半导体光电材料基础-1
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第二章半导体材料的基本性质半导体材料是一类介于导体和绝缘体之间的材料,具有独特的电学性质和光学性质,广泛应用于电子器件和光电器件中。
本文将从电学性质和光学性质两个方面介绍半导体材料的基本性质。
一、电学性质1.带隙:半导体材料具有带隙,即价带和导带之间的能隙。
在绝缘体中,带隙较大,电子不易通过;在导体中,带隙为零,电子容易通过。
而在半导体中,带隙较小,介于绝缘体和导体之间,可以通过掺杂和加电场的方式改变其电导性能。
2.载流子:在半导体中,电子和空穴是载流子。
在纯净的半导体中,电子和空穴的数量相等,即n型和p型半导体中电子和空穴的浓度相等。
而在掺杂半导体中,通过掺杂可以使电子或空穴的浓度增加,从而改变其电导性质。
3.本征导电性:半导体材料在纯净状态下呈现本征导电性,即电导率较低。
本征导电性是由于半导体中的有限数量的载流子引起的。
n型半导体中主要是电子导电,p型半导体中主要是空穴导电。
本征导电性可以通过掺杂来改变。
4.外加电场下的导电性:在外加电场的作用下,半导体材料的导电性能发生变化。
当正电荷提供给半导体,将推动电子向正极移动,此时半导体变为n型半导体;当负电荷提供给半导体,将推动空穴向负极移动,此时半导体变为p型半导体。
这种现象被称为电场效应,也是半导体中众多器件如二极管和晶体管的基础。
二、光学性质1.吸收:半导体材料具有宽带隙能够吸收光的性质。
当光射入半导体中,部分光能会被电子吸收,使电子从价带跃迁到导带,此时光的能量将转化为电子的动能。
不同的半导体材料对不同波长的光吸收能力不同,这种特性使半导体材料成为光电器件的重要组成部分。
2.发光:除了吸收光能,有些半导体材料还可以发光。
当电子从导带跃迁到价带时,会释放出能量,部分能量以光的形式散发出来,形成发光现象。
不同的半导体材料对应不同的发光颜色,从红光到紫光等都可以通过不同材料的跃迁产生。
3.光电效应:半导体材料的光电效应是指当光照射到半导体表面时,会产生电流。
半导体的基本知识半导体是一种电导率介于导体和绝缘体之间的材料。
半导体的电性质可以通过施加电场或光照来改变,这使得半导体在电子学和光电子学等领域有广泛的应用。
以下是关于半导体的一些基本知识:1. 基本概念:导体、绝缘体和半导体:导体(Conductor):电导率很高,电子容易通过的材料,如金属。
绝缘体(Insulator):电导率很低,电子很难通过的材料,如橡胶、玻璃。
半导体(Semiconductor):电导率介于导体和绝缘体之间的材料,如硅、锗。
2. 晶体结构:半导体通常以晶体结构存在,常见的半导体材料有硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等。
3. 电子能带:价带和导带:半导体中的电子能带分为价带和导带。
电子在价带中,但在施加电场或光照的作用下,电子可以跃迁到导带中,形成电流。
能隙:价带和导带之间的能量差称为能隙。
半导体的能隙通常较小,这使得它在室温下就能够被外部能量激发。
4. 本征半导体和杂质半导体:本征半导体:纯净的半导体材料,如纯硅。
杂质半导体:在半导体中引入少量杂质(掺杂)以改变其导电性质。
掺入五价元素(如磷、砷)形成n型半导体,而掺入三价元素(如硼、铝)形成p型半导体。
5. p-n 结:p-n 结:将p型半导体和n型半导体通过特定工艺连接在一起形成p-n 结。
这是许多半导体器件的基础,如二极管和晶体管。
6. 半导体器件:二极管(Diode):由p-n 结构构成,具有整流特性。
晶体管(Transistor):由多个p-n 结构组成,可以放大和控制电流。
集成电路(Integrated Circuit,IC):在半导体上制造出许多微小的电子器件,形成集成电路,实现多种功能。
7. 半导体的应用:电子学:微电子器件、逻辑电路、存储器件等。
光电子学:光电二极管、激光二极管等。
太阳能电池:利用半导体材料的光伏效应。
这些是半导体的一些基本知识,半导体技术的不断发展推动了现代电子、通信和计算机等领域的快速进步。
《半导体光电学》课后习题第一章半导体中光子-电子的相互作用思考与习题1、在半导体中有哪几种与光有关的跃迁,利用这些光跃迁可制造出哪些类型的半导体光电子学期间。
2、为什么半导体锗、硅不能用作为半导体激光器的有源介质,面却是常用的光探测器材料?3、用量子力学理论证明直接带隙跃迁与间接带隙跃迁半导体相比其跃迁几率大。
4、什么叫跃迁的K选择定则?它对电子在能带间的跃迁速率产生什么影响?5、影响光跃迁速率的因素有哪些?6、推导伯纳德-杜拉福格条件,并说明其物理意义。
7、比较求电子态密度与光子态密度的方法与步骤的异同点。
8、在半导体中重掺杂对能带结构、电子态密度、带隙、跃迁几率等带来什么影响?9、什么叫俄歇复合?俄歇复合速率与哪些因素有关?为什么在GaInAsP/InP等长波长激光器中,俄歇复合是影响其阀值电流密度、温度稳定性与可靠性的重要原因?10、比较严格k选择定则与其受到松弛情况下增益-电流特性的区别。
11、带尾的存在对半导体有源介质增益特性产生哪些影响?12、证明式(1.7-20)。
13、说明图1.7-5和图1.7-6所依据的假设有何不同?并说明它们各自的局限性。
第二章异质结思考与习题1、什么是半导体异质结?异质结在半导体光电子器件中有哪些作用?2、若异质结由n型(E∅1,χ1,ϕ1)和P型半导体(E∅2,χ2,ϕ2)结构,并有E∅1<E∅2,χ1>χ2,ϕ1<ϕ2,试画出np 能带图。
3、同型异质结的空间电荷区是怎么形成的?它与异质结的空间电荷形成机理有何区别?4、推导出pn 异质结结电容C j 与所加正向偏压的关系,C j 的大小时半导体光电子器件的应用产生什么影响?5、用弗伽定律计算Ga 1−x Al x As 半导体当x=0.4时的晶格常数,并求出GaAs 的晶格失配率。
6、探讨在Si 衬底上生GaAs 异质结的可能性。
7、用Ga 1−x Al x As 半导体作为激射波长为0.78μm 可且光激光器的有源材料,计算其中AlAs 的含量。
1.1 半导体基础知识1.1.1 半导体的特性自然界的各种物质,根据其导电能力的差别,可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。
[下一页]半导体的特性硅原子的序数是14、原子核外有14个电子,最外层有4个电子,称为价电子,带4个单位负电荷。
通常把原子核和内层电子看作一个整体,称为惯性核。
惯性核带有4个单位正电荷,最外层有4个价电子带有4个单位负电荷,因此,整个原子为电中性。
[下一页]1.1.2 本征半导体在本征半导体的晶体结构中,每一个原子与相邻的四个原子结合。
每一个原子的价电子与另一个原子的一个价电子组成一个电子对。
这对价电子是每两个相邻原子共有的,它们把相邻原子结合在一起,构成所谓共价键的结构。
一般来说,共价键中的价电子不完全像绝缘体中价电子所受束缚那样强,如果能从外界获得一定的能量(如光照、升温、电磁场激发等),一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为自由电子,这种物理现象称作为本征激发,价电子受激发挣脱原子核的束缚成为自由电子的同时,在共价键中便留下了一个空位子,称“空穴”。
如图所示。
当空穴出现时,相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键而填补到这个空穴中来,使该价电子原来所在共价键中出现一个新的空穴,这个空穴又可能被相邻原子的价电子填补,再出现新的空穴。
价电子填补空穴的这种运动无论在形式上还是效果上都相当于带正电荷的空穴在运动,且运动方向与价电子运动方向相反。
为了区别于自由电子的运动,把这种运动称为空穴运动,并把空穴看成是一种带正电荷的载流子。
在本征半导体内部自由电子与空穴总是成对出现的,因此将它们称作为电子-空穴对。
当自由电子在运动过程中遇到空穴时可能会填充进去从而恢复一个共价键,与此同时消失一个“电子-空穴”对,这一相反过程称为复合。
在一定温度条件下,产生的“电子空穴对”和复合的“电子空穴对”数量相等时,形成相对平衡,这种相对平衡属于动态平衡,达到动态平衡时,“电子-空穴对”维持一定的数目。
半导体器件基础半导体器件是由半导体材料制成的电子元件,用于控制和放大电流和电压。
常见的半导体器件有二极管、晶体管、场效应管、双极型晶体管、光电二极管等。
半导体器件的基础知识包括以下几个方面:1. 半导体材料:半导体器件主要使用硅(Si)和砷化镓(GaAs)等半导体材料。
半导体材料具有介于导体和绝缘体之间的电导特性,可以通过控制材料的掺杂来调节其导电性。
2. PN结:PN结是半导体器件中最基本的结构,由P型和N型半导体材料直接接触而成。
在PN结中,P型半导体中的空穴与N型半导体中的电子发生复合,形成一个电子云区,这称为耗尽区。
耗尽区的存在使得PN结具有正向导通和反向截止的特性。
3. 二极管:二极管是一种最简单的半导体器件,由PN结构成。
在正向偏置(即P端连接正电压)时,二极管导通,允许电流通过;在反向偏置(即N端连接正电压)时,二极管截止,电流无法通过。
二极管广泛用于整流和保护电路中。
4. 晶体管:晶体管是一种三层构造的半导体器件,通常分为NPN和PNP两种类型。
晶体管可以作为开关或放大器使用,可以控制一个输入电流或电压来控制另一个输出电流或电压。
晶体管的放大性能使得它在电子设备中有广泛的应用。
5. 场效应管:场效应管是一种基于电场效应的半导体器件,包括MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)和JFET (结型场效应管)两种。
场效应管具有高输入电阻、低输入电流、低噪声等特点,常用于放大和开关电路中。
6. 光电器件:光电器件包括光电二极管和光电三极管,它们能够将光信号转换为电信号。
光电器件广泛应用于光通信、光电传感、光能转换等领域。
以上是半导体器件基础的概述,深入了解半导体器件还需要学习更多的电子物理和电路理论知识。
半导体材料(复习资料)半导体材料复习资料0:绪论1.半导体的主要特征:(1)电阻率在10-3 ~ 109 ??cm 范围(2)电阻率的温度系数是负的(3)通常具有很高的热电势(4)具有整流效应(5)对光具有敏感性,能产生光伏效应或光电导效应2.半导体的历史:第一代:20世纪初元素半导体如硅(Si)锗(Ge);第二代:20世纪50年代化合物半导体如砷化镓(GaAs)铟磷(InP);第三代:20世纪90年代宽禁带化合物半导体氮化镓(GaN)碳化硅(SiC)氧化锌(ZnO)。
第一章:硅和锗的化学制备第一节:硅和锗的物理化学性质1.硅和锗的物理化学性质1)物理性质硅和锗分别具有银白色和灰色金属光泽,其晶体硬而脆。
二者熔体密度比固体密度大,故熔化后会发生体积收缩(锗收缩5.5%,而硅收缩大约为10%)。
硅的禁带宽度比锗大,电阻率也比锗大4个数量级,并且工作温度也比锗高,因此它可以制作高压器件。
但锗的迁移率比硅大,它可做低压大电流和高频器件。
2)化学性质(1)硅和锗在室温下可以与卤素、卤化氢作用生成相应的卤化物。
这些卤化物具有强烈的水解性,在空气中吸水而冒烟,并随着分子中Si(Ge)?H键的增多其稳定性减弱。
(2)高温下,化学活性大,与氧,水,卤族(第七族),卤化氢,碳等很多物质起反应,生成相应的化合物。
注:与酸的反应(对多数酸来说硅比锗更稳定);与碱的反应(硅比锗更容易与碱起反应)。
2.二氧化硅(SiO2)的物理化学性质物理性质:坚硬、脆性、难熔的无色固体,1600℃以上熔化为黏稠液体,冷却后呈玻璃态存在形式:晶体(石英、水晶)、无定形(硅石、石英砂) 。
化学性质:常温下,十分稳定,只与HF、强碱反应3.二氧化锗(GeO2)的物理化学性质物理性质:不溶于水的白色粉末,是以酸性为主的两性氧化物。
两种晶型:正方晶系金红石型,熔点1086℃;六方晶系石英型,熔点为1116℃化学性质:不跟水反应,可溶于浓盐酸生成四氯化锗,也可溶于强碱溶液,生成锗酸盐。
半导体器件重要知识点总结一、半导体基础知识1. 半导体的概念及特性:半导体是指导电性介于导体和绝缘体之间的一类材料。
由于半导体材料的导电性能受温度、光照等外部条件的影响比较大,它可以在不同的条件下表现出不同的导电特性。
半导体材料常见的有硅、锗等。
2. P型半导体和N型半导体:P型半导体是指在半导体材料中掺入了3价元素,如硼、铝等,使其成为带正电荷的空穴主导的半导体材料。
N型半导体是指在半导体材料中掺入了5价元素,如磷、砷等,使其成为自由电子主导的半导体材料。
3. 掺杂:半导体器件在制造过程中一般都要进行掺杂,以改变其导电性能。
掺杂分为N型掺杂和P型掺杂,通过掺杂可以使半导体材料的导电性能得到调控,从而获得所需要的电子特性。
4. pn结:pn结是指将P型半导体和N型半导体直接连接而成的结构,它是构成各类半导体器件的基础之一。
pn结具有整流、发光、光电转换等特性,在各类器件中得到了广泛的应用。
二、半导体器件的基本知识1. 二极管(Diode):二极管是一种基本的半导体器件,它采用pn结的结构,在正向偏置时可以导通,而在反向偏置时则将电流阻断。
二极管在各类电子电路中具有整流、电压稳定、信号检测等重要作用。
2. 晶体管(Transistor):晶体管是一种由半导体材料制成的三电极器件,它采用多个pn结的结构,其主要功能是放大信号、开关电路和稳定电路等。
晶体管在各类电子器件中扮演着至关重要的作用,是现代电子技术的重要组成部分。
3. 集成电路(IC):集成电路是将大量的半导体器件集成在一块半导体芯片上的器件,它可以实现各种功能,如存储、计算、通信等。
集成电路在现代电子技术中已成为了各类电子产品不可或缺的一部分,是现代电子产品的核心之一。
4. MOS场效应管(MOSFET):MOSFET是一种基于金属-氧化物-半导体的结构的场效应晶体管,它在功率控制、开关电路、放大器等方面有着重要的应用。
MOSFET在各类电源、电动机控制等领域得到了广泛的应用。
1.1 半导体基础知识概念归纳本征半导体定义:纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。
电流形成过程:自由电子在外电场的作用下产生定向移动形成电流。
绝缘体原子结构:最外层电子受原子核束缚力很强,很难成为自由电子。
绝缘体导电性:极差。
如惰性气体和橡胶.半导体原子结构:半导体材料为四价元素,它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚,也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧.半导体导电性能:介于半导体与绝缘体之间.半导体的特点:★在形成晶体结构的半导体中,人为地掺入特定的杂质元素,导电性能具有可控性。
★在光照和热辐射条件下,其导电性有明显的变化.晶格:晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵,称为晶格。
共价键结构:相邻的两个原子的一对最外层电子(即价电子)不但各自围绕自身所属的原子核运动,而且出现在相邻原子所属的轨道上,成为共用电子,构成共价键。
自由电子的形成:在常温下,少数的价电子由于热运动获得足够的能量,挣脱共价键的束缚变成为自由电子.空穴:价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。
电子电流:在外加电场的作用下,自由电子产生定向移动,形成电子电流。
空穴电流:价电子按一定的方向依次填补空穴(即空穴也产生定向移动),形成空穴电流。
本征半导体的电流:电子电流+空穴电流.自由电子和空穴所带电荷极性不同,它们运动方向相反。
载流子:运载电荷的粒子称为载流子。
导体电的特点:导体导电只有一种载流子,即自由电子导电。
本征半导体电的特点:本征半导体有两种载流子,即自由电子和空穴均参与导电。
本征激发:半导体在热激发下产生自由电子和空穴的现象称为本征激发.复合:自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴,使两者同时消失,这种现象称为复合。
动态平衡:在一定的温度下,本征激发所产生的自由电子与空穴对,与复合的自由电子与空穴对数目相等,达到动态平衡。
载流子的浓度与温度的关系:温度一定,本征半导体中载流子的浓度是一定的,并且自由电子与空穴的浓度相等。
半导体基础知识详细半导体是一种电子特性介于导体和绝缘体之间的材料。
它的电阻率介于导体和绝缘体之间,而且在外界条件下可以通过控制电场、光照、温度等因素来改变其电子特性。
半导体材料广泛应用于电子器件、太阳能电池、光电器件、传感器等领域。
1. 半导体的基本概念半导体是指在温度为绝对零度时,其电阻率介于导体和绝缘体之间的材料。
在室温下,半导体的电阻率通常在10^-3到10^8Ω·cm之间。
半导体的导电性质可以通过控制材料中的杂质浓度来改变,这种过程称为掺杂。
2. 半导体的晶体结构半导体的晶体结构分为两种:共价键晶体和离子键晶体。
共价键晶体是由原子间共享电子形成的晶体,如硅、锗等。
共价键晶体的晶格结构稳定,电子在晶格中移动时需要克服较大的势垒,因此其导电性较差。
离子键晶体是由正负离子间的静电作用形成的晶体,如氯化钠、氧化镁等。
离子键晶体的晶格结构较稳定,电子在晶格中移动时需要克服较小的势垒,因此其导电性较好。
3. 半导体的能带结构半导体的能带结构是指半导体中电子能量的分布情况。
半导体的能带结构分为价带和导带两部分。
价带是指半导体中最高的能量带,其中填满了价电子。
导带是指半导体中次高的能量带,其中没有或只有很少的电子。
当半导体中的电子受到外界激发时,可以从价带跃迁到导带,形成电子空穴对。
4. 半导体的掺杂半导体的掺杂是指向半导体中加入少量的杂质原子,以改变其电子特性。
掺杂分为n型和p 型两种。
n型半导体是指向半导体中掺入少量的五价杂质原子,如磷、砷等。
这些杂质原子会向半导体中释放一个电子,形成自由电子,从而提高半导体的导电性能。
p型半导体是指向半导体中掺入少量的三价杂质原子,如硼、铝等。
这些杂质原子会从半导体中吸收一个电子,形成空穴,从而提高半导体的导电性能。
5. 半导体器件半导体器件是利用半导体材料制造的电子器件,包括二极管、晶体管、场效应管、集成电路等。
二极管是一种由n型半导体和p型半导体组成的器件,具有单向导电性。
半导体照明(LED)百 题 问 答上海市光电子行业协会二OO五年二月1、光的本质是什么,物体发光有哪几种方式? (3)2、谓电致发光?半导体发光为何属冷光? (4)4、简单介绍一下LED的发展历史好吗? (5)5、请问照明光源的基本种类与主要性能有哪些? (5)6、如何描述LED的基本特性? (6)7、传统光源相比,LED光源有哪些优点? (7)9、何谓绿色照明光源?它有哪些特点? (8)10、为什么说21世纪将迎来照明产业自爱迪生发明白炽灯以来又一次产业革命? (9)12、哪些产业是LED产业链的构成部分? (9)18、当前我国LED产品与国际先进相比,主要差距在哪里? (10)19.LED的发光源是——PN结,是如何制成的?哪些是常用来制造LED的半导体材料?10 22、当前生产超高亮LED的外延方法主要有几种?什么是MOCVD? (11)27、请可否能深入浅出地介绍一下LED芯片的制造流程。
(12)29、通过哪些芯片制造过程中的工艺技术措施,可以提高芯片发光强度与出光效率? (13)30、LED的芯片为什么要分成诸如8mil,9mil...13至22mil,40mil等不同的尺寸?尺寸大小对LED光电特性有哪能些影响? (15)34、请介绍一下“透明电极”芯片的结构与它的特点? (15)35、什么是“倒装装芯片”(Flip Chip)?它的结构如何?它有哪些优点? (16)36、用于半导体照明的芯片技术的发展主流是什么? (16)37、LED芯片封装成发光二极管一般可以分成哪几种形式?他们在结构上各有什么不同? (17)38、LED芯片封装成器件一般的制造程是什么? (17)39、为什么要将芯片进行封装?封装后的器件比裸芯在性能上有什么不同? (18)41、何谓“一次光学设计”?LED封装中有哪几种出光透镜?他们有何特点? (19)42、大功率LED的封装形式目前常见的有哪几种?他们各自有哪些异同? (19)46、能否简单介绍一下芯片粘结工艺中的“合金粘结”工艺? (20)48、白光LED是通过哪些方法来实现的? (21)49.当前制造白光LED的主流方法是什么? (22)50.白光LED当前具有代表性的产品的水平如何? (22)51.什么是色温?什么是显色指数? (22)52.照明领域对白光LED的光电性能有哪些基本要求? (23)54.LED光源取代传统光源从目前来看还需克服哪些障碍和基本技术关键? (23)55.白光LED的光谱与单色光(红、黄、蓝、紫等)的光谱有些什么区别? (25)56.为什么用太阳能电池与白光LED组合的照明系统被称为“真正的绿色照明”系统?.25 59.什么是LED的内量子效率?不同的发光波长,假定内量子效率达100%,其电-光效率有何不同? (26)60、LED PN结有源层发出的光子能否100%逸出到空气中? (27)62、能否简述一下提高LED芯片电一光转换效率的意义何在? (28)63、衡量LED器件光电转换优劣的参数主要有哪些? (29)64、单个LED的流明效率与用LED作光源构成的灯具的流明效率有什么异同? (30)65、什么是人眼对光的视觉函数? (31)66、人眼对光的视觉函数这一特点对我们了解LED有什么作用? (31)67、为什么一个蓝光LED在涂上特殊的荧光粉构成白光LED后,其辐射光通量会比蓝光的高出几倍基至十几倍? (32)68、LED在照明应用中,往往要知道这个LED的照度是多少,请问照度的定义是什么?知道了这个LED的辐射光通量,能否求出它的照度? (33)70、请问LED光通量φ与发光强度即光强是否能相互转换? (34)71、LED的发光强度Iv与照度E之间如何进行换算? (34)72、为什么说用积分球来测量LED的光通量时,可以认为:在积分球内表面任一点位置上得到的由另一部分反射出的照度,不受点的位置的影响? (35)73、为什么LED PN结上温度升高会引起它的光电参数退化? (36)75、衡量LED长期使用性能退化的主要指标是什么? (36)76、什么是LED的结温,它是如何产生的? (37)77、简述结温对LED光输出的影响 (38)79.当结温上升时,LED的发光波长与颜色如何变化? (39)80.简述什么是热阻?它的定义和单位是什么? (40)81.LED PN结上最高结温的含义是什么? (40)82.试述LED器件的热阻模型,它由哪些部分构成?各有什么特点? (41)83.为什么说提高光效可降低结温,试述提高光效的主要途径 (42)84.试述热阻在功率LED光源应用中的作用 (43)85、如何减小LED的热阻值 (44)86.请简单介绍一下目前常用的热阻测试方法: (45)87.何谓功率型LED,请介绍一下它的发展概况: (46)90.LED工作时,较好的驱动方法是什么方法? (47)91.有哪些常用的恒流驱动LED的方法?请作简单介绍。