1載流子擴散空間電荷區（載流子耗盡區）形成ND+NA-在pn結中存在很大的載流子濃度的梯度，將引起載流子的擴散。由于固定在晶格位置上，在結附近的一些施主（ND+)和受主（NA-)會因為電子（n-型側）和空穴（p-型側）的擴散，得不到電荷的補償，從而形成空間電荷區（耗盡區）。2載流子擴散空間電荷區（載流子耗盡區）形成空間電荷區將產生一個內建電場，方向從正的電荷區指向負的電荷區（np)ND+NA-電子：擴散電流np,漂移電流pn空穴：擴散電流pn,漂移電流np在熱平衡下，內建電場引起的兩種載流子的漂移電流恰好與濃度梯度導致的擴散電流完全抵消，因此，通過結的凈電流為零。3ND+NA-通過結的凈電流為零4凈電流為零的必要條件：EF在整個樣品中為常數（與x無關）當電流密度一定時，載流子濃度大的地方，EF隨位置變化小，而載流子濃度小的地方，EF隨位置變化就越大。p型n型pn結少子p-type

多子

n-type

多子少子少子p-type

多子

n-type

多子少子少子p-type

多子

n-type

多子少子--------++++++++5少子p-type

多子

n-type

多子少子--------++++++++電子從費米能級高的n區流向p區，空穴反之。費米能級將隨著能帶移動，直至pn結的費米能級達到統一。pn結能帶能帶的相對移動源自內建電場的產生BandBending（能帶彎曲）p型n型pn結6少子p-type

多子

n-type

多子少子--------++++++++內建電場方向空間電荷區內的電勢pn結能帶電子的電勢能由n區向p區不斷降低由n區向p區不斷增加其變化趨勢與Ei一致E7pn結能帶電子電勢能由n區向p區不斷增加，使得p區的能帶不斷上移，n區則相反，直到費米能級相等。載流子的擴散電流和漂移電流互相抵消，pn結中沒有凈電流。p型n型pn結少子p-type

多子

n-type

多子少子--------++++++++E8Vbi和pn結兩邊的載流子摻雜濃度，溫度，材料的禁帶寬度有關。在一定溫度下，pn結兩邊摻雜濃度越高，接觸電勢差Vbi越大；禁帶寬度越大，ni越小，Vbi也越大。熱平衡下，內建電勢為n型和p型中性區之間總的靜電勢之差內建電勢差VbiqVbi

稱為pn結的勢壘高度（電子電勢能之差/能帶的彎曲量）勢壘區9ElectronandHoleDensityNetchargedensityElectricField(negative)ElectrostaticPotentialEnergybandNDNAn,pDepletionlayernn0pp0E突變結EmV(x)Vbi10pnpn互擴散Wnp熱平衡耗盡區當p-n結在外加電壓的偏置下，將打破電子-空穴擴散與漂移電流間的平衡，凈電流不再為零，而相應的費米能級也不再保持常數…外加電壓V外加np(正向偏壓VF，反向偏壓VR)11正向偏壓情況下熱平衡正向偏置npnp12Forwardbiascondition從p區向n區的空穴擴散和從n區向p區的電子擴散增加，發生了少數載流子的注入，與擴散電流相比，漂移電流減小。13外加電場與內建電場方向相反，耗盡區寬度變窄，靜電勢減小，載流子的擴散與漂移的運動的平衡被破壞，耗盡區內擴散電流大于漂移電流。正向偏壓情況下熱平衡正向偏置npnpE內建電場E外加電場14由于外加正向偏壓的作用，使得非平衡載流子進入半導體的過程，即非平衡載流子的電注入。正向偏壓情況下正向偏置np產生了電子從n區向p區和空穴從p區向n區的凈擴散流。進入p區中性區的電子邊擴散，邊與空穴復合，經過大于擴散長度的距離后，被完全復合。這一段區域稱為擴散區15外加電場與內建電場方向相同，耗盡區寬度變寬，靜電勢減大，載流子的擴散與漂移的運動的平衡被破壞。反向偏壓情況下熱平衡反向偏置npnp16勢壘區內漂移電流大于擴散電流，少子被電場驅走，而中性區的少子將進行補充，形成反向偏壓下的電子和空穴擴散電流。反向偏壓情況下反向偏置np-+少數載流子的抽取/吸出因為少子濃度很低，少子的濃度梯度和很小。當反向電壓很大時，邊界處的少子可以認為是零，擴散電流不隨電壓發生變化。在反向偏壓下，電流較小并趨于不變。17pn0正向偏置np0npo(-xp)pno(xn)LnLp-xpxnx載流子分布n,p

pnonpo(-xp)pno(xn)反向偏置npoLpLn-xpxn載流子分布n,px18注入的少數載流子分布電子、空穴擴散電流xJ-xpxn少子擴散電流jnjp

正向偏置n,ppn0np0np0(-xp)pno(xn)LnLpx19-js20對于一般的pn結，其伏-安特性基本上服從理想二極管方程；對于p區與n區均為高摻雜的pn結（符號p+n+)，其伏-安特性發生明顯的差異，在一定的電壓范圍呈現負阻現象。VI負阻現象一般pn結p+n+結正反向偏置都存在顯著的不同IpVpIvVv21Ⅰ區Ⅱ區Ⅲ區U=U0U=00xUU=0d隧道穿透幾率發生隧道效應必須滿足的三個基本條件：隧道穿透過程中，出發一側的能態有電子占據；接受電子的另一側和出發側相同能級上的能態是空的；隧道勢壘高度低、隧道寬度小，才呈現出一定的隧道穿透幾率。22隧道過程（熱平衡）EcEvEFP+區n+區電子能否發生隧道效應，不僅取決于電子的穿透幾率，還取決于p+區價帶和n+區導帶狀態中的電子占有幾率。在沒有外加電壓的熱平衡狀態下，具有統一的費米能級，p+區和n+區在費米以下價帶和導帶都被電子填滿，費米能級以上兩邊都是空帶；在相同的能量范圍，在兩個區域都不存在空態（電子允許填充的狀態）；因此，在熱平衡時無法形成隧道電流。熱平衡WE23隧道過程（低的正向偏置）P+區n+區VIEFpEFnn+區的能態是填充的，對應的p+區能態是空的（可以接受電子）；n+區的電子可以通過隧道到達p+區；當電壓增加，這時與從n+區的填充態通過隧道到達p+區的空態的電子數的最大值對應，電流將達到一個最大值。q(Vbi-V)減小24隧道過程（接近谷電流的正向偏置）進一步提高電壓，p+區可供填充的空態減少，電流開始下降；如果所加的電壓使n+區導帶底正對p+區的價帶頂，而出現的能帶“不交叉”現象時，對應于填充態已經沒有可供占據的空態，這時不再有隧道電流。VIP+區n+區EFpEFnq(Vbi-V)減小25P+區n+區EFp隧道過程（出現擴散電流的正向偏置）繼續進一步提高電壓，出現少子的擴散電流，與通常pn結的I-V特性一致。q(Vbi-V)勢壘進一步減小VI26P+區n+區EFpEFnq(Vbi-V)增大隧道過程（反向偏置）VI在反向偏置時，電子出現少子的擴散電流，產生反向隧道電流。隨著反向偏壓的增加，反向電流也迅速增加大。在隧道結中，即使反向電壓很小，反向電流也比較大，這與一般pn結不同27隧道二極管單位時間通過pn結的多子數目起伏較小：噪聲較低重摻雜，簡并半導體，溫度對多子濃度影響較小：工作溫度范圍較大量子躍遷過程，電子穿過勢壘時間短，不受電子渡越時間影響：極高的工作頻率P+區n+區EFnq(Vbi-V)隧道二極管（1958）又稱江崎二極管28半導體異質結29不同半導體材料構成的結稱異質結。存在兩種類型的異質結，即反型（p-n或n-p）和同型（n-n或p-p）異質結。一般把禁帶寬度小的材料寫在前面，如n-nGe-Si,(n)Ge-(p)GaAs，GaAs-AlxGa1-xAs等。按照雜質分布來看，異質結也有突變結和緩變結之分，但一般情況下以突變結居多。組成異質結的兩種半導體材料的差別：帶隙、功函數、電子親和能、介電常數、折射率、晶格常數……其中影響異質結性能的主要因素是帶隙的不同，通常又把基于能帶可調的異質結器件工程叫做能帶工程。主要用途：高效率的光伏電池、發光管和激光器等30n-p:Ge-GaAs

接觸前的異質結能帶圖31EnergybanddiagramsEcEv(a)Straddling(b)Staggered(c)BrokengapEg1Eg2嵌套交錯斷開功函數差異32idealenergy-banddiagram

與同質PN結的異同

相同點：形成空間電荷區；能帶彎曲；有電容效應。

不同點：由于兩種材料介電常數不同，因而電場在界面處不連續，能帶出現不連續，如導帶上的尖峰、凹口和不連續。np異質結的理想能帶圖（熱平衡）33反型異質結的能帶圖（熱平衡）34同型異質結的能帶圖nn35光伏電池36半導體中可以利用各種勢壘如pn結、異質結等形成光伏效應當太陽能電池受到陽光照射時，產生光生載流子，所產生的電子-空穴對受內建電場的作用，發生漂移，產生光生電流，在pn結兩端形成光生電動勢（光生伏特效應）。在外加負載時，pn結將起到電源的作用。工作原理--------++++++++pn-+-+-+-+----++++pn++++----+-RI37----++++pn----++++熱平衡V：光生電動勢IL：光生電流----++++pnV+-IL光照使得p區與n區的載流子濃度增加，費米能級分裂。38--------++++++++pn-+-+-+-+光生電流IL正向電流IF漂移擴散勢壘降低為----++++pn+-光生電流V正向電流RI39如果光照恒定，當正向電流全部抵消了光生電流時，光生電壓不再變化，達到穩定狀態。此時，pn結兩端的電勢差（光生電壓）稱為開路電壓Voc----++++pnVoc--------++++++++pn-+-+-+-+光生電流IL正向電流IF漂移擴散40--------++++++++pn-+-+光生電流IL漂移G：在結的擴散長度內載流子的平均產生率A：pn結面積41----++++pnVocIL----++++pn----++++光生電流全部流入外電路，不在pn結形成載流子的積累，光電壓為零。此時，外電路的電流稱為短路電流Isc42光生電流的一部分I流經負載，對外作功，另一部分抵消正向電流。----++++pn++++----+-RIILIF43----++++pn++++----+-RI光生電壓開路電壓短路電流44----++++pn++++----+-RIDarkVocPhotoIscVIRshIFIL+-VIRRs典型的太陽電池I-V曲線等效電路圖45DarkVPhotoIIs典型的硅太陽電池I-V曲線分析Voc：開路電壓Isc：短路電流Vm：最大輸出功率時的電壓Im：最大輸出功率時的電流ImVmVocIscPmPm：最大輸出功率輸出功率46DarkVPhotoIIs典型的硅太陽電池I-V曲線分析ImVmVocIsc填充因子（FillFactor)PmPm：最大輸出功率47DarkVPhotoIIs典型的硅太陽電池I-V曲線分析ImVmVocIscPm填充因子（FillFactor)經驗公式轉換效率(Efficiency)48VocVmImIscPm硅太陽電池的串并聯使用VocVmImIscPmVocVmImIscPm49發光二極管50

電子和空穴復合，釋放出相應波長的光，實現電能轉化為光能。LED工作物理模型GaN基LED結構示意LED工作原理51LED優點

節能工作電壓低，1－5V，可與Si邏輯電路匹配響應速度快，10-7

－10-9s彩色豐富，已研制出紅綠藍和黃橙的LED尺寸小，壽命長（十萬小時）視角寬，96年，達80度；97年，達140度52同質pn結發光二極管結構非平衡載流子的擴散長度遠大于勢壘區厚度，在穿過勢壘區和擴散區時，非平衡載流子不斷的與多數載流子復合（輻射躍遷）而發光。GaP：間接躍遷53異質結發光二極管結構正偏時，由于禁帶寬度不同，當兩者的價帶達到等高，p區空穴不存在勢壘，不斷向n區擴散，保證了空穴的高注入效率。禁帶寬度較大區域成為注入源，而禁帶寬度較小區成為發光源。發出的光子不被禁帶寬度大的材料吸收，可以作為輻射光的透射窗口。54雙異質結發光二極管結構空穴與電子從兩側注入并被限制在一個區域，導致更為有效的輻射復合。中間層不摻雜，兩側為相反類型的材料。雙異質結的設計有最好的發光效率。55雙異質結發光二極管結構生長在藍寶石襯底上的LED高亮度的藍光LED：氮化鋁作為緩沖層56發光二極管兩種LED燈具的構造圖57半導體激光器58半導體激光二極管(laserdiodes,LD)工作原理當系統處于恒定輻射場作用下，吸收與受激輻射同時存在，且躍遷幾率相等。受激輻射受激輻射大于吸收恒定輻射場大功率/大光強的實現59光量子放大：

N2>N1，受激輻射將大于吸收，系統發射的光子數將大于進入系統的光子數。分布反轉(populationinversion)E2E1h產生激光的必要條件:N2>N1（粒子數反轉/分布反轉）激發態粒子數目

N2基態粒子數目

N1產生激光h60分布反轉(populationinversion)非平衡態電子占據導帶或價帶中某一能級的幾率N（E）半導體激光二極管由外界輸入能量，使電子不斷激發到高能級。這種作用稱為“抽運”或“泵”。61分布反轉(populationinversion)用能流密度為I（hv）的光子束照射半導體系統總吸收率Wa總輻射率Wr62分布反轉(populati