半导体光电材料基础4.pptx

课程主要内容：课程主要内容：第一章 半导体光电材料概述第二章 半导体物理基础第三章 PN结第四章 金属-半导体结第五章 半导体异质结构第六章 半导体太阳能电池和光电二极管第七章 发光二极管和半导体激光器第八章 量子点生物荧光探针第五章第五章 半导体异质结构半导体异质结构 5.1 5.1 异质结及其能带图异质结及其能带图u异质结：由两种不同的半导体单晶材料组成的结。u异质结具有许多同质结所所不具有的特性，往往具有更高的注入效率。u反型异质结：由导电类型相反的两种不同的半导体单晶材料构成。如：p-nGe-GaAs（p型Ge与n型GaAs）u同型异质结：由导电类型相同的两种不同的半导体单晶材料构成。如：n-nGe-GaAs（n型Ge和n型GaAs）u异质结的能带图对其特性起着重要作用。在不考虑界面态的情况下，任何异质结的能带图都取决于形成异质结的两种半导体的电子亲和势、禁带宽度以及功函数。功函数随杂质浓度的不同而变化。5.1 5.1 异质结及其能带图异质结及其能带图u突变异质结：从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡只发生于几个原子距离范围内。u缓变异质结：从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡发生于几个扩散长度范围内。u突变异质结的能带图研究得比较成熟。u异质结的能带图比同质结复杂（禁带宽度，电子亲合能，功函数，介电常数差异）。u由于晶体结构和晶格常数不同，在异质结交界面上形成的界面态增加了能带图的复杂性。5.1 5.1 异质结及其能带图异质结及其能带图（1）不考虑界面态时的能带图l 突变反型(pn)异质结能带图（形成异质结前）P型N型：电子的亲和能W：电子的功函数Eg：禁带宽度两种半导体紧密接触时，电子（空穴）将从n(p)型半导体流向p(n)型半导体，直至费米能级相等为止。5.1 5.1 异质结及其能带图异质结及其能带图（1）不考虑界面态时的能带图l 突变反型(pn)异质结能带图（形成异质结后）u交界面两边形成空间电荷区(x1-x2)，产生内建电场。u两种半导体材料的介电常数不同，因此内建电场在交界面处(x0)不连续。u空间电荷区中的能带特点：1）能带发生弯曲，尖峰和势阱，2）能带在交界面处不连续，有一个突变。P型N型5.1 5.1 异质结及其能带图异质结及其能带图（1）不考虑界面态时的能带图l 突变反型(pn)异质结能带图（形成异质结后）P型N型u 内建电势差VD u 导带阶 u 价带阶 以上式子对所有突变异质结普适5.1 5.1 异质结及其能带图异质结及其能带图（1）不考虑界面态时的能带图l 突变p-nGe-GaAs异质结能带图n-GaAs交界面两侧半导体中的内建电势差VD1,VD2由掺杂浓度、空间电荷区（势垒区）宽度和相对介电常数共同决定。5.1 5.1 异质结及其能带图异质结及其能带图（1）不考虑界面态时的能带图l 突变反型(np)异质结能带图形成异质结前形成异质结后P型N型P型N型5.1 5.1 异质结及其能带图异质结及其能带图（1）不考虑界面态时的能带图形成异质结前形成异质结后l 突变同型(nn)异质结能带图在同型异质结中，一般必有一边成为积累层，一边为耗尽层。5.1 5.1 异质结及其能带图异质结及其能带图（1）不考虑界面态时的能带图形成异质结后l 突变同型(pp)异质结能带图对于反型异质结，当1=2，Eg1=Eg2,1=2时，成为普通的PN结。5.1 5.1 异质结及其能带图异质结及其能带图（2）考虑界面态时的能带图u制造突变异质结时，通常在一种半导体材料上生长另一种半导体单晶材料，或采用真空蒸发技术。u两种半导体材料之间的晶格失配：2(a2-a1)/(a1+a2)，a1,a2为两种半导体的晶格常数。u异质结中的晶格失配导致两种半导体材料的交界面处产生了悬挂键，引入了界面态。接触前接触后5.1 5.1 异质结及其能带图异质结及其能带图（2）考虑界面态时的能带图u若两种半导体材料在交界面处的键密度分别为Ns1,Ns2，形成异质结后，晶格常数小的材料表面出现部分未饱和键，突变异质结交界面处的悬挂键密度：u对于两种相同晶体结构材料形成的异质结，交界面处悬挂键密度Ns取决于晶格常数和作为交界面的晶面。5.1 5.1 异质结及其能带图异质结及其能带图（2）考虑界面态时的能带图u对于n型半导体，悬挂键起受主作用，受主型界面态施放空穴后带上负电荷，因此表面能带向上弯曲。u对于p型半导体，悬挂键起施主作用，施主型界面态施放电子后带上正电荷，因此表面能带向下弯曲。N型P型表面能级密度大的半导体能带图-+-5.1 5.1 异质结及其能带图异质结及其能带图（2）考虑界面态时的能带图 当悬挂键（或界面态）的密度很高时，界面态电荷产生的电场往往大于由两种半导体材料接触而产生的电势差，在这样情况下，异质结的能带图往往由界面态所引起的能带的弯曲来决定。5.1 5.1 异质结及其能带图异质结及其能带图（2）考虑界面态时的能带图pnpnnpnpnnpp悬挂键起施主作用时悬挂键起受主作用时（界面态密度很大时）5.1 5.1 异质结及其能带图异质结及其能带图（2）考虑界面态时的能带图u当两种半导体的晶格常数极为接近时，晶格间匹配较好，一般可以不考虑界面态的影响。u但在实际中，即使两种半导体材料的晶格常数在室温时相同，但如果它们的热膨胀系数不同，在高温下，也将发生晶格失配，从而产生悬挂键，在交界面处引入界面态。u化合物半导体形成的异质结中，由于化合物半导体中成分元素互扩散，也会引入界面态。5.1 5.1 异质结及其能带图异质结及其能带图（3）突变反型异质结的接触电势差及势垒区宽度P型N型u不考虑界面态，以突变pn异质结为例。u设p型和n型半导体中杂质均匀分布，浓度分别为NA1和ND2.势垒区正负空间电荷区宽度：d1=x0-x1,d2=x2-x0求解交界面x0两边的泊松方程，得到势垒区两侧内建电势差为：1,2分别为p型和n型半导体的介电常数。XD5.1 5.1 异质结及其能带图异质结及其能带图（3）突变反型异质结的接触电势差及势垒区宽度P型N型u 势垒区内的正负电荷总量相等，XD势垒区宽度：，5.2 5.2 突变异质突变异质pnpn结的电流电压特性结的电流电压特性u异质结由两种不同材料形成，交界面处能带不连续，存在界面态，因此异质结的电流电压关系比同质结复杂得多。u异质pn结按势垒尖峰高低的不同，有两种情况，分别采用不同的模型来处理电流电压特性。u低势垒尖峰：势垒尖峰顶低于p区导带底，采用扩散模型。u高势垒尖峰：势垒尖峰较p区导带底高得多，采用发射模型。PNPN5.2 5.2 突变异质突变异质pnpn结的电流电压特性结的电流电压特性（1）低势垒尖峰情况扩散模型PNPN 外加正向偏压V（V1,V2分别为加在p区和n区的电压）零偏压正偏压通过异质pn结的总电流密度：5.2 5.2 突变异质突变异质pnpn结的电流电压特性结的电流电压特性（1）低势垒尖峰情况扩散模型 外加正向偏压V由窄带隙p型半导体和宽带隙n型半导体形成的异质pn结，Ec0,Ev0,且比室温下k0T大得多。PN通过结的电流主要由电子电流组成，空穴电流占比很小。由于导带阶Ec 的存在，n区电子面临的势垒高度由qVD下降至qVD-Ec，而空穴面临的势垒高度升高了Ev，导致电子电流大大超过空穴电流。5.2 5.2 突变异质突变异质pnpn结的电流电压特性结的电流电压特性（2）高势垒尖峰情况热电子发射模型 外加正向偏压VPN 由n区扩散向结处的电子，只有能量高于势垒尖峰的才能通过发射机制进入p区。正向电流主要由从n区注入p区的电子流形成。发射模型也得到正向电流随电压按指数关系增加。EFnEFp5.3 5.3 异质异质pnpn结的注入特性结的注入特性（1）异质pn结的高注入特性异质pn结（低势垒尖峰）电子电流与空穴电流的注入比为：（饱和杂质电离时）电子、空穴扩散系数D 和扩散长度L 在同一数量级，而可远大于1。即使ND2 Eg时，除产生一个电子-空穴对外，多余的能量hv-Eg将以热的形式耗散掉。非本征跃迁：如果hvEg，则只有当禁带内存在合适的化学杂质或物理缺陷引起的能态时，光子才会被吸收。如(c).6.1 6.1 半导体中光吸收半导体中光吸收 吸收系数 假设半导体被一光源照射，沿光传播方向上，在距离表面x处的光通量（单位时间垂直通过单位面积的光子数）为：吸收系数是光子能量h 的函数，称为吸收曲线。吸收系数在截止波长c处急剧下降，截止波长附近的吸收曲线称为吸收边。直接跃迁6.1 6.1 半导体中光吸收半导体中光吸收 本征吸收本征吸收 hk hk=光子动量 但一般半导体吸收的光子，其动量远小于能带中的电子的动量，光子动量可忽略不计，k k，电子吸收光子产生跃迁时波矢保持不变，如价带中状态A的电子只能跃迁到导带中的状态B，这种跃迁称为直接跃迁，属于本征跃迁。光照下，电子吸收光子的跃迁过程，除满足能量守恒外，还必须满足动量守恒。直接跃迁任何一个k值的不同能量的光子都有可能被吸收，而吸收的光子最小能量应等于禁带宽度。直接带隙半导体：半导体的导带极小值和价带极大值对应于相同的波矢。在本征吸收过程中，产生电子的直接跃迁。6.1 6.1 半导体中光吸收半导体中光吸收 本征吸收本征吸收6.1 6.1 半导体中光吸收半导体中光吸收 本征吸收本征吸收直接带隙半导体带隙的测定 理论计算表明，直接跃迁中吸收系数和光子能量的关系为A为常数Eg吸收谱6.1 6.1 半导体中光吸收半导体中光吸收 本征吸收本征吸收间接跃迁间接带隙半导体：Ge、Si一类半导体，价带顶和导带底对应于不同的波矢k。间接跃迁：电子不仅吸收光子，同时还和晶格交换一定的振动动量，即放出或吸收一个声子。声子的能量非常小，可以忽略不计。间接跃迁的概率（光吸收系数）比直接跃迁的概率（光吸收系数）小得多。间接带隙半导体带隙的测定间接跃迁直接跃迁 间接跃迁中吸收系数和光子能量的关系为只要对 作图，并将直线部分外推到与 hv 轴相交，即可得到带隙值Eg。6.1 6.1 半导体中光吸收半导体中光吸收 本征吸收本征吸收A为常数6.1 6.1 半导体中光吸收半导体中光吸收 其他吸收过程其他吸收过程激子：受激电子和空穴互相束缚而结合在一起成为一个新的系统，这种系统称为激子。激子吸收：光子能量hvEg，价带电子受激发后虽然跃出了价带，但还不足以进入导带而成为自由电子，仍然受到空穴的库仑场作用，这种吸收即激子吸收。6.1 6.1 半导体中光吸收半导体中光吸收 其他吸收过程其他吸收过程自由载流子吸收：入射光子能量小于带隙时，自由载流子在同一带内的跃迁。杂质吸收：束缚在杂质能级上的电子或空穴的吸收。电子可以吸收光子跃迁到导带能级；空穴也同样可以吸收光子而跃迁到价带。晶格振动吸收：远红外区，光子能量直接转换为晶格振动动能。6.1 6.1 半导体中光吸收半导体中光吸收 其他吸收过程其他吸收过程资源丰富：资源丰富：40分钟照射地球辐射的能量全球人类一年的 能量需求。洁净能源：洁净能源：不会导致“温室效应”，不会造成环境污染。使用方便：使用方便：同水能、风能等新能源相比，不受地域的限制，成本低。6.2 6.2 半导体太阳能电池半导体太阳能电池6.2 6.2 半导体太阳能电池半导体太阳能电池半导体太阳能电池是直接把太阳能转换成电能的器件。利用各种势垒的光生伏打效应（Photovoltaic effect），也称为光生伏打电池，简称光电池。1883年，弗里茨首次用硒制造了光生伏打电池。1941年，奥勒制作了单晶硅光电池。1954年，贝尔实验室制作了第一个实用的硅太阳能电池。太阳电池的优点：寿命长、效率高、性能可靠、成本低、无污染。几乎所有空间设备和装置均使用太阳电池。在地面上，太阳电池作为无人气象站、无人灯塔、微波中继站的电源盒自控系统的光电元件。目前，太阳电池的光电转换效率已相当可观。在AM1.5条件下，单晶硅电池的效率达到近24%，非晶硅电池为13.2%，而InGaPAs/GaAs叠层电池已达到41.4%。6.2 6.2 半导体太阳能电池半导体太阳能电池l 太阳能电池的基本结构如右图所示：lPN结的光生伏打效应是指半导体吸收光能后在PN结上产生电动势。（大面积蒸镀金属）减少阳光反射6.2 6.2 半导体太阳能电池半导体太阳能电池lPN结的光生伏打效应主要涉及三个主要的物理过程：（1）半导体材料吸收光能产生非平衡的电子-空穴对；（2）产生的非平衡电子和空穴从产生处以扩散或漂移 的方式向势场区（PN结的空间电荷区）运动，这种势场也可以是金属半导体的肖特基势垒或异质结的势垒等；（3）进入势场区的非平衡电子和空穴在势场的作用下向相反方向运动而分离，在P侧积累空穴，在N侧积累电子，建立起电势差。6.2 6.2 半导体太阳能电池半导体太阳能电池l开路电压oc：PN结开路时，两端的电势差。l光电流：PN结两端连接负载时，通过的电流。l短路光电流IL：PN结短路时的电流，是PN结太阳能电池能提供的最大电流。l光照下，在PN结扩散区以内产生的电子-空穴对，一旦进入PN结的空间电荷区，就会被内建电场所分离，在P（N）区边界将积累非平衡空穴（电子），产生一个与平衡PN结内建电场方向相反的光生电场。6.2 6.2 半导体太阳能电池半导体太阳能电池l开路状态下，光生载流子积累于PN结两侧。PN结两端的电位差（即开路电压）就是光生电动势Voc。l非平衡载流子的出现意味着N（P）区电子（空穴）准费米能级升高（降低），二者直接的距离等于qVoc。lPN结势垒高度比热平衡时下降qVoc。6.2 6.2 半导体太阳能电池半导体太阳能电池l外部短路时，短路电流在PN结内部从N区指向P区。非平衡载流子不再积累在PN结两侧，光电压为零。能带图恢复为（a，无光照平衡PN结情形）。l一般情况下，即使无负载，也存在等效串联电阻Rs。光生载流子只有一部分积累于PN结上，使势垒降低qV。P、N区费米能级相差qV。l与电注入相比，光生电流方向相当于普通二极管反向电流的方向。6.2 6.2 半导体太阳能电池半导体太阳能电池l暗电流：光照使PN结势垒降低等效于外加正向偏压，同样能引起P区空穴和N区电子向对方注入，形成PN结正向注入电流，方向与光生电流方向相反。是太阳电池的不利因素，应设法减小。6.2 6.2 半导体太阳能电池半导体太阳能电池u 太阳电池的IV特性串联电阻Rs=0的理想情况：RL为负载电阻，IL为短路光电流，ID为暗电流（即PN结正向电流）肖克利方程6.2 6.2 半导体太阳能电池半导体太阳能电池结饱和电流6.3 6.3 太阳电池的太阳电池的I IV V特性特性串联电阻Rs=0的理想情况：PN结上的电压为：开路情况下，I=0，得到开路电压为：这是太阳电池能够提供的最大电压。短路情况下，V=0，得到短路电流为：I=IL这是太阳电池能够提供的最大电流。GL:光生电子-空穴对的产生率，A:PN结的面积，A(Ln+Lp):光生载流子的体积。短路电流取决于光照强度和PN结的性质。整个器件均匀吸收太阳光的情况下：6.3 6.3 太阳电池的太阳电池的I IV V特性特性串联电阻Rs=0的理想情况：AM1：一级气团条件，即太阳在天顶，测试器件在晴朗天空下的海平面上。到达太阳电池的太阳能量略高100mW/cm2。AM0：器件放在大气层外（如卫星上），此时太阳能量约为135mW/cm2。大气对太阳光的衰减来自于臭氧层对紫外光的吸收、尘埃对太阳光的散射等。典型的太阳电池在一级气团光照下的I-V特性6.3 6.3 太阳电池的太阳电池的I IV V特性特性考虑存在串联电阻和分流电阻串联电阻Rs：接触电阻和薄层电阻的总和。分流电阻RSh：PN结漏泄电流。太阳电池的I-V特性方程为：6.4 6.4 太阳电池的效率太阳电池的效率太阳电池的效率是指太阳电池的功率转换效率，是太阳电池最大输出功率与输入光功率的百分比，表示为Pin为输入光功率，是各种频率的入射光功率的总和。PmIL单色光电转化效率,即入射单色光子-电子转化效率(monochromatic incident photon-to-electron conversion efficiency，用缩写IPCE表示)，也叫外量子效率。即单位时间内外电路中产生的电子数Ne与单位时间内的入射单色光子数Np之比。ISC为短路光电流密度(Am-2)，NA为阿佛加德罗常数(6.0221023mol-1)，F为法拉第常数(96485Cmol-1)。为单色光波长(m)，Pin为入射单色光的功率(Wm-2)，h为普朗克常数(6.62610-34Js)，c为光速(3108ms-1)。6.4 6.4 太阳电池的效率太阳电池的效率6.4 6.4 太阳电池的效率太阳电池的效率填充因子(Fill Factor,FF)：电池具有最大输出功率(Pm)时的电流(ImP)和电压(VmP)的乘积与短路光电流和开路光电压乘积的比值称为填充因子。IL对于做得好的电池，FF为0.70.8.PmImPVmP