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1、第10讲54半导体物理II半导体的物理效应 第10讲5-4半导体物理II半导体的物理效应 第5章 导电物理 章5.1 概述 5.2 材料的导电性能 5.3 金属电导 5.4 半导体物理 5.5 超导物理5.4 半导体物理5.4.1 5.4.2 5.4.3 半导体与p-n结 半导体的物理效应 能带理论在半导体中的应用5.4.2 半导体的物理效应5.4.2.1 余辉效应 5.4.2.1 发光二极管 5.4.2.1 激光二极管 5.4.2.1 光伏特效应5.4.2.1余辉效应光致发光效应价带的电子受到入射光子的激发后， 价带的电子受到入射光子的激发后， 会跃过禁带进入导带。 会跃过禁带进入导带。 如

2、果导带上的这些 被激发的电子又跃迁回到价带时， 被激发的电子又跃迁回到价带时，会以放 出光子的形式来释放能量，这就是光致发 出光子的形式来释放能量，这就是光致发 光效应，也称为荧光效应 荧光效应。 光效应，也称为荧光效应。 图5.18 荧光产生原理 (a) 金属 金属; (b) 半导体光致发光现象不会在金属中产生。 光致发光现象不会在金属中产生。 因为在 金属中，具有没有充满电子的能带， 金属中，具有没有充满电子的能带，低能级的 电子只会激发到同一能带的高能级。 电子只会激发到同一能带的高能级。 在同一能 带内，电子从高能级跃迁回到低能级， 带内，电子从高能级跃迁回到低能级，所释放 的能量太小

3、，产生的光子的波长太长， 的能量太小，产生的光子的波长太长，远远超 过可见光的波长。 过可见光的波长。 在某些陶瓷和半导体中， 在某些陶瓷和半导体中，价带和导带之 间的禁带宽度适中， 间的禁带宽度适中，被激发的电子从导带跃 回到价带时释放的光子波长刚好在可见光波 所以具有光致发光效应， 段，所以具有光致发光效应，这类材料称为 荧光材料。 荧光材料。 日光灯灯管的内壁涂有荧光物质。 日光灯灯管的内壁涂有荧光物质。 管内 的汞蒸气在电场作用下发出紫外线， 的汞蒸气在电场作用下发出紫外线，这些紫 外线轰击在荧光物质上使其发光， 外线轰击在荧光物质上使其发光，关掉电源 后荧光物质便不再发光。 后荧光物

4、质便不再发光。 余辉现象如果荧光材料中含有一些微量杂质， 如果荧光材料中含有一些微量杂质，且 这些杂质的能级位于禁带内， 这些杂质的能级位于禁带内，相当于陷阱能 级(Ed)，从价带被激发的电子进入导带后， ，从价带被激发的电子进入导带后， 就会掉入这些陷阱能级。 就会掉入这些陷阱能级。 因为这些被陷阱能 级所捕获的激发电子必须首先脱离陷阱能级 进入导带，然后这些电子跃回到价带， 进入导带，然后这些电子跃回到价带，才能 发出可见光，所以它们被入射光子激发后， 发出可见光，所以它们被入射光子激发后， 需要延迟一段时间才会发光， 需要延迟一段时间才会发光，这样就出现了 所谓的余辉现象 余辉现象。 所

5、谓的余辉现象。 余 辉 时 间余辉时间取决于这些陷阱能级与导带之 间的能级差， 陷阱能级深度。 间的能级差，即陷阱能级深度。 因为在一 定温度下， 定温度下，处于较深的陷阱能级上的电子 被热重新激发到导带的几率较小， 被热重新激发到导带的几率较小，或者电 子进入导带后又落入其他陷阱能级（ 子进入导带后又落入其他陷阱能级（发生 多次捕获），这些情况都使余辉时间变长， ），这些情况都使余辉时间变长 多次捕获），这些情况都使余辉时间变长， 也就是使发光的衰减变得很慢。 也就是使发光的衰减变得很慢。 图5.19 余辉产生原理荧光材料电视机显示屏所用的荧光材料 夜光材料 ? ZnSCu ? SrAl2O

6、4Eu,Dy 图5.20 SrAl2O4Eu,Dy长余辉材料的发光原理 长余辉材料的发光原理5.4.2.2 发光二极管余辉效应是入射光引起的半导体发光现 余辉效应是入射光引起的半导体发光现 而发光二极管则是电场 电场引起的半导体发 象，而发光二极管则是电场引起的半导体发 光现象。 光现象。 平衡p-n结 结 平衡正偏注入发光半导体p 半导体p-n结发光的原理在正向偏压的作用下， 结势垒降低， 在正向偏压的作用下，p-n结势垒降低，势 结势垒降低 垒区内建电场也相应减弱， 垒区内建电场也相应减弱，载流子也会在正向偏 压的作用下发生扩散。 型半导体区内的多数载流 压的作用下发生扩散。 n型半导体区

7、内的多数载流 子电子扩散到p型半导体区 同时p型半导体区内 型半导体区， 子电子扩散到 型半导体区，同时 型半导体区内 的多数载流子空穴扩散到n型半导体区 型半导体区。 的多数载流子空穴扩散到 型半导体区。 这些注入 区的载流子电子和注入到n区的载流子空穴都 到p区的载流子电子和注入到 区的载流子空穴都 区的载流子电子和注入到 是非平衡的少数载流子。 是非平衡的少数载流子。 这些非平衡的少数载流 子不断与多数载流子复合而发光，这就是半导体 子不断与多数载流子复合而发光， p-n结发光的原理。 结发光的原理 结发光的原理。 导致发光的能级跃迁除了可以在导带与 价带这样的带与带之间（称为本征跃迁）

8、 价带这样的带与带之间（称为本征跃迁）发 生外，还可以在杂质能级与带之间、 生外，还可以在杂质能级与带之间、杂质能 级之间（称为非本征跃迁）发生。 级之间（称为非本征跃迁）发生。 图5.22 材料发光与能级跃迁导带上的电子还会以热量的形式释放出 一部分能量后掉入杂质能级， 一部分能量后掉入杂质能级，然后再向价带 跃迁。 这种跃迁称为间接跃迁， 跃迁。 这种跃迁称为间接跃迁，其能量小于 禁带宽度。 间接跃迁可以有4种类型 种类型。 禁带宽度。 间接跃迁可以有 种类型。 图5.23 发光二极管的发光颜色与材料成分的关系能级跃迁所产生的光子并不能够全部传 到半导体材料的外部来。 到半导体材料的外部来

9、。 因为从发光区发出 的光子不仅在通过半导体材料时有可能被再 吸收， 吸收，而且在半导体的表面处很可能发生全 发射而返回到半导体材料内部。 发射而返回到半导体材料内部。 为了避免这 种现象，可以将半导体材料表面制成球面， 种现象，可以将半导体材料表面制成球面， 并使发光区域处于球心位置。 并使发光区域处于球心位置。 5.4.2.3 激光二极管? 处于低能级的电子吸收一个入射光子后，从低能 处于低能级的电子吸收一个入射光子后， 级被激发到高能级，这个过程称为光吸收 光吸收。 级被激发到高能级，这个过程称为光吸收。 ? 当电子从高能级跃迁回到低能级时，会辐射放出 当电子从高能级跃迁回到低能级时，

10、一个光子，这种辐射称为自发辐射 自发辐射。 一个光子，这种辐射称为自发辐射。 ? 除了自发辐射外，还有一种受激辐射。 在受激辐 除了自发辐射外，还有一种受激辐射 受激辐射。 射过程中，处于高能级的电子受到入射光子的作用， 射过程中，处于高能级的电子受到入射光子的作用， 跃迁到低能级，并辐射放出一个与入射光子在频率、 跃迁到低能级，并辐射放出一个与入射光子在频率、 位相、传播方向、 位相、传播方向、偏振状态等各方面完全相同的光 子。 当注入光子时，光吸收（受激吸收） 当注入光子时，光吸收（受激吸收） 与受激辐射这两种过程究竟哪一种占主导 地位， 地位，取决于处于高能级上和处于低能级 上的电子数量

11、之比。 上的电子数量之比。 如果处于高能级上的电子数大于处于 低能级上的电子数， 低能级上的电子数，受激辐射就会超过光 吸收，而导致激光的产生。 激光的产生 吸收，而导致激光的产生。 高浓度掺杂的p-n结制成的激光二极管 结制成的激光二极管 高浓度掺杂的对于高浓度掺杂的半导体p-n结，由于杂质浓 结 对于高浓度掺杂的半导体 度很高， 型区内来自杂质能级的载流子电子非常 度很高，n型区内来自杂质能级的载流子电子非常 费密能级位于导带之中。 另外， 型区的价带 多，费密能级位于导带之中。 另外，p型区的价带 中的载流子空穴也非常多， 型区的费密能级位于 中的载流子空穴也非常多，p型区的费密能级位于

12、 价带之中。 当加上正向偏压时， 区向 区向p区注入载 价带之中。 当加上正向偏压时，n区向 区注入载 流子电子， 区向n区注入载流子空穴 流子电子，而p区向 区注入载流子空穴。 区向 区注入载流子空穴。 激光二极管为高浓度掺杂半导体， 激光二极管为高浓度掺杂半导体，平衡时势垒 很高，所加正向电压不足以使势垒消失。 很高，所加正向电压不足以使势垒消失。 这些载 流子电子和载流子空穴聚集在p-n结附近，形成所 结附近， 流子电子和载流子空穴聚集在 结附近 谓的激活区。 谓的激活区。 图5.24半导体激光产生原理 半导体激光产生原理5.4.2.4 光伏特效应光激发伏特效应是另一个重要的半导 体物理

13、效应，是太阳能电池的理论基础。 体物理效应，是太阳能电池的理论基础。 硅太阳能电池就是利用p-n结制成的。 结制成的。 硅太阳能电池就是利用 结制成的图5.25 光伏特效应原理当禁带宽度相等的p型半导体与 型半导体的结 当禁带宽度相等的 型半导体与n型半导体的结 型半导体与 即为同质结） 合（即为同质结）时，由于二者的母体可以采用同 种材料（如硅），二者的结合面的共格性能很好， ），二者的结合面的共格性能很好 种材料（如硅），二者的结合面的共格性能很好， 很少产生缺陷，而这些缺陷作为电子捕获中心， 很少产生缺陷，而这些缺陷作为电子捕获中心，会 降低太阳能电池的性能。 降低太阳能电池的性能。 p

14、-n结太阳能电池的特点是对半导体材料的纯度 结太阳能电池的特点是对半导体材料的纯度 要求很高。 如果不控制好杂质原子， 要求很高。 如果不控制好杂质原子，就得不到所需 的p型半导体和 型半导体。 另外，激发产生的空穴 型半导体和n型半导体。 另外， 型半导体和 型半导体 和电子对很容易相互结合而消失， 和电子对很容易相互结合而消失，从而降低了电池 效率。 所以p-n结太阳能电池始终难以得到大规模 效率。 所以 结太阳能电池始终难以得到大规模 应用。 应用。 近年来， 近年来，TiO2半导体的光催化性能引起 人们的重视。 本田-藤岛 藤岛（ 人们的重视。 本田 藤岛（Honda-Fijishim

15、a） ） 年发现， 在1972年发现，水溶液中的 年发现 水溶液中的TiO2电极被光照 射后，在二氧化钛电极上会产生氧气， 射后，在二氧化钛电极上会产生氧气，在对 极的铂电极上会产生氢气。 极的铂电极上会产生氢气。 光激发的电子进 入半导体电极内部，空穴到达半导体表面。 入半导体电极内部，空穴到达半导体表面。 此空穴与水里的氧离子相互作用， 此空穴与水里的氧离子相互作用，电子则通 过铂电极与氢离子相互作用。 过铂电极与氢离子相互作用。 这一效应又称 效应。 为Honda-Fijishima效应。 效应Honda-Fijishima效应给了人们一种利 效应给了人们一种利 用太阳能将水分解成氢气和

16、氧气的可能性。 用太阳能将水分解成氢气和氧气的可能性。 电解水最少需1.23eV的电压，所以半导体禁 的电压， 电解水最少需 的电压 带至少要1.23eV以上，实际需要 以上， 以上。 带至少要 以上 实际需要2eV以上。 以上 二氧化钛的禁带有3eV，满足此条件，SnO2 二氧化钛的禁带有 ，满足此条件， 也满足此条件。 也满足此条件。 由于TiO2半导体的禁带宽度比较大，如 半导体的禁带宽度比较大， 由于 果制成太阳能电池， 果制成太阳能电池，则只有波长很短的紫外 线能够将TiO2的价带电子激发到导带上去， 的价带电子激发到导带上去， 线能够将 因此对太阳能的利用效率很低。 可以在TiO2 因此对太阳能的利用效率很低。 可以在 表面吸附染料， 表面吸附染料，这些染料能够吸收大部分太 阳光线， 阳光线，染料中激发出来的电子又注入到 TiO2 的导带上。 同时将 的导带上。 同时将TiO2制成纳米晶体， 制成纳米晶体， 以增加吸附染料的面积。 这样制得所谓“ 以增加吸附染料的面积。 这样制得所谓“纳 染料敏化太阳能电池” 米TiO2染料敏化太阳能电池”。 纳米TiO2染料敏化太阳能电池工作原理 图5.26 纳米