实验六 半导体发光器件的电致发光测量1

第一篇：实验六 半导体发光器件的电致发光测量1

实验六 半导体发光器件的电致发光测量 081190088 杨静

一． 实验内容与目的

（1）了解半导体发光材料电致发光的基本概念。

（2）了解并掌握半导体显微探针测试台、光纤光谱仪的使用。（3）掌握半导体发光材料电致发光特性的测量方法。

二． 实验原理概述 1．辐射跃迁

半导体材料受到某种激发时，电子产生由低能级向高能级的跃迁，形成非平衡载流子。这种处于激发态的电子在半导体中运动一段时间后，又回到较低的能量状态，并发生电子—空穴对的复合。复合过程中，电子以不同的形式释放出多余的能量。如跃迁过程伴随着放出光子，这种跃迁成为辐射跃迁。作为半导体发光材料，必须是辐射跃迁占优势。

导带的电子跃迁到价带，与价带空穴相复合，伴随的光子发射，称为本征跃迁。显然这种带与带之间的电子跃迁所引起的发光过程，是本征吸收的逆过程。对于直接带隙半导体，导带与价带极值都在k空间原点，本征跃迁为直接跃迁。由于直接跃迁的发光过程只涉及一个电子—空穴对和一个光子，其辐射效率较高。间接带隙半导体中，导带与价带极值对应于不同的波矢k，这时发生的带与带之间的跃迁是间接跃迁。在间接跃迁过程中，除了发射光子外，还有声子参与。因此，这种跃迁比直接跃迁的几率小的多，发光比较微弱。

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如果将杂质掺入半导体，则会在带隙中产生施主及受主的能级，因此又可能产生不同的复合而发光。电子从导带跃迁到杂质能级，或杂质能级上的电子跃迁入价带，或电子在杂质能级间的跃迁都可以引起发光，这类跃迁称为非本征跃迁。间接带隙半导体本征跃迁几率较小，非本征跃迁起主要作用。施主与受主之间的跃迁效率较高，多数发光二极管属于这种跃迁机理。在施主—受主对的复合中，过剩电子、空穴先分别被电离的施主和受主看成点电荷，把晶体看作连续介质，施主与受主之间的库伦作用力使受基态能量增大，其增量与施主—受主杂质间距离r成正比，所发射的光子能量为：

ην＝E－(E+E)＋

gq2DA4πεε0r

式中ED和EA分别为施主和受主的电离能，ε是晶体的低频介电常数。对简单的替位施主和受主杂质，r只能取一系列的不连续值，因此，施主—受主复合发光是一系列分离谱线，随着r的增大，成为一发射带。

2.电致发光

根据不同的激发过程，可以有各种发光过程，如：光致发光、阴极发光、电致发光等。

半导体的电致发光（EL），也称场致发光，是由电流（电场）激发载流子，将电能直接转变成光能的过程。EL包括低场注入型发光和高场电致发光。前者是发光二极管（LED）和半导体激光器的基础。本实验只涉及这类EL谱的测量。

发光二极管是通过电光转换实现发光的光电子器件，是主要的半[键入文字]

导体发光器件之一，具有广泛的应用，如各类显示、数据通讯等。特别是通过白色发光二极管实现固体照明，不仅可以节省能源、减少污染，而且体积小、寿命长，因此固态照明已被全世界重视。

所有商用LED都具有P-N结结构，因此以P-N结的发光为例来说明注入发光机制。P型半导体是掺杂了受主杂质，而N型则是掺杂了施主杂质，将两种材料放在一起，即得到P-N结。N型半导体中产生电子，P型半导体中产生空穴，在其中间产生耗尽层。P-N结处于平衡时，存在一定的势垒区，场也相应地减弱。这样继续发生载流子的扩散，即电子由N区注入P区，同时空穴由P区注入到N区。进入P区的电子和进入N区的空穴都是非平衡少数载流子。这些非平衡少数载流子不断与多数载流子复合而发光。

如果采用异质结，发光效率可以得到显著的提高。由宽带隙半导体材料隔开的中间发光区，两种类型的过剩载流子从两侧注入并被限制在同一区域，过剩载流子数目显著提高。随着载流子浓度的提高，辐射寿命缩短，导致更为有效的辐射复合。如果中间有源区域减小到10nm或更小就形成量子阱，由于其厚度与德布罗意波长相近，量子力学效应出现，载流子状态密度变得更高，从而可以获得更高的发光效率。这是目前商用LED的实际结构。

电致发光谱的测量系统的基本结构与光致发光测量装置类似，主要区别是用高温定度直流电源代替了光致发光谱测量中所用的激发光源。针对半导体发光器件的电致发光的测量中，电源与发光器件的连接通常在探针测试台上进行，由金属微探针压在发光器件上预制的[键入文字]

电击表面形成欧姆接触，使直流电源输出的电压和电流无损耗地加到被测器件上。

本实验的光谱测量采用微型光纤光谱仪。这类光谱仪具有体积小、即插即用、检测速度快、配置灵活、操作方便等特点。USB接口的微型光纤光谱仪内置了先进的探测器和强大的高速电路系统，与扫描式单色仪相比，由于采用了线性探测器阵列，不需要转动光栅来工作，光栅永久固定，保证了性能的长期稳定，并能够实现高速检测，配合电子快门，全谱测量的最短积分时间可达到数毫秒。

三．实验方法与步骤 实验仪器与材料

手动式半导体显微探针测试台：1台 探针座：2只 探针：2根

石英光纤（SMA905接头）：1根 卤钨灯光源（SMA905接头）：1台 高精度直流电源：1台 微型光纤光谱仪：1台 微型计算机：1台

InGaN或AlGaAs LED芯片：若干

实验方法与操作步骤

（一）测试系统的连接与调整

1.用石英光纤连接探针测试台上光收集单元与卤钨灯光源，开启[键入文字]

卤钨灯光源，根据被测样品在载物台上的实际位置调整探针测试台上光收集单元的位置与方向，使其出射光斑（定位光斑）照射于显微镜视野可及的区域，作为实际的测试点位置。

2.以导线连接探针座电极与直流电源输出端。开启直流电源，根据需要调整限流电流（如为100mA）。

3.将被测LED芯片放置于载物台上，覆盖其上的吸附孔。开启真空泵和真空阀门开光，使芯片被稳固地吸附于载物台表面上。通过载物台平移机构将芯片移动到定位光斑位置。

4.关闭卤钨灯光源。将石英光纤连接卤钨灯光源端改接到微型光纤光谱仪的输入端口。用USB连接线连接微型光纤光谱仪与计算机。开启光谱仪电源。启动计算机。启动光谱仪控制程序。

（二）探针与电极的连接

1.调节显微镜的倍率，以能够清楚观察探针尖端及LED芯片上电极为度。

2.使用载物台上X轴/Y轴平移机构移动载物平台，将待测电极移动至显微镜视野中央。

3.待测点位置确认好后，再调节探针座位置，将探针装上后可先通过眼视将探针移到接近待测点的位置旁，再使用探针座上下左右三个旋钮，慢慢的通过显微镜观察将探针移至测试点，此时动作一定要小心，以防动作太大而碰上到芯片，将探针针尖轻触或稍微悬空到待测电极上。（滑动探针可以电极上留下划痕，视为接触）

4.调节探针座的Z轴旋钮使探针尖扎在待测电极上，确保针尖和[键入文字]

电极良好接触。则可以通过连接的测试设备开始测试。

（三）电致发光的测量

1.调节直流电压电源的输出电压V(0-4V)，记录直流电压源的输出电流（驱动电流）I，绘制LED芯片的I-V曲线。

2.通过微型光纤光谱仪测量与一组预定的驱动电流值对应的LED的电致发光谱，绘制光谱曲线。

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3.根据电致发光谱计算出发光峰的面积，绘制发光峰面积-驱动电流曲线。

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四．思考与讨论

（1）试举出几种典型的电致发光器件，并进行简要说明。

答：①交流电致发光显示。它是将电致发光粉ZnS:CuCl或（ZnCd）S:CuBr混合在环氧树脂和氰乙基醣的混合物的有机介质中，两端夹有电极，其中一个为透明电极。另一个是真空蒸镀铝或银电极，构成一个EL。

②高场薄膜电致发光（TFEL）。目前的ACTFEL多采用双绝缘层ZnS:Mn薄膜结构。器件由三层组成，发光层夹在两绝缘层间，起消除漏电流与避免击穿的作用。掺不同杂质则发不同的光，其中掺Mn的发光效率最高，加200V，5000Hz电压时，亮度高达5000cd/m2。ACTFEL具有记忆效应，通常室内光照度下，记忆可维持几分钟，在黑暗中可保持十几个小时。

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③有机发光显示器（OLED）又称有机EL，是以有机薄膜作为发光体的自发光显示器件。它是固体自发光器件，可适应恶劣工作环境；它响应时间短、发光效率高、视角宽、对比度高；它可在5V~10V的低电压下工作，功耗低，工艺简单；制造成本低、有机发光材料众多、覆盖发光光谱从红外到紫外，适合全彩色显示；价廉、易于大规模生产；OLED的生产更近似于精细化工产品，可在塑料、树脂等不同的材质上生产，产品的机械性能好，不仅可以制造出笔记本电脑、台式机适用的显示器，还有可能创造出墙壁大小的屏幕、可以弯曲折叠的屏幕。人们预言，随着规模量产的到来，OLED可以比LCD成本低20%。

（2）介绍几种发光二极管在日常生活中的应用。

答：发光二极管是一种把电能直接转换为光能的固体发光器件。它以体积小、耗电低、响应速度快、亮度调整灵活、使用寿命长、稳定性好、抗震性强等优点广泛应用于工农业和家用电器等设备上。具体应用有：①指示用电源。在不需要高亮度的场所，可采用发光二极管作指示电源。例如示波器的标尺照明、收音机的刻度照明、十字路口的信号指示灯等。②电压越限报警。利用发光二极管和稳压二极管的直流上下限报警。③发光二极管作光电开关的光辐射源。光电开关是以光辐射驱动的电子开关，当一定强度的光辐射到其中的光敏器件上时，会产生开关作用。驱动光电开关的辐射，可以是可见光，也可以是非可见光，可以用不同类型的发光二极管充任。④闪光电路。发光二极管的闪光电路组成是将两只发光二极管接在多谐振振荡器的[键入文字]

集电极电路中。这样，当多谐振振荡器工作时，T1和T2交替导通，LED1和LED2交替发出闪光信号。

（3）比较发光二极管与光电二极管的工作原理，设计一个由发光二极管和光电二极管组成的运动感知机构。

答：光电二极管，即可将光信号转换成电信号。我们在捕获系统上安装光电二极管，将捕捉到的运动信息经过一定的处理变成计算机可以识别的电信号。然后再利用发光二极管，将电信号重新读取并在显示设备上还原成光信号，比如我们可以在屏幕上重现运动的影响和运动过程，这样就实现了运动感知。

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第二篇：说课稿-半导体器件

尊敬的各位领导、各位老师下午好，我今天说课的题目是：平衡PN结

一、分析教材

首先我对本节的教材内容进行分析：

《半导体器件物理》是应用物理学专业的一门重要专业方向课程。通过本课程的学习，使学生能够结合各种半导体的物理效应掌握常用和特殊半导体器件的工作原理，从物理角度深入了解各种半导体器件的基本规律。PN结是构成各类半导体器件的基础，如双极型晶体管、结型场效应晶体管、可控硅等，都是由PN结构成的。PN结的性质集中反映了半导体导电性能的特点，如存在两种载流子、载流子有漂移运动、扩散运动、产生与复合三种基本运动形式等。获得在本课程领域内分析和处理一些最基本问题的初步能力，为进一步深入学习和独立解决实际工作中的有关问题奠定一定的基础。

根据以上分析，结合本节教学要求，再联系学生实际，我确立了以下教学目标：

1、知识目标

(1)了解PN结的结构、制备方法；

(2)掌握平衡PN结的空间电荷区和能带图；

(3)掌握平衡PN结的载流子浓度分布。

2、能力目标

(1)通过典型图例，指导学生进行观察和认识PN结，培养学生的观察现象、分析问题以及理论联系实际的能力；

(2)指导学生自己分析，借助教材和图例，培养学生的动手能力以及通过实验研究问题的习惯；

3、情感目标

(1)培养学生学习半导体器件物理的兴趣，进而激发学生对本专业热爱的激情；

(2)培养学生科学严谨的学习态度。

考虑到一方面学生的文化基础比较薄弱，综合解决问题的能力有待提高，另一方面，对于高职类学校的学生而言，要求有较强的动手能力，我把教学的重点和难点设置如下：

1、教学重点

平衡p–n结空间电荷区的形成；平衡p–n结的能带图

2、教学难点

平衡p–n结中载流子的分布

二、说教法

兴趣是推动学生求知欲的强大动力，在教学中把握学生好奇心的特点至关重要。另一方面，在教学课堂中，不仅要求传授书本的理论知识，更要注重培养学生的思维判断能力、依据理论解决实际问题的能力以及自学探索的能力。据此，我准备以演示法和引导式教学为主，遵循学生为学生为主体，教师为主导的原则，通过讲授理论知识，使学生获得必要的感性认识，让疑问激起他们的学习研究兴趣，然后再引导学生掌握必要的基础知识，最后在开放的课堂上提供学生进一步研究的机会，满足他们的好奇心，开发他们的创新潜力。

三、说学法

学生是教学活动的主体，教学活动中要注意学生学法的指导，使学生从“学会”转化为“会学”。根据教学内容，本节采用观察、分析的学习方法，在做好演示图例的同时，引导学生合作讨论，进而获取知识。

另外，在教学过程中，我还会鼓励学生运用探究性的学习方法，培养他们发现、探究、解决问题的能力。

四、说教学过程

为了完成教学目标，解决教学重点，突破教学难点，课堂教学我准备按以下几个环节展开：

1、新课导入

通过半导体物理基础的学习，分析了P型和N型半导体中的载流子浓度分布和运动情况，如果将P型和N型半导体结合在一起，在二者的交界处就形成了PN结。首先学习PN结。引出问题：什么是PN结？

设计意图：通过问题的提出，引导学生形成对所学事物的轮廓，丰富他们的感性认识，吸引学生的注意力和好奇心。

2、讲解新课

通过讲解在本征半导体中参入不同杂质，引出半导体的一个特殊结构：PN结。

(1)讲解PN结

用图示演示PN结的基本结构，两种不同类型的半导体：P型半导体和N型半导体。为了加深学生的理解，可以采用情景教学的方式，让学生在轻松有趣的互动游戏中掌握枯燥的概念。

(2)平衡PN结的空间电荷区和能带图

通过图例展示，教师讲解平衡PN结空间电荷区的形成和能带图，然后让学生复述，倾听学生自己的理解，在此基础上进一步分析，讲解各名词的概念：扩散、漂移、空间电荷区、自建电场、势垒、势垒区。

(3)平衡PN结的接触电势差

由此，也进一步引出N区和P区之间存在电势差，称为PN结的接触电势差。给出n区电子浓度、p区空穴浓度的公式，引导学生推导接触电势差。

(4)平衡PN结的载流子浓度分布

通过图示回顾上课过程中提到的空间电荷区、自建电场、扩散、漂移、载流子的耗尽等概念，总结平衡PN结的载流子浓度分布并给出示意图。

3、归纳总结，布置作业

设计问题，由学生回答问题,通过设问回答补充的方式小结，学生自主回答三个问题，教师关注全体学生对本节课知识的掌握程度，学生是否愿意表达自己的观点。

(1)什么是PN结？

(2)PN结的制备方法有哪些？

(3)平衡PN结的空间电荷区是如何形成的？

(4)平衡PN结的能带图中费米能级的作用？

(5)平衡PN结接触电势差的推导过程？

设计意图：通过提问方式引导学生进行小结，养成学习——总结——再学习的良好习惯，发挥自我评价作用，同时可培养学生的语言表达能力。作业分层要求，做到面向全体学生，给基础好的学生充分的空间，满足他们的求知欲。

五、板书设计

采用三栏式

以上，我从教材、教法、学法、教学过程和板书设计五个方面对本课进行了说明，我的说课到此结束，谢谢各位评委老师。

第三篇：常用半导体器件教案

第一章

常用半导体器件

1.1 半导体基础知识

1.1.1 本征半导体

一、半导体

1． 概念：导电能力介于导体和绝缘体之间。2． 本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。

二、本征半导体的晶体结构（图1.1.1）

1． 晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵。2． 共价键

三、本征半导体中的两种载流子（图1.1.2）

1． 本征激发：在热激发下产生自由电子和空穴对的现象。2． 空穴：讲解其导电方式； 3． 自由电子

4． 复合：自由电子与空穴相遇，相互消失。5． 载流子：运载电荷的粒子。

四、本征半导体中载流子的浓度

1． 动态平衡：载流子浓度在一定温度下，保持一定。2． 载流子浓度公式：

nipiK1T3/2eEGO/(2kT)

自由电子、空穴浓度（cm5－

3），T为热力学温度，k为波耳兹曼常数（8.6310eV/K），EGO为热力学零度时破坏共价键所需的能量（eV），又称禁带宽度，K1是与半导体材料载流子有效质量、有效能级密度有关的常量。

1.1.2 杂质半导体

一、概念：通过扩散工艺，掺入了少量合适的杂质元素的半导体。

二、N型半导体（图1.1.3）

1． 形成：掺入少量的磷。2． 多数载流子：自由电子 3． 少数载流子：空穴

4． 施主原子：提供电子的杂质原子。

三、P型半导体（图1.1.4）

1． 形成：掺入少量的硼。2． 多数载流子：空穴 3． 少数载流子：自由电子

4． 受主原子：杂质原子中的空穴吸收电子。

5． 浓度：多子浓度近似等于所掺杂原子的浓度，而少子的浓度低，由本征激发形成，对温度敏感，影响半导体的性能。

1.1.3 PN结

一、PN结的形成（图1.1.5）

1． 扩散运动：多子从浓度高的地方向浓度低的地方运动。2． 空间电荷区、耗尽层（忽视其中载流子的存在）3． 漂移运动：少子在电场力的作用下的运动。在一定条件下，其与扩散运动动态平衡。4． 对称结、不对称结：外部特性相同。

二、PN结的单向导电性

1． PN结外加正向电压：导通状态（图1.1.6）正向接法、正向偏置，电阻R的作用。（解释为什么Uho与PN结导通时所表现的外部电压相反：PN结的外部电压为U即平时的0.7V，而内电场的电压并不对PN结的外部电压产生影响。）

2． PN结外加反向电压：截止状态（图1.1.7）反向电压、反向偏置、反向接法。形成漂移电流。

三、PN结的电流方程

1． 方程（表明PN结所加端电压u与流过它的电流i的关系）：

iIS(euUT1)

UTkT

q为电子的电量。q2．平衡状态下载流子浓度与内电场场强的关系： 3． PN结电流方程分析中的条件：

4． 外加电压时PN结电流与电压的关系：

四、PN结的伏安特性（图1.1.10）

1． 正向特性、反向特性

2． 反向击穿：齐纳击穿（高掺杂、耗尽层薄、形成很强电场、直接破坏共价键）、雪崩击穿（低掺杂、耗尽层较宽、少子加速漂移、碰撞）。

五、PN结的电容效应

1． 势垒电容：（图1.1.11）耗尽层宽窄变化所等效的电容，Cb（电荷量随外加电压而增多或减少，这种现象与电容器的充放电过程相同）。与结面积、耗尽层宽度、半导体介电常数及外加电压有关。2． 扩散电容：（图1.1.12）

（1）平衡少子：PN结处于平衡状态时的少子。

（2）非平衡少子：PN结处于正向偏置时，从P区扩散到N区的空穴和从N区扩散到P区的自由电子。

（3）浓度梯度形成扩散电流，外加正向电压增大，浓度梯度增大，正向电流增大。

（4）扩散电容：扩散区内，电荷的积累和释放过程与电容器充放电过程相同。i越大、τ越大、UT越小，Cd就越大。

（5）结电容CjCbCd

pF级，对于低频忽略不计。

1.2 半导体二极管

（几种外形）（图1.2.1）

1.2.1 半导体二极管的几种常见结构（图1.2.2）

一、点接触型：电流小、结电容小、工作频率高。

二、面接触型：合金工艺，结电容大、电流大、工作频率低，整流管。

三、平面型：扩散工艺，结面积可大可小。

四、符号

1.2.2 二极管的伏安特性 一、二极管的伏安特性

1． 二极管和PN结伏安特性的区别：存在体电阻及引线电阻，相同端电压下，电流小；存在表面漏电流，反向电流大。

2． 伏安特性：开启电压（使二极管开始导通的临界电压）（图1.2.3）

二、温度对二极管方案特性的影响

1． 温度升高时，正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移。

2． 室温时，每升高1度，正向压降减小2～2.5mV；每升高10度，反向电流增大一倍。

1.2.3 二极管的主要参数

一、最大整流电流IF：长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。

二、最高反向工作电压UR：工作时，所允许外加的最大反向电压，通常为击穿电压的一半。

三、反向电流IR：未击穿时的反向电流。越小，单向导电性越好；此值对温度敏感。

四、最高工作频率fM：上限频率，超过此值，结电容不能忽略。

1.2.4 二极管的等效电路 一、二极管的等效电路：在一定条件下，能够模拟二极管特性的由线性元件所构成的电路。一种建立在器件物理原理的基础上（复杂、适用范围宽），另一种根据器件外特性而构造（简单、用于近似分析）。

二、由伏安特性折线化得到的等效电路：（图1.2.4）

1． 理想二极管：注意符号 2． 正向导通时端电压为常量

3． 正向导通时端电压与电流成线性关系 4． 例1（图1.2.5）三种不同等效分析：（1）V远远大于UD，（2）UD变化范围很小，(3)接近实际情况。5． 例2（图1.2.6）三、二极管的微变等效电路（图1.2.7）（图1.2.8）（图1.2.9）

动态电阻的公式推倒：

1.2.5 稳压二极管

一、概念：一种由硅材料制成的面接触型晶体二极管，其可以工作在反向击穿状态，在一定电流范围内，端电压几乎不变。

二、稳压管的伏安特性：（图1.2.10）

三、稳压管的主要参数

1． 稳定电压UZ：反向击穿电压，具有分散性。2． 稳定电流IZ：稳压工作的最小电流。

3． 额定功耗PZM：稳定电压与最大稳定电流的乘积。4． 动态电阻rZ：稳压区的动态等效电阻。

5． 温度系数α：温度每变化1度，稳压值的变化量。小于4V为齐纳击穿，负温度系数；大于7V为雪崩击穿，正温度系数。

四、例（图1.2.11）

1.2.6 其他类型二极管

一、发光二极管（图1.2.12）可见光、不可见光、激光；红、绿、黄、橙等；开启电压大。

二、光电二极管（图1.2.13）远红外接受管，伏安特性（图1.2.14）光电流（光电二极管在反压下，受到光照而产生的电流）与光照度成线性关系。

三、例（图1.2.15）

1.3 双极型晶体管

双极型晶体管（BJT: Bipolar Junction Transistor）几种晶体管的常见外形（图1.3.1）

1.3.1 晶体管的结构及类型（图1.3.2）

一、构成方式：同一个硅片上制造出三个掺杂区域，并形成两个PN结。

二、结构：

1． 三个区域：基区（薄且掺杂浓度很低）、发射区（掺杂浓度很高）、集电区（结面积大）；

2． 三个电极：基极、发射极、集电极； 3． 两个PN结：集电结、发射结。

三、分类及符号：PNP、NPN 1.3.2 晶体管的电流放大作用

一、放大：把微弱信号进行能量的放大，晶体管是放大电路的核心元件，控制能量的转换，将输入的微小变化不失真地放大输出，放大的对象是变化量。

二、基本共射放大电路（图1.3.3）

1． 输入回路：输入信号所接入的基极－发射极回路；

2． 输出回路：放大后的输出信号所在的集电极－发射极回路； 3． 共射放大电路：发射极是两个回路的公共端； 4． 放大条件：发射结正偏且集电结反偏；

5． 放大作用：小的基极电流控制大的集电极电流。

三、晶体管内部载流子的运动（图1.3.4）分析条件uI0

1． 发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流IE，空穴电流IEP由于基区掺杂浓度很低，可以忽略不计；IEIENIEP

2． 扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成电流IBN；

3． 集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流IC，其中非平衡少子的漂移形成ICN，平衡少子形成ICBO。

ICBO4． 晶体管的电流分配关系：ICICNICBO，IBIBNIEPICBOIB，IEIBIC

四、晶体管的共射电流放大系数

1． 共射直流电流放大系数：ICNICICBO IBIBICBO2． 穿透电流ICEO：ICIB(1)ICBOIBICEO

基极开路时，集电极与发射极之间的电流；

3． 集电结反向饱和电流ICBO：发射极开路时的IB电流； 4．近似公式：ICIB，IE(1)IB

5． 共射交流电流放大系数：当有输入动态信号时，ic iB6． 交直流放大系数之间的近似：若在动态信号作用时，交流放大系数基本不变，则有iCICiCIBICEOiB(IBiB)ICEO因为直流放大系数在线性区几乎不变，可以把动态部分看成是直流大小的变化，忽略穿透电流，有：，放大系数一般取几十至一百多倍的管子，太小放大能力不强，太大性能不稳定；

7． 共基直流电流放大系数：ICN，，

1IE1iC， iE8． 共基交流电流放大系数：

1.3.3 晶体管的共射特性曲线

一、输入特性曲线（图1.3.5）iBf(uBE)u的能力有关。

二、输出特性曲线（图1.3.6）iCf(uCE)IB常数CE常数，解释曲线右移原因，与集电区收集电子

（解释放大区曲线几乎平行于横轴的原因）

1． 截止区：发射结电压小于开启电压，集电结反偏，穿透电流硅1uA，锗几十uA；

2． 放大区：发射结正偏，集电结反偏，iB和iC成比例；

3． 饱和区：双结正偏，iB和iC不成比例，临界饱和或临界放大状态（uCB0）。

1.3.4 晶体管的主要参数

一、直流参数

1． 共射直流电流系数 2． 共基直流电流放大系数 3． 极间反向电流ICBO

二、交流参数 1． 共射交流电流放大系数 2． 共基交流电流放大系数

3． 特征频率fT：使下降到1的信号频率。

三、极限参数（图1.3.7）

1． 最大集电极耗散功率PCM；

2． 最大集电极电流ICM：使明显减小的集电极电流值；

3． 极间反向击穿电压：晶体管的某一电极开路时，另外两个电极间所允许加的最高反向电压，UCBO几十伏到上千伏、UCEO、UEBO几伏以下。

UCBOUCEXUCESUCERUCEO

1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响

一、温度对ICBO影响：每升高10度，电流增加一倍，硅管的ICBO要小一些。

二、温度对输入特性的影响：（图1.3.8）与二极管伏安特性相似。温度升高时，正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移，室温时，每升高1度，发射结正向压降减小2～2.5mV。

三、温度对输出特性的影响：（图1.3.9）温度升高变大。

四、两个例题

1.3.6 光电三极管

一、构造：（图1.3.10）

二、光电三极管的输出特性曲线与普通三极管类似（图1.3.11）

三、暗电流：ICEO无光照时的集电极电流，比光电二极管的大，且每上升25度，电流上升10倍；

四、光电流：有光照时的集电极电流。

1.4 场效应管

1.4.1 结型场效应管 1.4.2 绝缘栅型场效应管

一、N沟道增强型MOS管（图1.4.7）

1． 结构：衬底低掺杂P，扩散高掺杂N区，金属铝作为栅极； 2． 工作原理：

(1)栅源不加电压，不会有电流；

(2)（图1.4.8）uDS0且uGS0时，栅极电流为零，形成耗尽层；加大电压，形成反型层（导电沟道）；开启电压UGS(th)；

(3)（图1.4.9）uGSUGS(th)为一定值时，加大uDS，iD线性增大；但uDS的压降均匀地降落在沟道上，使得沟道沿源－漏方向逐渐变窄；当uGD＝UGS(th)时，为预夹断；之后，uDS增大的部分几乎全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力，此时，对应不同的uGS就有不同的iD，从而可以将iD看为电压uGSiD出现恒流。控制的电流源。

3． 特性曲线与电流方程：(1)特性曲线：（图1.4.10）转移特性、输出特性；

u(2)电流方程：iDIDOGS1

UGS(th)

二、N沟道耗尽型MOS管（图1.4.10）

1． 结构：绝缘层加入大量的正离子，直接形成反型层； 2． 符号

三、P沟道MOS管：漏源之间加负压

四、VMOS管

21.4.3 场效应管的主要参数

一、直流参数

1． 开启电压UGS(th)：是UDS一定时，使iD大于零所需的最小UGS值；

2． 夹断电压UGS(off)：是UDS一定时，使iD为规定的微小电流时的uGS；

3． 饱和漏极电流IDSS：对于耗尽型管，在UGS＝0情况下，产生预夹断时的漏极电流； 4． 直流输入电阻RGS(DC)：栅源电压与栅极电流之比，MOS管大于10。

二、交流参数

1． 低频跨导：gm9iDuGS

UDS常数2． 极间电容：栅源电容Cgs、栅漏电容Cgd、1～3pF，漏源电容Cds0.1～1pF

三、极限参数

1． 最大漏极电流IDM：管子正常工作时，漏极电流的上限值； 2． 击穿电压：漏源击穿电压U(BR)DS，栅源击穿电压U(BR)GS。3． 最大耗散功率PDM：

4． 安全注意：栅源电容很小，容易产生高压，避免栅极空悬、保证栅源之间的直流通路。

四、例

1.4.4 场效应管与晶体管的比较

一、场效应管为电压控制、输入电阻高、基本不需要输入电流，晶体管电流控制、需要信号源提供一定的电流；

二、场效应管只有多子参与导电、稳定性好，晶体管因为有少子参与导电，受温度、辐射等因素影响大；

三、场效应管噪声系数很小；

四、场效应管漏极、源极可以互换，而晶体管很少这样；

五、场效应管比晶体管种类多，灵活性高；

六、场效应管应用更多。

1.5 单结晶体管和晶闸管 1.6 集成电路中的元件

第四篇：第八章 半导体发光（范文）

第八章

半导体发光

研究一种新型半导体材料，首先是要对它的光电以及结晶品质等进行研究。对于光电子材料。对它的发光性质的研究是一个重大课题，有大量的工作可做。可以说每一种光电子材料的光学性质研究都有大量文献报道。通过对材料的发光性能的研究，可以判定材料的生长质量，发光特性，杂质情况，杂质电离能，适合不适合制作发光器件等。画光谱图

1.辐射跃迁：处于激发态的电子向较低的能级跃迁，同时发射光子的过程。要求系统处于非平衡状态，一般通过一些外加的激发手段才能达到。

电致发光：电流激发。

阴极射线发光：电子束激发。

光致发光：光激发，入射光子能量要大于材料禁带宽度。

2．发光波长与能量的关系：λ=c/v=hc/E=1240/E（nm），E单位为电子伏特（eV）

3．带-带跃迁：导带的电子跃迁到价带，与空穴复合，自由载流子复合。（激子效应对半导体发光光谱有更重要的影响，但在较高实验温度下和对于纯度较差的样品，可以观察到带-带跃迁）

发光光谱形状：F(hv)∝(hv)2（hv-Eg）1/2

exp-(hv-Eg)/KT

特征：发光峰在Eg附近。发光峰具有一个高能量尾部，在hv=Eg处，低能量边缘突然截止。在低激发情况，发射峰的半峰宽近似等于0.7kT。随掺杂浓度增加和费米能级深入导带，发光峰峰位置和高能边缘均向高能量方向移动。增加激发和升高温度也可导致发光向高能方移动。自吸收导致实验观测的发光光谱向低能方向漂移。K：玻尔兹曼常数，8.62x10-5电子伏特/度。300K时，KT约26meV。77K时，KT约6.6meV。

4． 自由激子：自由电子和自由空穴由与库仑力作用而束缚在一起所形成的系统，可

在晶体中运动。电子与空穴之间的作用类似与氢原子中电子与质子的相互作用。自由激子代表了低激发密度下纯半导体中电子和空穴的能量最低的本征激发态。（对足够纯的半导体材料，低温下本征辐射复合的主要特征可以是激子复合导致的狭窄谱线。按激子复合发光模型，发光谱低能端应在激子波矢0对应的激子能量处突然截止，考虑激子效应时，有时还需考虑激子和光子耦合导致的激子极化激元的效应，可以解释实验观察到的发光谱线的低能带尾）。温度较低，材料纯度较高时可观察到。

发光峰能量：hv= hv=Eg-Eex 束缚能：Eex=-mr*q4/8ε

r

ε

0

h2n2 =（mr* /mo）（13.6/ε

r

2）（1/n2）

mr*为电子和空穴的折合质量 mr*=mp* /（mp*+mn*）

mp*，mn*分别是空穴和电子的有效质量。（在杂质原子里（如施主），核的有效质量很大，因此，其折合质量等于电子的有效质量。但激子折合质量要小于电子，激子束缚能要低于施主或受主的束缚能）（一般只能观察到n=1，2的谱线）

特征：发光峰能量略低于Eg，离化能可估计出，发光峰尖锐，半峰宽在几

个meV以内。发光强度与激发密度成线性关系，一般在低温下才可观察到。

自由激子的声子伴线：自由激子在复合时，发射了一个或多个声子，同时发出的光子。

发光峰能量：hv= hv=Eg-Eex-mEp

特征：发光峰一般伴随自由激子峰出现。其与自由激子的能量差为声子能量。出现多声子伴线时，发射峰之间的能量差相等。

横向光学声子（TO），横向声学声子（TA），纵向光学声子（LO），纵向声学声子（LA）一般最易观察到纵向光学声子（LO声子）伴线。

5． 束缚激子：束缚在杂质上的激子。杂质中心俘获电子或空穴，然后俘获相反符号的载流子；或者杂质中心俘获一个自由激子。束缚激子不能在晶体中自由运动。可束缚在中性施主，中性受主，电离施主，电离受主上。（从能量的观点看，如果激子处在杂质中心附近时使系统能量下降，那么激子保持在杂质或缺陷附近是有利的，激子可以束缚在杂质中心上。）低温观察KT/ EDx﹤0.3。

中性施主束缚激子：D0X

电离施主束缚激子：D+X 中性受主束缚激子：A0X

电离受主束缚激子：A+X 对中性施主或受主，杂质中心都有可能束缚激子，但电离杂质的情况就不一样。判定：有效质量比：σ：me*/mh*，认为：对于电离施主，σ小于0.71，系统能量下降，也有认为，σ小于0.2时，束缚激子（D+X）才是稳定的。当σ接近0时，Eb=0.22 Ex。D+X离解为一个中性施主和一个自由空穴比离解为一个电离施主和一个自由激子更容易发生。对于电离受主束缚激子，只有当σ大于1.4时，才可能存在，因此一般电离受主束缚激子很难观察到。具体参照半导体光学性质337，图5.21。

中性施主束缚激子：D0X

电离施主束缚激子：D+X 中性受主束缚激子：A0X

电离受主束缚激子：A+X 发光峰能量：hv= Eg-Ex-Eb，电离施主束缚激子hv= Eg-EDx= Eg-ED-D（D0h）束缚能：Ex+Eb

其中，Ex为自由激子束缚能，Eb是将自由激子束缚到杂质中心的附加能。

特征：发光峰能量略低于自由激子，发射谱线很窄（样品较纯的情况下，束缚激子的波函数可认为互不交叠，基态能量是孤立和局域化的，不同于自由激子，其动能项对发光谱线的展宽效应可忽略不计），半峰宽一般低于1meV。GaAs，束缚于浅杂质的激子发射谱线宽在0.1meV数量级。（各种束缚激子的判定较为复杂，首先可比较实验观测到的束缚激子发光谱线的能量和各种不同束缚激子态束缚能的理论估计）如，利用有效质量近似，类氢模型估算出的自由激子束缚能（Eex），计算出有效质量比σ：me*/mh*，在已知该材料的σ情况下，根据不同束缚激子能Eb与Eex的关系估算出Eb，得到各种束缚激子的发光峰能量，与实验值比较。还可以结合磁场作用下的束缚激子发光谱线的塞曼分裂来判定。

束缚激子的声子伴线：束缚激子在复合时，发射了一个或多个声子，同时发出的光子。

6．深跃迁：电子从导带跃迁到受主能级，或从施主能级跃迁到价带。

发光能量：hv= Eg-Ei

Ei（EA受主束缚能，ED施主束缚能）

施主束缚能：ED= mn*q4/8ε

r

ε

0

h2= 13.6 mn*/m0ε

r

mn*: 电导有效质量，m0: 电子惯性质量。εr: 相对介电常数。

如果掺杂浓度达到1018cm-3, 导带电子跃迁到受主能级或从施主能级跃迁到价带的几率和带-带跃迁，激子跃迁有相同的量级，不难在实验中观察到。也可观察到声子伴线峰。

特征：发光峰能量低于激子峰，一般谱线较宽。当杂质浓度增加时，发光峰展宽，峰位能量漂移。（半导体的光学性质，P362。，半导体中的光学过程，P151）7．施主-受主对：施主离子及其束缚的电子和受主离子及其束缚的空穴可以构成施主-受主对（D-A对）（半导体中的光学过程，P160），KT﹤Ei时，载流子被电离杂质俘获后很难热电离，D-A对的跃迁变得重要。

发光峰能量：hv=Eg-（EA+ED）+e2/（4πεr），其中，r为施主-受主对的间距。

特征：当r不是很大（10-50晶格常数）可显示为一系列分立的谱线，但在r较大时，形成一个连续的宽发射谱。随激发密度增大，激发近距离的D-A对数目增多，发光峰向高能方移动。

8．能带内的跃迁，导带热电子跃迁到价带顶，导带底电子与价带热电子复合：在直接带隙半导体中很难观察到，而价带空穴到电离受主的跃迁的声子发射几率远大于光子发射几率，一般难以观察到。

半导体的光吸收

探测半导体能带结构最直接的方法就是测量它的吸收光谱。研究一种新型半导体材料，首先是要对它的光电以及结晶品质等进行研究。对于光电子材料。对它的发光性质的研究是一个重大课题，有大量的工作可做。可以说每一种光电子材料的光学性质研究至少有上千篇的相关文献报道。通过对材料的发光性能的研究，可以判定材料的生长质量，发光特性，杂质情况，杂质电离能，适合不适合制作发光器件等。画光谱图

1． 本征吸收：价带电子吸收能量跃迁到导带的过程。可判定材料的禁带宽度。条件：入射光子能量大于禁带宽度。特点：吸收系数与光子的能量关系为：

α（hv）=A（hv-Eg）1/2，hv≥Eg

=0

hv＜Eg 处于激发态的电子向较低的能级跃迁，同时发射光子的过程。要求系统处于非平衡状态，一般通过一些外加的激发手段才能达到。

电致发光：电流激发。

阴极发光：电子束激发。

光致发光：光激发，入射光子能量要大于材料禁带宽度。

2．发光波长与能量的关系：λ=hv=hc/E=1240/E（nm），E单位为电子伏特（eV）

3．带-带跃迁：导带的电子跃迁到价带，与空穴复合，自由载流子复合。（激子效应对半导体发光光谱有更重要的影响，但在较高实验温度下和对于纯度较差的样品，可以观察到带-带跃迁）

发光光谱形状：L=B（hv-Eg）1/2

特征：发光峰在Eg附近。发光峰具有一个高能量尾部，在hv=Eg处，低能量边缘突然截止。在低激发情况，发射峰的半峰宽近似等于0.7kT。

K：玻尔兹曼常数，8.62x10-5电子伏特/度。300K时，KT约26meV。77K时，KT约6.6meV。

6． 自由激子：自由电子和自由空穴由与库仑力作用而束缚在一起所形成的系统，可

在晶体中运动。电子与空穴之间的作用类似与氢原子中电子与质子的相互作用。（对足够纯的半导体材料，低温下本征辐射复合的主要特征可以是激子复合导致的狭窄谱线。按激子复合发光模型，发光谱低能端应在激子波矢0对应的激子能量处突然截止，考虑激子效应时，有时还需考虑激子和光子耦合导致的激子极化激元的效应，可以解释实验观察到的发光谱线的低能带尾）

发光峰能量：hv= hv=Eg-Eex 束缚能：Eex=-mr*q4/8ε

r

ε

0

h2n2 =13.6 mr* /moε

r

mr*为电子和孔穴的折合质量 mr*=mp* /（mp*+mn*）

mp*，mn*分别是空穴和电子的有效质量。（在杂质原子里（如施主），核的有效质量很大，因此，其折合质量等于电子的有效质量。但激子折合质量要小于电子，激子束缚能要低于施主或受主的束缚能）（一般只能观察到n=1，2的谱线）

特征：发光峰能量略低于Eg，离化能可估计出，发光峰尖锐，半峰宽在几

个meV以内。一般在低温下才可观察到。

自由激子的声子伴线：自由激子在复合时，发射了一个或多个声子，同时发出的光子。

发光峰能量：hv= hv=Eg-Eex-mEp

特征：发光峰一般伴随自由激子峰出现。其与自由激子的能量差为声子能量。出现多声子伴线时，发射峰之间的能量差相等。

横向光学声子（TO），横向声学声子（TA），纵向光学声子（LO），纵向声学声子（LA）一般最易观察到纵向光学声子（LO声子）伴线。

7． 束缚激子：束缚在杂质上的激子。杂质中心俘获电子或空穴，然后俘获相反符号的载流子；或者杂质中心俘获一个自由激子。束缚激子不能在晶体中自由运动。可束缚在中性施主，中性受主，电离施主，电离受主上。（从能量的观点看，如果激子处在杂质中心附近时使系统能量下降，那么激子保持在杂质或缺陷附近是有利的，激子可以束缚在杂质中心上。）

对中性施主或受主，杂质中心都有可能束缚激子，但电离杂质的情况就不一样。判定：有效质量比：σ：me*/mh*，认为：对于电离施主，σ小于0.71，系统能量下降，也有认为，σ小于0.2时，束缚激子（D+X）才是稳定的。当σ接近0时，Eb=0.22 Ex。D+X离解为一个中性施主和一个自由空穴比离解为一个电离施主和一个自由激子更容易发生。对于电离受主束缚激子，只有当σ大于1.4时，才可能存在，因此一般电离受主束缚激子很难观察到。具体参照半导体光学性质337，图5.21。

中性施主束缚激子：D0X

电离施主束缚激子：D+X 中性受主束缚激子：A0X

电离受主束缚激子：A+X 发光峰能量：hv= Eg-Ex-Eb 束缚能：Ex+Eb

其中，Ex为自由激子束缚能，Eb是将自由激子束缚到杂质中心的附加能。

特征：发光峰能量略低于自由激子，发射谱线很窄，半峰宽一般低于1meV。GaAs，束缚于浅杂质的激子发射谱线宽在0.1meV数量级。（各种束缚激子的判定较为复杂，首先可比较实验观测到的束缚激子发光谱线的能量和各种不同束缚激子态束缚能的理论估计）如，利用有效质量近似，类氢模型估算出的自由激子束缚能（Eex），计算出有效质量比σ：me*/mh*，在已知该材料的σ情况下，根据不同束缚激子能Eb与Eex的关系估算出Eb，得到各种束缚激子的发光峰能量，与实验值比较。还可以结合磁场作用下的束缚激子发光谱线的塞曼分裂来判定。

束缚激子的声子伴线：束缚激子在复合时，发射了一个或多个声子，同时发出的光子。

6．深跃迁：电子从导带跃迁到受主能级，或从施主能级跃迁到价带。

发光能量：hv= Eg-Ei

Ei（EA受主束缚能，ED施主束缚能）

施主束缚能：ED= mn*q4/8ε

r

ε

0

h2= 13.6 mn*/m0ε

r

mn*: 电导有效质量，m0: 电子惯性质量。εr: 相对介电常数。

如果掺杂浓度达到1018cm-3, 导带电子跃迁到受主能级或从施主能级跃迁到价带的几率和带-带跃迁，激子跃迁有相同的量级，不难在实验中观察到。也可观察到声子伴线峰。

特征：发光峰能量低于激子峰，一般谱线较宽。当杂质浓度增加时，发光峰展宽，峰位能量漂移。（半导体的光学性质，P362。，半导体中的光学过程，P151）7．施主-受主对：施主离子及其束缚的电子和受主离子及其束缚的空穴可以构成施主-受主对（D-A对）（半导体中的光学过程，P160）

发光峰能量：hv=Eg-（EA+ED）+e2/（4πεr），其中，r为失主-受主对的间距。

特征：当r不是很大（10-50晶格常数）可显示为一系列分立的谱线，但在r较大时，形成一个连续的宽发射谱。随激发密度增大，激发近距离的D-A对数目增多，发光峰向高能方移动。

9． 能带内的跃迁，导带热电子跃迁到价带顶，导带底电子与价带热电子复合：在直接带隙半导体中很难观察到，而价带空穴到电离受主的跃迁的声子发射几率远大于光子发射几率，一般难以观察到。

第五篇：半导体器件物理实验报告格式

微电子学院

《半导体器件实验》

实验报告

实验名称：作者姓名：作者学号：同 作 者：实验日期：

实验报告应包含以下相关内容：

实验名称：

一、实验目的二、实验原理

三、实验内容

四、实验方法

五、实验器材及注意事项

六、实验数据与结果

七、数据分析

八、回答问题

实验报告要求：

1.使用实验报告用纸；

2.每份报告不少于3页手写体，不含封皮和签字后的实验原始数据部分；

3.必须加装实验报告封皮，本文中第一页内容，打印后填写相关信息。

4.实验报告格式为：封皮、内容和实验原始数据。