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第一章 准费米能级

2019-05-20 16页 doc 34KB 49阅读

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第一章 准费米能级第一章准费米能级:非平衡态的电子与空穴各自处于热平衡态--准平衡态,可以定义E Fn、E Fp分别为电子和空穴的准费米能级。 细致平衡原理:在稳态下,各种能级上的电子和空穴数目应该保持不变。 间接复合的四个过程:a:电子被复合中心俘获;b:复合中心上的电子激发到导带;c:空穴被复合中心俘获;d空穴的产生 PN结空间电荷区的形成过程:载流子的扩散和漂移 当N型和P型材料接触时,在P型中的空穴向N型一边扩散,在N型中的电子向P型区扩散。由于电子和空穴的扩散,在互相靠近的N侧和P侧分别出现了没有载流子补偿的,固定的施主离子...
第一章 准费米能级
第一章准费米能级:非平衡态的电子与空穴各自处于热平衡态--准平衡态,可以定义E Fn、E Fp分别为电子和空穴的准费米能级。 细致平衡原理:在稳态下,各种能级上的电子和空穴数目应该保持不变。 间接复合的四个过程:a:电子被复合中心俘获;b:复合中心上的电子激发到导带;c:空穴被复合中心俘获;d空穴的产生 PN结空间电荷区的形成过程:载流子的扩散和漂移 当N型和P型材料接触时,在P型中的空穴向N型一边扩散,在N型中的电子向P型区扩散。由于电子和空穴的扩散,在互相靠近的N侧和P侧分别出现了没有载流子补偿的,固定的施主离子和受主离子—空间电荷。空间电荷建立了一个电场—空间电荷区电场,也叫内建电场。内建电场沿着抵消载流子扩散趋势的方向,它使载流子向与扩散运动相反的方向漂移。在热平衡时,载流子的漂移运动和扩散运动达到动态相平衡,使得净载流子流为零。结果,建立一个确定的空间电荷区。 肖特基势垒的形成过程:电子将从半导体渡越到金属,使半导体表面出现未被补偿的离化施主的正电荷,金属表面则积累负电荷,同时二者的费米能级拉平。金属表面的负电荷是多余出来的导电电子,占据很薄一层。半导体中施主浓度比金属中电子浓度低几个数量级,所以半导体中的正电荷占据较厚的薄层,在半导体表面形成空间电荷层。 欧姆接触:定义为这样一种接触,它在所使用的结构上不会添加较大的寄生阻抗,且不足以改变半导体内的平衡载流子浓度使器件特性受到影响。 异质结定义:由两种基本物理参数(如禁带宽度)不同的半导体单晶材料组成的结。 异质结的特性:(1)异质结的高注入比;(2)异质结的超注入现象;(3)异质结对载流子和光的限制;(4)异质结的“窗口效应” 异质结的窗口效应:两种半导体在一起形成异质结时,由于禁带宽度不同,对光波的吸收波长也不同,即光响应不同。只有在光子能量处于Eg1方法
【1.增加内部量子效率:用最佳 活性层- 量子阱作活性层就可以增加发光效率;用光子 循环(Photon Recycling)的方法,希望放出的光在内 循环中不被吸收而再放出。(光子循环是自发的光没有 被吸收而被活性层吸收再变成载流子,这样可以节省电 流、增加效率);改进材料的质量、减少缺陷,尤其是 位错等。2.改进内部结构:改善电流分布;电流局限层; 透明沉底或反射镜。3..改变表面结构及外形:半圆形球 面;表面织状结构或粗糙面;几何形状改变的结构;衬 底上有高反射镜。4.基本结构的改变:光子晶体;超级 发光二极管;谐振腔发光二极管】; 提高红光LED效率通常采用的方法:斜边结构;组织 结构的粗糙面;组织粗糙面加斜边;小反射镜LED; 衬底上有金属反射镜。 提高蓝光及绿光LED效率通常采用的方法:大面积; FC LED;组织粗糙面;几何变形结构;薄膜LED;图 形衬底 FC LED(结构如何,为什么要采用倒装技术) 答:1.p-GaN层有限的电导率要求在p-GaN层表面再沉 淀一层电流扩散的金属层。这个电流扩散层由Ni和Au 组成,会吸收部分光,从而降低芯片的出光效率。2. 为了减少发射光的吸收,电流扩展层的厚度应减少到几 百纳米。厚度的减少反过来又限制了电流扩散层在 p-GaN层表面均匀和可靠地扩散大电流的能力。因此这 种p型接触结构制约了LED芯片的工作功率。3.同时 这种结构pn结的热量通过蓝宝石衬底导出去,导热路 径较长,由于蓝宝石的热导系数较金属低,因此,这种 结构的LED芯片热阻会较大。4.这种结构的p电极和 引线也会挡住部分光线,所以,这种正装LED芯片的 器件功率、出光效率和热性能均不可能是最优的。 FCLED结构:在这种结构中,光从蓝宝石衬底取出, 不必从电流扩散层取出。由于不从电流扩散层出光,这 样不透光的电流扩散层可以加厚,增加Flip chip的电 流密度。同时这种结构还可以将pn结的热量直接通过 金属凸点导给热导系数高的硅衬底,散热效果更优;而 且在pn结与p电极之间增加了一个反光层,又消除了 电极和引线的挡光,因此这种结构具有电、光、热等方 面较优的特性。UV LED:1.为了减少光被吸收,不采 用GaN,而用带隙较大的AlGaN;2.多量子阱下有缓冲 层及超晶格层以减少应变。 白光LED:目前制备白光LED的三种主要方法 (1)红、绿、蓝(RGB)多芯片组合白光技术;优点: 是显色率高、寿命长,由于不需要荧光粉进行波长转换, 发光效率高。缺点:由于分别受单个芯片的性能影响, 其色稳定性较差,由于有电流配置的问题,常常需要 IC芯片控制,加上其光学方面的设计,其封装难度较 大,且成本很高,其每一个单元都是普通白光LED的 数倍。(2)单芯片加荧光粉合成白光技术;优点:技 术成本也较低,其色稳定性较好,工艺重复性好。缺 点:紫外光芯片流明效率比较低,蓝光/黄光色相分离效 应、强色温、电流依赖性、绿光和红光分量的缺乏等, 从而导致显色性的不足。(3)MOCVD直接生长多有源 区的白光LED技术。优点:不需要荧光粉,也不需要 复杂的控制电路,制备过程也与普通的发光二极管相 似。 第四章太阳能发电的独特特点:1.输入的太阳光 线储能无限,并且免费。2.没有运转部件,可以安静 地生产清洁能源。3.维护简单,容易实现自动化和无 人化。4.与规模大小无关,可按一定的效率发电。太 阳能电池的转换效率,与其所利用的装置规模的大小 无关,几乎是恒定的。5.由于是模板结构,易于产生 规模化效益。太阳能电池是以独特的模板结构制造的, 易于大量生产。因此随着需求的扩大,利用连续自动化 制造可以实现低成本化。6.用扩散光也可以发电。7. 光发电是对废弃能源的有效利用。只是把本来放弃的能 量的一部分转变成电能而有效利用起来了。 光生伏打效应的物理过程(能带图):第一、半导体材 料吸收光能产生出非平衡的电子—空穴对;第二、非 平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区运动,这种运 动可以是扩散运动,也可以是漂移运动;第三、非平 衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运动而 分离。这种非均匀势场可以是结的空间电荷区,也可以 是金属—半导体的肖特基势垒或异质结势垒等。 太阳能电池的输出特性:太阳能电池的损失的影响因 素:1.太阳辐射光谱与太阳能电池半导体材料的光吸 收光谱的匹配;2.表面反射损失;3.由光吸收生成的载 流子中,电池的表面或背面电极由于与环境复合造成的 表面复合损失;4.光生成载流子在半导体的体内复合 形成的体内复合损失;5.太阳能电池供给负荷的电力 在电流流动时从电极到半导体容体内电阻焦耳热的串 联电阻损失;6.电压因子损失。 太阳能电池作用的四个基本功能:1.光学整合2.光载 流子生成3.生成载流子的分极4.载流子的收集电极。 高效率化的具体技术:1.入射到材料的光能的有效封 闭2.光生载流子的有效收集和光电效果的增大3.光生 载流子的复合损失的减少4.直接电阻损失的减少(串 联电阻)5.电压因子损失的减少(并联电阻)6.更宽 光谱的光能的收集。 单晶硅太阳能电池的特点:1.作为原料的硅材料在地壳 中含量丰富,对环境基本上没有影响;2.单晶制备以 及pn结的制备都有成熟的集成电路工艺作保证;3.硅 的密度低,材料轻。即使是50μm以下厚度的薄板也 有很好的强度;4.与多晶硅、非晶硅比较,转换效率高; 5.电池工作稳定,已实际用于人造卫星等方面,并且可 以保证20年以上的工作寿命。 电池片工程的三个过程:1.原材料制造单晶硅棒;2.将 单晶硅棒切断,加工成半圆片状;3.形成pn结,加入 电极,制成电池片。 CZ法主要过程:熔化、稳定、引晶、缩径、放肩、等 径。 多晶硅太阳能电池薄膜晶粒的改善技术:当生长的硅 薄膜为多晶或非晶态时,由于晶界会影响到转换效率, 所以可以采用一些高温处理方法来增加晶粒的大小, 以降低晶界的总面积:1.ZMR再结晶;2.金属诱发结晶 化;3.退火处理;4.激光诱发再结晶。 非晶硅太阳能电池特点:1.具有较高的光吸收系数;2. 非晶硅的禁带宽度比单晶硅要大,随制备条件的不同约 在1.5-2.0ev的范围内变化,这样制出的非晶硅太阳能 电池的开路电压高。3.制备非晶硅的设备和工艺简单, 淀积温度低,时间短,适于大批生产;4.由于非晶硅没 有晶体的周期性原子排列,可以不考虑制备晶体所必须 考虑的材料与衬底间的晶格失配问题。因而可以淀积在 任何衬底上,包括便宜的玻璃衬底,并且便于实现大面积化。5.制备非晶硅太阳能电池能耗少,约100kwh,能耗的回收年数比单晶硅电池短得多。 III-V族太阳能电池特性:1.高的能量转换效率;2.适合薄膜化;3.抗辐射性能好;4.温度系数小,能在较高的温度下正常工作。 第五章激光的特点:一. 激光的单色性好;二. 激光的方向性好;三. 激光的亮度最高;四. 激光的能量在空间上、在时间上高度集中。 自发辐射和受激辐射的特点及区别:自发辐射的特点:是原子在不受外界辐射场作用时的自发过程。是个随机过程,各波列间没有固定位相关系,可以有不同的偏振方向、播方向、相互间不相干,自发辐射的能量平均地分配到腔内所有模式上。受激辐射的特点:是原子在外界辐射场控制下的发光过程。各原子的受激辐射的相位不再是无规则分布,而是和外界辐射场有相同的相位。区别:受激辐射与自发辐射的重要区别是相干性。自发辐射是原子在不受外界辐射场作用时的自发过程。大量原子的自发辐射场的相位呈无规则分布,是不相干的;自发辐射场的偏振方向和传播方向也是无规则分布的。自发辐射的能量平均分配到腔内所有模式上;受激辐射是原子在外界辐射场控制下的发光过程。各原子的受激辐射的相位不再是无规则分布,而是和外界辐射场有相同的相位。受激辐射场与入射辐射场属于同一种模式。产生光放大的必要条件:粒子数反转分布 构成激光器的基本思想:1. 选择光波模式数,使模式数减少;2.产生光的受激辐射放大,使某模式内的光子数增大。基本思想的实现:1. 将充满物质原子的空腔去掉侧壁用于选模;2. 使沿腔轴方向传播的光在每次通过物质时,不是被原子吸收(受激吸收),而是产生受激辐射,使光放大。 激光器的基本结构:工作物质、激励源、谐振腔 对工作物质的基本要求:(1)光学性质均匀、透明性好且性能稳定;(2)有能级寿命较长的能级—亚稳态能级;(3)有比较高的量子效率。 常用的泵浦源:光学泵浦:利用光源的光辐射把原子泵浦到高能态。(固体、染料光源:高亮度氙灯、氪灯、激光器);气体放电泵浦:利用气体放电中形成的电子或离子与工作物质的原子或分子作非弹性碰撞,把其激发到高能态。(气体、金属蒸汽);粒子数泵浦:向工作物质注入高能电子或离子,让他们与工作物质的原子或分子作非弹性碰撞,把其激发到高能态。(高压气体、半导体);化学泵浦:利用工作物质本身化学反应时产生的能量把原子、分子激发到高能态。(化学)。 实现粒子数反转的内因和外因:(1)外有激励源(2) 内有亚稳态 光的增益和增益系数(增益饱和):光的增益现象:光强随进入介质的深度而增大的现象。 定义增益系数:(设频率为ν的单色光,沿x轴入射,经dx厚度后,光强改变量为dI) 谐振腔的作用:创造条件,使谐振腔内的受激辐射能够多次通过激活介质。 激光振荡的阈值条件: 产生激光必须满足的条件:1. 激活介质处于粒子数反转分布状态;2. 满足光振荡的阈值条件。 激光的基本特征:1.高相干性——时间相干性、空间相干性;2. 高亮度、高单色亮度(或1.良好的方向性亮度高、强度大;2.高单色性;3.高相干性;4.高偏振性。) 半导体激光器发生粒子数反转分布的条件:准费米能级之差(E Fn-E Fp)要大于禁带宽度,即准费米能级进入导带和价带。 激光的应用:一. 激光信息处理:1. 光通信2. 全息照相术3. 光计算;二. 强激光的应用:1. 激光核聚变2.激光加工。三.激光在医学中的应用:1. 激光刀2. 光凝治疗3. 光照射治疗 ) ( 1 ) ( )x( x I dx x dI G= 2) 12 1 s G L R R eα-= (
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