半导体发光与光吸收

1、辐射跃迁
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。
F(hv )∝( hv )2（hv-Eg）1/2 exp[-(hv-Eg)/K0T ] 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，发光峰位置和高能边缘均向高能量 方向移动。增加激发强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。 300K时，KT约 26meV。77K时，KT约6.6meV。
1、辐射跃迁
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。
半导体处于非平衡状态，通过一些外加的激发手段达到。 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。
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）
α（hv）=A（hv-Eg）1/2，hv ≥Eg
=0
，hv＜Eg
禁带宽度的判断：
α2=A2（hv-Eg）
2、半导体光吸收
实际情况：低能方向的吸收系数并不按理论预期下降， 存在吸收带尾，一般是指数下降，与材料的杂质和缺陷， 生长质量，声子参与有关。（1）声子参与，（2）莫脱 效应：施主间的平均距离：r=（1/ND）1/3 ，当r小于 2a*，施主电子云交叠。 高掺杂杂的情况下，吸收边 向高能方向移动。
)
•13.6eV
mr 为电子和空穴的折合质量。n=1，2
1 11 mr mn mp
特征：发光峰能量略低于Eg，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。
1、辐射跃迁
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=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。
1、辐射跃迁
束缚激子发光：束缚激子 中的电子和空穴复合发光 束缚激子：束缚在杂质或缺陷上的激子，不能在晶体中自由运动。
激子可束缚在中性施主，中性受主，电离施主，电离受主上。 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Hale Waihona Puke Baidu。
1、辐射跃迁
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。
判定：低温观察KT/ EDx﹤0.3。有效质量比，σ：me*/mh*，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。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。 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。
2、半导体光吸收
1、光吸收：光子将电子由低能态激发到更高能态的过程。
I=I0exp（-αd）, d:光穿过半导体材料的距离， α：吸收系数
对于直接带隙半导体： α：104—105/cm
2、本征吸收：价带电子吸收能量跃迁到导带的过程。
吸收条件：hv≥Eg
特点：在10-100meV的能量范围内α下降3-4个数量级。直接带 隙半导体的吸收系数与光子能量的关系为：
a
m0 mr
g r aH
1 mr
1 mh
1H mn
2、半导体光吸收
4、杂质吸收： 两类吸收：（1）施主到导带，价带到受主；（2）价带到
施主，受主到导带。 特点：（1）施主到导带，价带到受主，吸收限为杂质电离
能，在红外区。 （2）价带到施主，受主到导带，吸收在Eg-ΔEi，
吸收表现为在吸收低能处有一台阶。 5、自由载流子吸收：发生在红外。 6、晶格振动吸收：杂质振动吸收，电子从施主到受主吸收。
1、辐射跃迁
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） mn*: 电导有效质量，m0: 电子惯性质量。εr: 相对介电常数。 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。
1、辐射跃迁
自由激子发光：自由激子 中的电子和空穴复合发光
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。
发光峰能量：hv=Eg-Eex ，Eex为自由激子束缚能
Eex
mrq4
8 r2 02 h2 n2
mr* m0
• E0
2 r
mr*
m0
2 r
g(
1 n2
a
m0 mn
g r aH
d (ln ) 1
d (hv) kBT
2、半导体光吸收
3、激子吸收
吸收峰能量：hv=Eg-Eex ，Eex为自由激子束缚能
Eex
mrq4
8
r2
2 0
h2
n2
mr* m0
• E0
2 r
mr* g( 1 ) •13.6eV
m0
2 r
n2
特点：在半导体吸收边的低能侧附近具有一些窄吸收峰， 在低温时出现的可能性大。一般只在较纯的样品中才了 观察到，理论上，当自由电子浓度大于5×10-2a*-3时，激 子波函数相互交叠，分立的激子态不在存在。a*：激子的 等效玻尔半径,一般在100埃数量级。
1、辐射跃迁
施主-受主对复合发光：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）。 发光峰能量：hv=Eg-（EA+ED）+e2/（4πεr）。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。