半导体光电材料基础-2.ppt

半导体光电材料基础 天津大学材料学院 杨静 2010.10 参考书目 孟庆巨等，半导体器件物理，科学出版社，2009 曾谨言，量子力学导论，北京大学出版社, 1998 傅竹西， 固体光电子学，中国科技大学出版社，1999 黄昆原著，韩汝琦改编，固体物理学，高等教育出版社，1988 姚建铨等，光电子技术，高等教育出版社，2006 黄书万，光电材料，上海科学技术出版社，1987 刘恩科等，半导体物理学，西安交通大学出版社，1998 孟宪章等，半导体物理学，吉林大学出版社，1993 考核方式： 平时成绩（20%）：考勤及课堂提问 期末成绩（80%）：文献综述（纸质+PPT） 要求：每位同学从备选题目中选择其一，查阅相关文献，完成文献综述报告，并在课上做口头报告（15?20分钟/人，并回答老师和同学提出的问题）。 文献综述备选题目： 量子点太阳能电池研究进展 量子点生物荧光探针研究进展（可见光量子点、红外量子点等） 量子点激光器研究进展 半导体超晶格材料研究进展 半导体发光二极管（LED）研究进展 课程主要内容： 第一章 半导体光电材料概述 第二章 半导体中的电子状态 第三章 杂质和缺陷能级 第四章 非平衡载流子 第五章 PN结 第六章 半导体太阳能电池 第七章 发光二极管和半导体激光器 第八章 荧光量子点 第九章 超晶格（半导体物理学 孟） 第三章 杂质和缺陷能级 第四章 非平衡载流子 第五章 PN结 4.1 非平衡载流子的产生与复合 非平衡载流子的注入 光注入：用光照射半导体产生非平衡载流子的方法。（光-电器件，光-光器件） 电注入： ? 给PN结加正向偏压，PN结在接触 面附近产生非平衡载流子。 ? 当金属和半导体接触时，加上适当的偏压，也可以注入非平衡载流子。 （电-光器件） 4.1 非平衡载流子的产生与复合 非平衡载流子的复合 非平衡载流子的复合：非平衡载流子是在外界作用下产生的，当外界作用撤除以后，由于半导体的内部作用，导带中的非平衡电子将落入到价带的空状态中，使电子和空穴成对地消失。 非平衡载流子的复合是半导体由非平衡态趋向平衡态的一种弛豫过程，属于统计性的过程。 4.1 非平衡载流子的产生与复合 统计性的过程 热平衡情况下，载流子的产生率 = 载流子复合率，使载流子浓度维持一定。 当有外界作用时（如光照），产生率 复合率，半导体中载流子数目增多，即产生非平衡载流子。随着非平衡载流子数目的增多，复合率增大，当产生率 =复合率时，非平衡载流子数目不再增多。 外界作用撤除后，产生率 复合率，非平衡载流子数目逐渐减少，最后恢复到热平衡情况。 4.1 非平衡载流子的产生与复合 非平衡载流子的寿命 ? 实验证明，在只存在体内复合的情况下，t 时刻非平衡载流子的浓度为 ?p为t=0时的非平衡载流子浓度。 ? 标志着非平衡载流子在复合前的平均存在时间，称为非平衡载流子的寿命，可以在10-2 ~ 10-9 s 的范围内变化。1/? 是单位时间内每个非平衡载流子被复合掉的概率。 4.2 准费米能级 热平衡时，可以用一个统一的费米能级EF 来描述半导体中的电子和空穴的浓度。 非平衡时，由于非平衡载流子的注入，费米能级变得没有意义。但可以定义EFn 和 EFp来代替上式中的EF， EFn 和 EFp 分别为电子和空穴的准费米能级。 导带 价带 Ei EF N 型半导体 EFn EFp 4.3 复合机制 根据复合过程的微观机制，分为直接复合和间接复合。 根据复合过程发生的位置，分为体内复合和表面复合。 载流子复合时释放能量的方式：1）发射光子；2）发射声子；3）俄歇复合（将能量给予其他载流子，增加它们的动能）。 * * 能带理论 周期场中运动的电子的能级形成能带是能带论最基本的结果之一。 一般地， 标志一个状态需要表明： （1）它属于哪一个能带； （2）它的简约波矢 等于什么。 近自由电子近似 晶体中电子波函数?(r)的求解，需要根据具体情况的不同采用不同的近似方法。 近自由电子近似——在某些晶体中，例如在金属中，正离子对价电子的束缚很弱，电子的势能V(r)的周期变化部分与平均动能比较起来要小，因此电子的运动虽受周期势场的影响，但很接近于自由电子，这样就把周期势场作为对自由电子的微扰来处理。(克勒尼希-彭尼) 能带理论 近自由电子近似 它的解就是恒定场 中自由电子的解： 假定周期势场的起伏比较小，作为零级近似，可以用势场的平均值 代替V(r)，把周期起伏