第七章 复合发光
发光二极管原理
发光二极管原理发光二极管（Light Emitting Diode，LED）是一种半导体器件，具有发光功能。
它是一种电子器件，可以将电能转化为光能。
发光二极管原理的核心是电子与空穴的复合发光效应。
在发光二极管中，当电子与空穴结合时，能量会以光的形式释放出来，从而产生发光现象。
下面将从半导体材料、P-N结、电子与空穴复合以及发光二极管的发光原理等方面进行详细介绍。
首先，半导体材料是发光二极管的重要组成部分。
半导体材料通常是一种电阻介于导体和绝缘体之间的材料。
常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等。
这些材料具有特殊的电子结构，使得它们在一定条件下能够表现出导电性。
而在发光二极管中，常用的半导体材料是砷化镓、磷化镓等。
这些材料在掺杂后能够形成P型半导体和N型半导体，从而构成P-N结。
其次，P-N结是发光二极管发光原理的关键。
P-N结是指P型半导体和N型半导体直接相接的结构。
在P-N结中，P型半导体的载流子主要是空穴，而N型半导体的载流子主要是电子。
当P型半导体和N型半导体相接触时，形成了一个内建电场。
当外加电压使内建电场增强时，电子和空穴会在P-N结区域重新结合，从而释放出能量。
这种能量以光的形式发射出来，形成发光现象。
同时，电子与空穴的复合是发光二极管发光原理的关键环节。
在发光二极管中，当外加电压使得电子与空穴在P-N结区域重新结合时，能量会以光的形式释放出来。
这种复合发光的过程是发光二极管发光的基本原理，也是其能够发光的根本原因。
最后，发光二极管的发光原理可以总结为，在P-N结中，当外加电压使得电子与空穴重新结合时，能量会以光的形式释放出来，从而产生发光现象。
这种发光原理使得发光二极管成为一种重要的光电器件，在照明、显示、通信等领域有着广泛的应用。
总之，发光二极管原理是建立在半导体材料、P-N结、电子与空穴复合等基础上的。
通过对发光二极管原理的深入理解，可以更好地应用和发展这一技术，推动发光二极管在各个领域的进一步应用和发展。
材料的发光及其物理效应 发光基质
4.2.发光基质基质化合物品种繁多，但用做发光材料多为氧化物、含氧酸盐及某些多元复合体系。
基质的设计与选择，原则上是其组成中阳离子应具有惰性气体元素电子构型，或具有闭壳层电子结构，而且阳离子和阴离子都一定是光学透明的。
依据这一原则，Roppl给出了元素周期表中可构成发光材料基质化合物的阳离子组分和阴离子组分的各种元素。
特别是Justel等川给出了一张“发光元素周期表”，明细标示出了可用做基质晶格的元素、用做等离子体的元素和用做激活剂的元素(如图4-1)。
图4-1 发光元素周期表4.2.1 ⅠA族和ⅦA族化合物ⅠA族和ⅦA族化合物系指碱金属与卤族元素形成的系列化合物 A X(A=Li,Na,K,Rb,CS;X=F,Cl,Br,I)。
尽管这类化合物易溶解于水，熔点低(620-990℃)，实用性受到一定限，但碱金属卤化物属典型离子型晶体，结构明确，作为理论处理问题的对象被认为是近于理想的模型化合物。
因此，Tl+或类Tl+离子掺杂的碱卤化物光谱性质研究，是发光材料研究的早期代表性工作。
色心发光研究、激子自捕获发光研究都是以ⅠA族和ⅦA族化合物作为发光材料基质研究的重要内容。
碱卤化物作为光学材料已得到应用的实例是NaI:Tl+和CsI:Tl+等闪烁晶体，用来探测高能辐射。
NaI和CsI易于生长大尺寸单晶。
NaI:Tl l和CsI:Tl l经X射线辐照的发射光谱示于图4-2。
图4-2 X射线激发NaI:Tl(a)和CsI:Tl(b)的发射光谱4.2.1.1.激子和激子发光碱卤化物具有可直接跃迁的能带结构，能带间隙(Eg)都较大，其中LiF最大(13.6eV),KI最小(6.3eV)。
一般地，Eg值随碱卤化物阳离子或阴离子原子序数增大而变小。
图4-3示出了激子能带图。
在这种能带结构中，卤离子的P电子组成的价带，分成两个复合带，可利用角动量J=3/2和1/2的内量子数来描述，与这两条复合带对应，在本征吸收的低能一侧，可观察到两条尖锐的激子吸收线。
led芯片的发光机理
led芯片的发光机理
LED芯片发光主要依靠PN结电子复合发光（Electroluminescence，EL）的机理。
PN结是指由p型半导体和n型半导体组成的结构，两者相接的交界面内，由于p型半导体和n型半导体中载流子浓度不同，使得交界面附近形成了一个空间电荷层。
当施加一定偏压时，使得空间电荷层内的正、负离子向对方区域扩散，形成电流。
由于p型区和n 型区接触，使得电子和空穴在空间电荷层内不断相互扫描并逆向移动。
随着电子和空穴不断复合，产生的能量以光子的形式辐射出来，形成光。
在LED芯片中，PN结芯片材料常常有GaN、InGaAlP、InGaN、GaAs等半导体材料。
对于不同材料的LED芯片，不同的芯片材料会影响它们的发光波长，功率、效率、亮度和寿命等方面的性能。
由于LED芯片的发光机理是通过电子与空穴复合而产生光子的机制，而非热辐射，因此LED芯片发光效率较高、发热量较少，功率消耗也较低。
同时，它们体积小、重量轻、寿命长、可靠性高，广泛应用于照明、背光、显示和通信等方面，成为新一代照明与显示技术的重要组成部分。
复合发光优秀课件
一、点缺陷 化合物
空位 、 填隙原子 、 位错原子 、 同步存在空位或填隙原子 杂质原子替位 、 杂质原子填隙
点缺陷能够形成辐射复合中心，也就是发光中心 也能够形成无辐射复合中心或陷阱
发光中心
构造缺陷型发光中心
由晶格本身旳构造缺陷如空位、填隙原子等形成旳 决定此类发光中心性质旳是晶格本身旳构造缺陷
几种混晶材料旳转变点与禁带宽度
材料
GaAs1-xPx
AlxGa1-xAs In1-xGaxP In1-xAlxP
xc 0.46 0.31 0.70 0.40
（eV） 1.99 1.90 2.18 2.23
当x<xc时，为直接带发光效率高 当x>xc时为间接带，发光效率大大降低
5 边沿发射
未激活旳ZnS、ZnO、CdS等材料在低温下受到激发后，在本征吸收边附近 出现旳发光是由许多狭窄旳等距离谱线构成。这种发光称为边沿发射 边沿发射旳光子能量总比禁带宽度小 被以为是一种价带中旳空穴和一种俘获在浅施主上旳电子旳复合
第一级谱峰为电子—空穴复 合发射一种光子而没有声子 参加
第二级谱峰为发射一种光 子旳同步发射一种声子
第（n+1）级谱峰为发射一 种光子旳同步发射n个声子
立方（α）和六角（β）ZnS晶体旳边 沿发射光谱
6 激子旳复合
激子就是束缚在一起旳电子—空穴对 激子旳能量不大于禁带宽度，减小旳部分能量称为激子旳结合能 激子在晶体某一部分产生后，能够在晶体中传播，传播激发能， 但并不传播电荷，对电导率没有贡献
第五章 复合发光
• 5.1 半导体中旳缺陷 • 5.2 直接带与间接带半导体 • 5.3 半导体中复合发光旳分类及各自旳特点
复合发光旳分类
复合发光可直接由带间旳电子和空穴旳复合而产生，也可经过发光中心 复合而产生
发光物理答案
上转换发光：1、激发态吸收 ——激发过程为：第一个光子激发３Ｆ２的声子边带，由于３Ｆ２、３Ｆ ３和３Ｈ４相距很近，电子很快弛豫到３Ｈ４。在这里，电子可能吸收第二个光子跃迁到１Ｄ２，也可 以跃迁到基态发出红外光，或者跃迁到３Ｆ４。这个能级上的电子吸收第二个光子跃迁到１Ｇ４。１Ｇ ４ 上的电子吸收第三个光子跃迁到３Ｐ１，然后弛豫到１Ｉ６ 2、上转换发光中的吸收雪崩现象 ——基态（｜０＞）上的电子吸收一个光子跃迁到能级｜１＞，然后
低能→高能发光 上转换机理包括激发态吸收、吸收雪崩、能量传递。 激发光谱：(excitation spectrum )，给出发光功率与波长、频率或者辐射量子的能量的关系的曲线称 为激发光谱。（发光光谱、发射光谱） 余辉：当发光材料激发停止后，发光有一个较长的延续时间，这个过程称为余辉。就是在激发即外界作 用停止后发光不是马上消失而是逐渐变弱。（长的可达几十小时，短的甚至有 10-12 秒） Stokes 位移：光致发光的光谱一般出现在比吸收光能量更低（长波长）处，这种现象称为斯托克斯效应。 被光激发后物质的电子在从激发态回到基态发光之前，会与周围的原子发生作用使其激发能的一部分以 热等其他形式发生不是辐射的能量移动而引起失活，因此产生能量差。这种激发光与发光之间的能量差 称为斯托克斯位移。由于荧光物质分子吸收的光能经过无辐射去激的消耗后,降至 S1 态的最低振荡能级, 因而所发射的荧光的波长比激发光长,能量比激发光小,这种现象称为 stokes 位移. 能量传递：两个中心间相互作用引起的一种跃迁，这种跃迁的结果是激发（能量）由一个中心转移到另 一个中心。 交叉弛豫：可以发生在相同或不同类型的离子之间，同时位于激发态上的两种类型离子，其中一个离子 将能量传递给另外一个不同类型的离子使其跃迁至更高能级,而本身则无辐射驰豫至能量更低的能级。只 有一部分激发能参与能量传递。
固体发光讲义 - 第七章 能量传递
第七章 能量传递7-1 概述研究发光离子的能量传递理论的人很多，其中很重要的有F örster 和Dexter 。
前者最初有许多工作是探讨有机发光分子在气态中和溶液中的能量传递问题。
后者较详细地研究了无机固体中掺杂离子间的能量传递，多为后来的发光材料工作者所引用。
这一章用较多的篇幅介绍Dexter 的工作。
这里要讨论的能量传递是指在真空或介质中的两个不同种类的离子、原子或分子，其中之一的电子被激发后，导致另一个粒子被激发。
但是要排除以下的现象：即一个粒子发射光子而另一个粒子吸收这个光子从而被激发。
这属于简单的再吸收问题，或者说是辐射传递问题，不在讨论之列。
实际上，我们要讨论的是无辐射能量传递问题。
在无机发光材料领域中，通常最感兴趣的是所谓敏化发光(Sensitized luminescence)现象，即掺进一种新离子S 可以使原来发光不强甚至完全不发光的离子A 发光亮度大增。
掺进的离子S 叫做敏化剂（sensitizer ）。
敏化剂传递能量的方式大多是无辐射的能量传递，也是我们感兴趣的一种能量传递方式。
这种传递靠的是离子间(S 和A 之间)的多极子相互作用，即电偶极子—电偶极子(Edd)相互作用、电偶极子—电四极子(Edq)相互作用、或电四极子—电四极子(Eqq)相互作用。
这几种作用的强弱程度依上述顺序而减。
当离子距离很近以致波函数重叠较大时，还可以发生另一种方式的能量传递，即交换作用(exchanged interaction)的能量传递。
如果S 是靠它所发射的光被激活剂A 所吸收的辐射传递而发光，则将一种只掺敏化剂S 的材料和一种只掺激活剂A 的材料机械地混合在一起，用只能激发S 的波长激发这一混合物，就可以看到A 的发光。
如果S 和A 之间的传递是无辐射的，这样的混合不会产生什么效果，因为无辐射传递的距离一般不会超过100埃，而荧光粉颗粒的尺寸大多大于1微米（10,000埃）。
与此类似，辐射传递导致的激活剂发光增强会随发光体的体积的增大而增大，无辐射传递则不会。
《光电子技术基础》(第二版)朱京平Chap7
r g b 1
图7-1 CIE-RGB色度图
其可见光光谱轨迹为一舌形曲线，其中(R) 的坐标为(1，0)，(G)的坐标为(0，1)，(B) 的坐标为(0，0)，三角形RGB内各点所代表 的彩色可以用规定的三基色相加配出，三 角形的重心坐标为等能白光色坐标，而三 角形之外的彩色不能直接相加配出，而需 经过将一个或两个基色移到待配彩色一侧 才能配出。该计色系统存在缺陷：A)光谱 分布色系数和色坐标出现负值，不易理解 且计算不便；B)光谱轨迹不全在坐标第一 象限内，作图不便；C)色度图上没有直接 表示出亮度，需要经过计算才能求出。
第七章 光电显示
7.1光电显示技术基础 7.2阴极射线显示 7.3液晶显示 7.4等离子体显示 7.5场致发光显示
7.1光电显示技术基础
7.1.1显示技术与显示器件 • 1897年德国的布劳恩（Braun）发明了阴 极射线管（CRT）雏形 • 1968年美国的Heilmeier发现液晶双折射 的电光效应可以用于制作显示装置，即现 在的液晶显示器（LCD） • 20世纪90年代，液晶显示器首先在笔记本 电脑领域取得了绝对优势。
x y z 1
• 该计色系统中 三基色单位(X)、 (Y)、(Z)的选择 保证了色度坐 标系中三色系 数均为正，并 规定Y(Y)既含 色度又包含亮 度，而另两基 色为纯色分量 不含亮度，还 保证了X=Y=Z 时仍代表等能 白光。
CIE-XYZ色度图
x,y,z与r,g,b之间的转换公式： 0.49000 r 0.31000 g 0.20000 b x 0.66697 r 1.13240 g 1.20063 b
2 对比度和灰度 • 对比度指画面上最大亮度与最小亮度之比。 一般显示器对比度应达30:1。 • 灰度指图像画面上亮度的等级差别。灰度 越多，图像层次越分明，图像越柔和。电 视图像画面应有8级左右灰度，人眼可分辨 的最大灰度级别为100级左右。
led发光的原理
led发光的原理LED发光的原理。
LED，全称为Light Emitting Diode，即发光二极管，是一种能够将电能转化为光能的半导体器件。
它具有体积小、耗能低、寿命长、抗震动、响应速度快等优点，因此在照明、显示、通信等领域有着广泛的应用。
那么，LED发光的原理是什么呢？在LED中，发光的物理过程是通过电子和空穴的复合产生的。
当一个电子和一个空穴相遇时，它们会发生复合，释放出能量。
这些能量以光子的形式释放出来，形成光。
这一过程被称为电子-空穴复合发光原理。
LED器件的结构是由N型半导体和P型半导体组成的。
N型半导体中富含自由电子，P型半导体中富含空穴。
当两种半导体材料连接在一起时，形成PN结。
在PN结中，电子从N区向P区迁移，与空穴复合，释放出能量。
这种能量的大小与材料的能隙有关，不同的材料能隙对应不同的光谱范围。
因此，通过合适的材料选择和器件设计，可以实现不同波长的光发射。
除了材料的选择，电流的注入也是影响LED发光的重要因素。
当正向电压施加在PN结上时，电子和空穴会被注入到PN结中，从而形成电子-空穴复合发光的过程。
而当反向电压施加在PN结上时，电子和空穴会被吸引到远离PN结的地方，这时LED不会发光。
此外，LED的发光效率也与材料的发光效率、结构设计、散热等因素有关。
提高LED的发光效率是LED照明领域的一个重要课题，目前已经有许多技术在不断地改进和创新，以提高LED的发光效率和降低成本。
总的来说，LED发光的原理是通过电子和空穴的复合来释放能量，这种能量以光子的形式发出。
通过合适的材料选择、电流注入和结构设计，可以实现不同波长的光发射，从而满足各种应用的需求。
随着技术的不断进步，LED的发光效率将会得到进一步提升，LED技术也将会在各个领域得到更广泛的应用。
第七章 发光材料
图5.8 光致发光材料的吸收光谱
图5.9 发光材料的发射光谱和吸收光谱
颜色的单色性 从材料的发射光谱来看，发射谱峰的宽窄也是发 光材料的重要特性，谱峰越窄，发光材料的单色性越好，反之亦然。 我们将谱峰1/2高度时缝的宽度称作半宽度。如图5.10所示。 依照发射峰的半宽度可将发光材料还分为3种类型： 宽带材料：半宽度~100nm，如CaWO4； 窄带材料：半宽度~50nm，如Sr(PO4)2Cl：Eu3+； 线谱材料：半宽度~0.1nm，如GdVO4)：Eu3+；
（Zn,Cd）S:Al
ZnS:Cu,Al ZnS:Cu,Au,Al
0.357
0.243 0.332
0.596
0.633 0.602
535
530 535
18.4
21.8
15-30μs
15-30μs 15-30μs
蓝 ZnS:,Ag
0.146
0.057
450
20.4
5-15μs
电致发光材料：
能够在电场作用下而发光的材料。 场致发光材料也是由合适的基质材料中有 选择地掺入微量杂质作为发光中心而构成 的。
表5.2 彩色显像管用发光材料示例
颜色 红 组 成 x Zn3(PO4)2:Mn （Zn,Cd）S:Ag YVO4：Eu Y2O3:Eu Y2O3S:Eu 绿 Zn2SiO4:Mn （Zn,Cd）S:Ag 0.665 0.665 0.664 0.640 0.648 0.218 0.300 色 度 y 0.335 0.336 0.330 0.352 0.344 0.712 0.600 663 670 620 610 626 525 535 6.7 16.0 7.1 8.7 13.0 7.4 19.8 1-3ms 1-3ms 0.5-2ms 25ms 0.05-2ms 27ms 主峰波长（nm）能量效率（%）10%余辉
固体发光复习大纲
2009-2010固体发光学复习提纲第一章概论1. 发光的定义。
发光的种类（按激发方式分）2. 表色系：CIE色坐标和CIE-xy色度图的意义。
R(红)G(绿)B(蓝)W(白)各色的色坐标的大致范围。
3. 视见函数和亮度。
Stokes定律。
4. 发光材料（详见附录）5. 发光的应用，特别注意那些重要的或有广泛应用的方面。
6. 发光中的物理问题。
第二章发光材料及其特征1.发光材料的三种形态。
哪些应用使用粉末材料？哪些使用单晶，哪些用薄膜？2.什么叫基质，激活剂，敏化剂？3.发光的几个基本特性的定义。
它们所代表的物理过程。
激发光谱的意义。
光谱的宏观表示和微观量的关系。
4.P18 根据图2.12推导式(2.16）和(2.17)。
5.发光衰减的两种主要的表示形式。
它和微观过程的关系。
6.发光效率的几种表示。
量子效率和衰减常数的关系。
第三章群论简介1．群的表示。
不可约表示。
特征标。
2．对称群举例。
3．群表示的基函数。
4．表示是否可约的判据。
5．能级的简并。
微扰产生的能级分裂。
第四章分立中心发光和复合发光1.自由离子的能级结构和光谱项2．晶格场的作用。
能级分裂的物理图象。
3．3d 电子的能级分裂的特点。
Dq 的意义。
Tanabe-Sugan图。
分裂能级的符号及其所代表的意义4．稀土离子能级。
泡利不相容原理，能量最低原理和Hund 定则。
如何利用它来确定基态。
4f-4f跃迁禁戒的原因。
解除禁戒的条件。
第五章晶格弛豫与无辐射跃迁1. 位形坐标模型的物理意义。
它能说明或解决的一些物理现象。
如：电子-声子相互作用，Stokes频移，发光线形，光谱的温度依赖关系和发光的温度猝灭。
2. 晶格与电子相互作用的含义。
Frank-Condon 原理（具体波动方程解法不要求全都都能理解）。
用位形座标模型来说明黄昆因子的物理意义。
第六章发光动力学1. 分立中心发光的激发和衰减2. 复合发光衰减的能带模型3. 复合发光的衰减规律。
led灯发光原理
led灯发光原理LED灯发光原理。
LED，全称为Light Emitting Diode，即发光二极管，是一种半导体器件。
LED 灯具有高效、节能、环保、寿命长等优点，因此在照明、显示、指示等领域得到了广泛的应用。
那么，LED灯是如何实现发光的呢？下面我们来详细了解一下LED 灯的发光原理。
1. PN结发光原理。
LED的发光原理是通过PN结的电致发光效应实现的。
当PN结正向偏置时，电子从N区向P区迁移，而空穴从P区向N区迁移，当它们相遇时，电子与空穴重新结合，释放出能量。
这些能量以光子的形式发射出来，从而产生光。
2. 能带结构。
LED的发光原理还与半导体的能带结构有关。
在PN结中，N区和P区的能带结构不同，形成了能带间隙。
当电子从N区迁移到P区时，会穿越能带间隙，释放出能量，产生光子。
3. 材料的选择。
LED的发光原理还与LED所采用的材料有关。
常见的LED材料包括GaAs、GaP、GaAsP、GaN等。
不同的材料能够发出不同波长的光，因此可以实现不同颜色的LED发光。
4. 发光机理。
LED的发光原理还涉及到发光机理。
LED的发光主要有辐射复合和复合发光两种机理。
辐射复合是指电子和空穴在PN结中复合时，释放出光子。
而复合发光是指在材料内部的缺陷或杂质能级上的电子和空穴复合时，也会发出光子。
5. 发光效率。
LED的发光原理还与发光效率有关。
LED具有较高的发光效率，因为它是直接将电能转化为光能，而不像传统的白炽灯和荧光灯那样会产生大量的热能。
因此，LED灯具有更低的能耗和更长的使用寿命。
总结，LED灯的发光原理是通过PN结的电致发光效应实现的，它利用半导体的能带结构和特定的材料，通过辐射复合和复合发光机理来实现高效的发光效果。
LED灯具有高效、节能、环保、寿命长等优点，因此在各个领域得到了广泛的应用。
希望通过本文的介绍，能让大家对LED灯的发光原理有更深入的了解。
激基复合物的发光机理
激基复合物的发光机理
激基复合物是由发光分子和电荷转移剂组成的化合物。
其发光机理涉及到激基和复合物的相互作用过程。
激基是指激发态的分子，即通过吸收外界的能量而处于激发态的分子。
当激基复合物受到激发能量时，激基分子会被激发到高能态，而电荷转移剂分子则处于基态。
在复合物中，激基和电荷转移剂之间存在电子转移过程。
电子从激基分子转移至电荷转移剂分子中，形成电荷分离状态，即激基阳离子和电荷转移剂阴离子。
在发光机理中，电荷转移剂分子的阴离子态具有强的吸光性质，使光的能量被吸收。
然后，激基分子通过电子转移过程将其激发态的能量传递给电荷转移剂分子的阴离子态，导致电荷转移剂分子处于激发态。
在电荷转移剂激发态的过程中，它们会逐渐失去能量，形成激基和电荷转移剂分子的基态。
在此过程中，发生了能量的转移和电子的重排，从而导致发光现象的产生。
总之，激基复合物的发光机理涉及到激基分子和电荷转移剂分子之间的电子转移过程，通过此过程能量的转移和电子的重排，最终导致发光现象的产生。
无机材料发光的原理
无机材料发光的原理
无机材料发光的原理有多种，以下是两种常见的发光机制：
1. 电子复合发光机制：大多数无机材料的发光是由于电子在能级间跃迁引起的。
当光子或其他外部能量源作用于材料时，可以激发一些电子从基态能级跃迁到激发态能级。
当这些电子从激发态返回基态时，将释放出能量并发射出光子，形成发光现象。
这种发光机制包括荧光和磷光。
2. 缺陷发光机制：部分无机材料中存在缺陷或杂质，这些缺陷或杂质能够使材料的能带结构发生变化。
当外部能量激发材料时，电子在能带结构中移动和重新组合，从而产生缺陷能级。
当电子从激发态陷入到缺陷能级时，会发生能量的释放并产生发光现象。
这种发光机制包括缺陷发光和激光。
无机材料的发光原理可以根据材料的具体结构和组成而有所不同，每种发光机制都有其特定的能带结构和电子跃迁机制。
不同的材料和条件下，发光机制也可能不同。
第七章 复合发光
• 间接跃迁光吸收系数
– 吸收一个声子
2
Ep α(hν ) = A(hν − Eg + Ep ) exp K T −1 B
−1
(5)
– 发射一个声子
− Ep α(hν ) = A(hν − Eg − Ep ) 1− exp K T B
Ei = Eg − (ED + EA )
• 终态能量
– 跃迁后：施主中心留下一个等效正电荷，受主 跃迁后：施主中心留下一个等效正电荷， 中心留下一个等效负电荷 – 终态能量即为电势能
Ef = −e2 / 4πεr
• 跃迁辐射能量
Er = Ei − Ef = Eg − (ED + EA ) + e2 / 4πεr
a： 晶格常数 ：
激发停止后， 激发停止后，D—A对的发光光谱随时间的延长应逐渐向长波方向移动 对的发光光谱随时间的延长应逐渐向长波方向移动
GaP:S,Si 的时间分辨发射光谱
为什么？ 为什么？
10 等电子中心发光
• 等电子中心 等电子中心——化合物半导体中的杂质中心，其化合价与 化合物半导体中的杂质中心， 化合物半导体中的杂质中心 所替代元素相同 – GaP:N；GaP:Bi ； • 电子亲和势不同，原子半径上有差异 电子亲和势不同， – 局域化的等电子中心 局域化的等电子中心——自由电子或空穴可以吸附到 自由电子或空穴可以吸附到 等电子原子上 • 对红色和绿色发光二极管的商品化起到了巨大的推动作用
• 一个电子被等电子中心 俘获 • 库仑力作用再吸附一个 空穴形成激子 • 电子和空穴被高度定域 化，K空间范围延伸 空间范围延伸 • GaP:N的辐射跃迁概率 的辐射跃迁概率 是GaP:S的100倍以上 的 倍以上
第七章金属和半导体接触引言金属与半导体接触类型1、整流接触
第七章金属和半导体接触引言金属与半导体接触类型1、整流接触第七章金属和半导体接触引言:金属与半导体接触类型:1、整流接触:金属与轻掺杂半导体形成的接触表现为单向导电性，即具有整流特性，但电流通常由多子所荷载。
由于这种器件主要靠电子导电，消除了非平衡少子的存储，因而频率特性优于p–n结;又由于它是在半导体表面上形成的接触，便于散热，所以可以做成大功率的整流器;在集成电路中用作箝位二极管，可以提高集成电路的速度，通常称为肖特基势垒二极管，简称肖特基二极管。
2、欧姆接触:这种接触正反向偏压均表现为低阻特性，没有整流作用，故也称为非整流接触。
任何半导体器件最后都要用金属与之接触并由导线引出，因此，获得良好的欧姆接触是十分必要的。
?7.1 金属半导体接触及其能带图本节内容:1、金属和半导体的功函数2、接触电势差3、阻挡层与反阻挡层、表面态对接触势垒的影响 4课程重点:金属的功函数:在绝对零度的电子填满了费米能级以下的所有能EF 级，而高于的能级则全部是空着的。
在一定温度下，只有附近的少数电EEFF子受到热激发，由低于的能级跃迁到高于的能级上去，但是绝大部分电EEFF子仍不能脱离金属而逸出体外，这说明金属中的电子虽然能在金属中自由运动，但绝大多数所处的能级都低于体外能级。
要使电子从金属中逸出，必须由外界给它以足够的能量。
所以，金属内部的电子是在一个势阱中运动。
用E表示真空0中静止电子的能量，金属功函数的定义是EW与能量之差，用表示，即 Em0F W,E,(E) m0Fm它表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的最W小能量。
功函数的大小标志着电子在金属中束缚的强弱，越大，电子越不容mE易离开金属。
半导体的功函数和金属类似:即把真空电子静止能量与半导体0(E)W,E,(E)费米能级之差定义为半导体的函数，即。
因为半导体的费FSs0Fs米能级随杂质浓度变化，所以半导体的功函数也与杂质浓度有关。
自由激子与束缚激子的复合发光PL
AC
1.6K
Eg
PLE&PL: Eg , EbA,
发4
PLE
EbB, EbC
PL
光
强3
PR
度
2
1
PLE-PL激发谱
PR-光反射谱
3.40 3.45 3.50 3.55(eV)
A: 3.472 eV ，9V - 7C, B: 3.48150.001 eV, 7V - 7C C : 3.493 eV，7V - 7C , (n=2)
束缚激子为D0X ❖ 激子结合能与束缚能
EF bEEgEFE 3.5043.4840.02eV
ED bXEgE F bEED X 3.5040.0203.4760.008
EA bXEgE F bEEA X 3.5040.0203.4590.025
Haynes经验规则：束缚激子的束缚 能与相应杂质离化能之比为常数
GaN: a=0.215
可编辑版
6
ZnO薄膜激子自发辐射与受激辐射
Bagnall et al.， Appl. Phys. Lett., Vol. 70, No. 17, 2231 （1997）
❖受激辐射的判据
➢超线性激发强度关系 ➢ 粒子数反转 ➢谱线窄化 ➢相干性
The room-temperature dependence of integrated output intensity on excitation intensity.
(a) (b)
GaN的(a)低温下激子发光和(b) 室温下带边紫外发光
可编辑版
4
束缚激子的复合，PL谱
❖束缚激子 EexEgEbEB bX ❖种类
➢束缚于中性施主D0X ➢束缚于中性受主A0X ➢束缚于离化施主D+X ➢束缚于离化受主A-X ➢束缚于等电子陷阱
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发光中心
中的V 自激活兰色发光带） 如ZnS中的 Zn（自激活兰色发光带） 中的
杂质缺陷型发光中心
由激活剂离子或者激活剂离子与其它缺陷组成的缔合缺陷形成 基质在灼烧过程中要加进适当的激活剂杂质 发光的性质主要由激活剂来决定 中发光中心为Mn 如ZnS: Mn中发光中心为 Zn 中发光中心为
结构型缺陷， 结构型缺陷，如p-GaAs中VGa 中 无辐射复合中心 杂质缺陷， 杂质缺陷，如ZnS中Fe、Co、Ni 中 、 、
按照电子跃迁的方式分类
带间复合 边缘发射 激子复合 复合发光 通过杂质中心的复合 通过施主—受主对的复合 通过施主 受主对的复合 通过等电子陷阱的复合
2、半导体能带结构及光学跃迁 、
直接带 间接带 简化的能带模型
本征吸收
• 价带电子吸收一个光子跃迁到导带 • 光子的能量应不小于材料的禁带 • 能量守恒
• 间接跃迁光吸收系数
– 吸收一个声子
2
Ep α(hν ) = A(hν − Eg + Ep ) exp K T −1 B
−1
(5)
– 发射一个声子
− Ep α(hν ) = A(hν − Eg − Ep ) 1− exp K T B
几种混晶材料的转变点与禁带宽度
材料
GaAs1-xPx
xc 0.46 0.31 0.70 0.40
（eV） ） 1.99 1.90 2.18 2.23
AlxGa1-xAs In1-xGaxP In1-xAlxP
当x<xc时，为直接带发光效率高 时为间接带， 当x>xc时为间接带，发光效率大大降低
5 边缘发射
第七章 复合发光
本章内容
• 半导体中的缺陷 • 直接带与间接带半导体 • 半导体中复合发光的分类及各自的特点
1、复合发光的分类 、
复合发光可直接由带间的电子和空穴的复合而产生， 复合发光可直接由带间的电子和空穴的复合而产生，也可通过发光中心 复合而产生 复合发光的发光中心可由晶体自身的缺陷、 复合发光的发光中心可由晶体自身的缺陷、掺入的杂质以及杂质的 聚合所形成
• 一个电子被等电子中心 俘获 • 库仑力作用再吸附一个 空穴形成激子 • 电子和空穴被高度定域 化，K空间范围延伸 空间范围延伸 • GaP:N的辐射跃迁概率 的辐射跃迁概率 是GaP:S的100倍以上 的 倍以上
GaP:N 的能带结构
思考题
• 半导体中存在哪些种类的缺陷，对发光性 能有何影响？ • 为什么发光二极管需要采用直接带半导体 材料？ • 什么是等电子中心？ • D—A对的发光有何特点？ • 何为激子，激子发光有何特点？
直接带材料跃迁过程不需要声子的参与， 直接带材料跃迁过程不需要声子的参与，具有 较高的发光效率
高效的发光二极管大都是直接带材料
（1）直接利用直接带材料，如GaAs、InP、ZnSe等 ）直接利用直接带材料， 、 、 等 （2）利用窄禁带的直接带材料和宽禁带的间接带材料，以得到 ）利用窄禁带的直接带材料和宽禁带的间接带材料， 禁带较宽的直接带材料 导带底结构随组分而变，到达某一组份后， 导带底结构随组分而变，到达某一组份后，直接带开始变为 间接带——转变点 转变点 间接带 如： In1-xGaxP，GaAs1-xPx，In1-xAlxP，AlxGa1-xAs等三元化合物 ， ， 等三元化合物
(h / 2m )k = (h / 2m )k + hν
2 ∗ 2 f 2 ∗ 2 i
(1)
• 动量守恒
hk f = h(ki + q) hk f = hki
(2)
电子的波数大约为10 电子的波数大约为 8cm-1
光子的波数大约是105 -1 忽略光子的动量 光子的波数大约是 cm
直接带半导体
• 价带顶与导带底位于 k=0的位置 的位置 • 电子直接从价带跃迁 到导带， 值不变 到导带，k值不变
发光过程
导带电子俘获在定域能级 上，然后由这些定域能级 上的电子和价带的空穴复 合发光
定域能级应当是晶体的物理缺陷（空位或间隙） 定域能级应当是晶体的物理缺陷（空位或间隙）引起的
实验证实
加速电子轰击CdS，（能量大于在 ，（能量大于在 中产生S空位的能量 用115KeV加速电子轰击 加速电子轰击 ，（能量大于在CdS中产生 空位的能量 中产生 阈值），在 阈值），在CdS中产生空位或间隙 ）， 中产生空位或间隙
二、线缺陷（位错） 线缺陷（位错）
形成陷阱能级
导致杂质的不均匀分布
禁带宽度变化
晶格受压缩的地方， 晶格受压缩的地方，禁带变宽 晶格伸张部分， 晶格伸张部分，禁带变窄
影响发光效率
无辐射复合或产生不需要的发射带
导致PN结击穿 导致 结击穿
4 带间复合
导带电子和价带空穴直接复合 产生一个能量等于或大于半导体 禁带宽度的光子 电子和空穴的复合主要发生在能 带边缘 载流子的热分布使得发光光谱有 一定的宽度 辐 射 通常只能在纯材料中观察到 跃 迁 子 过 发 程 射 多 俄 声 歇
8 通过施主—受主对的复合 通过施主 受主对的复合
• 若将施主和受主同时掺入同一半导体，两者可能通过库仑 若将施主和受主同时掺入同一半导体， 力作用束缚在一起，形成施主 受主对 受主对（ 力作用束缚在一起，形成施主-受主对（DAP） ） • 离化的施主和受主可以分别束缚电子和空穴，跃迁复合产 离化的施主和受主可以分别束缚电子和空穴， 生施主受主对特征发射光谱 • Ⅲ-Ⅴ、Ⅱ-Ⅵ化合物半导体 Ⅴ Ⅵ
a： 晶格常数 ：
激发停止后， 激发停止后，D—A对的发光光谱随时间的延长应逐渐向长波方向移动 对的发光光谱随时间的延长应逐渐向长波方向移动
GaP:S,Si 的时间分辨发射光谱
为什么？ 为什么？
10 等电子中心发光
• 等电子中心 等电子中心——化合物半导体中的杂质中心，其化合价与 化合物半导体中的杂质中心， 化合物半导体中的杂质中心 所替代元素相同 – GaP:N；GaP:Bi ； • 电子亲和势不同，原子半径上有差异 电子亲和势不同， – 局域化的等电子中心 局域化的等电子中心——自由电子或空穴可以吸附到 自由电子或空穴可以吸附到 等电子原子上 • 对红色和绿色发光二极管的商品化起到了巨大的推动作用
α(hν ) = A (hν − Eg )
* 1 2
α~ ν
曲线为直线
间接带半导体
• 价带顶和导带底的 值不同 价带顶和导带底的k值不同 • 电子从价带跃迁到导带不仅 能量发生变化， 能量发生变化，动量也发生 变化 • 声子参与 声子参与——吸收或发射声 吸收或发射声 子
k：声子的波矢 ：
• 跃迁概率低
能在晶体中运动的激子称为自由激子 能在晶体中运动的激子称为自由激子 受束缚的激子称为束缚激子， 受束缚的激子称为束缚激子，不能再在晶体中自由运动 束缚激子 束缚激子的能量低于自由激子的能量
电子和空穴结合成自由激 子释放出的结合能为
n=∞ n=2 n=1
激子的类氢能级
激子释放能量的方式
1）运动着的激子通过电子和空穴复合，辐射出光子和声子，并保持动 ）运动着的激子通过电子和空穴复合，辐射出光子和声子， 量和能量的守恒 谱线锐、吸收强、效率高等特点，有利于产生激光 谱线锐、吸收强、效率高等特点，有利于产生激光 激发密度足够高，采用合适的谐振腔，就可以得到激光 激发密度足够高，采用合适的谐振腔， 2）通过声子散射、碰撞离化、缺陷散射和场离化等形式，激子离解成 ）通过声子散射、碰撞离化、缺陷散射和场离化等形式， 一对自由电子和空穴 3）发射声子而损失掉能量 ） 4）激子把能量交给杂质，而得到能量的杂质以辐射的或无辐射的方式 ）激子把能量交给杂质， 或将能量转移给另一个杂质的途径损失能量
2 −1
(6)
3、 缺陷及其对发光的影响 、
一、点缺陷 空位 填隙原子 位错原子 化合物 同时存在空位或填隙原子 杂质原子替位 杂质原子填隙 、 、 、 、
点缺陷可以形成辐射复合中心， 点缺陷可以形成辐射复合中心，也就是发光中心 也可以形成无辐射复合中心或陷阱
结构缺陷型发光中心
由晶格本身的结构缺陷如空位、 由晶格本身的结构缺陷如空位、填隙原子等形成的 决定这类发光中心性质的是晶格本身的结构缺陷
Ei = Eg − (ED + EA )
• 终态能量
– 跃迁后：施主中心留下一个等效正电荷，受主 跃迁后：施主中心留下一个等效正电荷， 中心留下一个等效负电荷 – 终态能量即为电势能
Ef = −e2 / 4πεr
• 跃迁辐射能量
Er = Ei − Ef = Eg − (ED + EA ) + e2 / 4πεr
替位Zn 在价带上产生受主能级， 替位Zn 如ZnS:Cu,Al中，Cu+替位 2+，在价带上产生受主能级，Al3+替位 2+，在 中 导带下产生施主能级，它们形成施主 受主对 导带下产生施主能级，它们形成施主—受主对
• 能量状态
– D+可能从导带俘获一个电 子，A-从价带俘获一个空 穴，形成D+A-eh（施主 形成 （施主受主对联合中心， 受主对联合中心，简称施 受主对） 主-受主对） 受主对 – 初态能量为
产生520nm的边缘发射 产生 的边缘发射
边缘发射通常伴随着声子发射
第一级谱峰为电子—空穴复 第一级谱峰为电子 空穴复 合发射一个光子而没有声子 参与
第二级谱峰为发射一个光 子的同时发射一个声子
第（n+1）级谱峰为发射一 ） 个光子的同时发射n个声子 个光子的同时发射 个声子
立方（ ）和六角（ ） 晶体的边 立方（α）和六角（β）ZnS晶体的边 缘发射光谱
未激活的ZnS、 等材料在低温下受到激发后， 未激活的 、ZnO、CdS等材料在低温下受到激发后，在本征吸收边附近 、 等材料在低温下受到激发后 出现的发光是由许多狭窄的等距离谱线组成。 出现的发光是由许多狭窄的等距离谱线组成。这种发光称为边缘发射 边缘发射的光子能量总比禁带宽度小 被认为是一个价带中的空穴和一个俘获在浅施主上的电子的复合