【精品课件】光电子 Chapter3-1(zz) 发光二极管（LED）.ppt

* * 发光二极管（LED） pn结 pn结的形成 本征半导体。结构完整、纯净的半导体。如硅、锗。 n型半导体：在四价原子硅中掺入五价元素，就会有一个多余电子，该电子容易被原子释放而成为自由电子。易释放电子的原子称为施主(donor)。施主束缚电子的能量状态称为施主能级Ed，位于禁带中靠近导带底。 p型半导体：在四价原子硅中掺入三价元素，就会空缺一个电子，多出一个空穴，该空穴容易获取电子。容易获取电子的原子称为受主(acceptor)。受主获取电子的能量状态称为受主能级Ea，位于禁带中靠近价带顶。 注：单独的n型和p型半导体是电中性的。 在一块半导体材料中，一边掺杂为n型，另一边掺杂为p型，构成p-n结，交界面上载流子浓度是突变的。由于浓度不均匀，导致空穴从p区到n区、电子从n区到p区的扩散运动。 在p区一侧，空穴离开后，留下了不可移动的带负电荷的电离受主，因此出现一个负电荷区。在n区一侧，因电子离开，产生了由电离施主构成的正电荷区。 动态平衡下的pn结 两个有关运动的概念： ① 扩散运动 —— P型和N型半导体结合在一起时，由于交界面（接触界）两侧多子和少子的浓度有很大差别，N区的电子必然向P区运动，P区的空穴也向N区运动，这种由于浓度差而引起的运动称为扩散运动。扩散运动形成扩散电流。 ② 漂移运动 —— 在扩散运动同时，PN结构内部形成电荷区，（或称阻挡层，耗尽区等），在空间电荷区形成的内部形成电场的作用下，少子会定向运动产生漂移，即N区空穴向P区漂移，P区的电子向N区漂移。漂移运动形成漂移电流。 ｛N 区电子→→P 区 ｝ ID PN结两端掺杂浓度不均 →→ 扩散运动→→｛ ｝→→→ ｛P 区空穴→→N 区 ｝ ｛ P 区：电子 → 与空穴复合 →→ 空间电荷区↑宽｝ ID 复合→→｛ ｝ ｝→ →→ ｛ N 区：空穴 → 与电子复合 →→ 内部电场Uho↑ ｝ ｛ P 区电子→ N区→→空间电荷区↓窄 ｝ IT 漂移 →→→｛ ｝ ｝→ →→ 少子的漂移运动｛ N 区空穴→ P区→→内部电场Uho↓ ｝ ID IT ｛扩散↑ ID=IT ｛是动态平衡 ｛ →→→→ 趋于平衡 →→｛ ｛电场↑ ｛ 扩散电流 ID 等于漂移电流 IT 　　　 ｛ 流过空间电荷区的总电流为 0 →→→→ ｛ 　　　　　 ｛ 即：PN 结中的净电流为 0。从n区向p区扩散过去多少电子，同时就将有同样多的电子在内建电场的作用下返回n区。 结论： 在无外激发因素（光照、加热、电场作用）时，PN结内部 的扩散与漂移运动达到动态平衡，扩散电流ID = 漂移电流 IT，但方向相反，故此时PN结中无电流通过，形成一定的宽 度的耗尽层（空间电荷区）。 对称结与不对称结 PN结根据耗尽层的宽度分为对称结与不对称结： 对称结 —— 两个区（P区和N区）内耗尽层相等。（杂质浓度相等）。 不对称结 —— 杂质浓度高的侧耗尽层宽度小于杂质浓度低的一侧，这样的PN结为不对称结。 pn结的能带结构 构成pn结前，p型材料的费米能级靠近价带边缘，n型材料的费米能级靠近导带边缘。 当两块半导体结合形成p-n结时，电子将从费米能级高的n区流向费米能级低的p区，空穴则从p区流向n区，因而n型半导体的费米能级不断下降，而p型半导体的费米能级不断上移，直到两者的费米能级相等，此时pn结中有统一的费米能级。（在任何非均匀半导体中，热平衡时必具有统一的费米能级） 结区存在自建电场，电势由n区到p区逐渐降低。能带的弯曲量eVo称为p-n结的势垒（potential energy barrier）。n区的电子要进入p区必须越过势垒eVo