)光峰向高能方移動。

9． 能帶內(nèi)的躍遷，導(dǎo)帶熱電子躍遷到價帶頂，導(dǎo)帶底電子與價帶熱電子復(fù)合：在直接帶隙半導(dǎo)體中很難觀察到，而價帶空穴到電離受主的躍遷的聲子發(fā)射幾率遠(yuǎn)大于光子發(fā)射幾率，一般難以觀察到。

第五篇：半導(dǎo)體器件物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式

微電子學(xué)院

《半導(dǎo)體器件實(shí)驗(yàn)》

實(shí)驗(yàn)報(bào)告

實(shí)驗(yàn)名稱：作者姓名：作者學(xué)號：同 作 者：實(shí)驗(yàn)日期：

實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)包含以下相關(guān)內(nèi)容：

實(shí)驗(yàn)名稱：

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩?、?shí)驗(yàn)原理

三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

四、實(shí)驗(yàn)方法

五、實(shí)驗(yàn)器材及注意事項(xiàng)

六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果

七、數(shù)據(jù)分析

八、回答問題

實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：

1.使用實(shí)驗(yàn)報(bào)告用紙；

2.每份報(bào)告不少于3頁手寫體，不含封皮和簽字后的實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)部分；

3.必須加裝實(shí)驗(yàn)報(bào)告封皮，本文中第一頁內(nèi)容，打印后填寫相關(guān)信息。

4.實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式為：封皮、內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)。