2发光材料与器件基础

质由于缺陷存在而发生光吸收，图5.3给出了各种光吸收的情况。
C→V过程 在高温下发生的电子 由价带向导带的跃迁。
E→V过程 这是激子衰变过程。
C
E D
C
C
DD
这种过程只发生在高纯半导体和低
电子泵抽运造成 的 电 子 -空 穴 对
温下，这时KT不大于激子的结合能。
可能存在两种明确的衰变过程：自
由激子的衰变和束缚在杂质上的激 V
8 子的衰变。
09.10.2020
DA A
V
V
V
V
电信系光电工程专业
2.2 固体光吸收的本质
D→V过程 这一过程中，松弛的束缚在中性杂质上的电子和一个价
带中的空穴复合，相应跃迁能量是Eg—ED。例如对GaAs来说，低温下的 Eg 为 1.1592ev ， 许 多 杂 质 的 ED 为 0.006ev ， 所 以 D→V 跃 迁 应 发 生 在 1.5132ev处。因此，发光光谱中在1.5132ev处出现的谱线应归属于这种
跃迁。具有较大的理化能的施主杂质所发生的D→V跃迁应当低于能隙很
多，这就是深施主杂质跃迁 D→V过程。
C
C
C
E
D
DD
电子泵抽运造成 的 电 子 -空 穴 对
DA
A
V
9
09.1V0.2020V
V
V 电信系光电工程专业
2.2 固体光吸收的本质
C→A过程 本征半导体导带中的一个电子落在受主杂质原子上，
并使受主杂质原子电离化，这个过程的能量为Eg—EA。例如对GaAs来 说，许多受主杂质的EA为0.03ev，所以C→A过程应发生在1.49ev处。 实际上，在GaAs的发光光谱中，已观察到1.49ev处的弱发光谱线，它
发光材料与器件基础
1
09.10.2020
电信系光电工程专业
第二章 发光材料基本概念
2.1 发光材料
固体的光性质，从本质上讲，就是固体和电磁波的相互作用， 这涉及晶体对光辐射的反射和吸收，晶体在光作用下的发光，光 在晶体中的传播和作用以及光电作用、光磁作用等。基于这些性 质，可以开发出光学晶体材料、光电材料、发光材料、激光材料 以及各种光功能转化材料等。在本章中，我们从固体对光的吸收 的本质开始，然后介绍光电材料、发光材料和激光材料等。
应当归属于自由电子-中性受主杂质跃迁。导带电子向深受主杂质上的
跃迁，其能量小于能隙很多，这就是深受主杂质跃迁C→A过程。
C
C
C
10
电子泵抽运造成 的 电 子 -空 穴 对
E D
A V
V
V
V
09.10.2020
DD DA
V
电信系光电工程专业
2.2 固体光吸收的本质
D→A过程 如果同一半导体材料中，施主和受主杂质同时存在，
3
09.10.2020
电信系光电工程专业
2.1 发光材料
固体发光的基本特征
(1)任何物体在一定温度下都具有平衡热辐射，而发光是指 吸收外来能量后，发出的总辐射中超出平衡热辐射的部 分。
(2)(2) 当外界激发源对材料的作用停止后，发光还会持续 一段时间，称为余辉。一般10e-8为界限，短于为荧光， 长于为磷光。
6
09.10.2020
电信系光电工程专业
2.2 固体光吸收的本质
激子吸收 除了基础吸收以外，还有 一类吸收，其能量低于能隙宽度，它 对应于电子由价带向稍低于导带底处 的的能级的跃迁有关。这些能级可以 看作是一些电子-空穴（或叫做激子， excition）的激发能级（图5.2）处于 这种能级上的电子，不同于被激发到 导带上的电子，不显示光导电现象， 它们和价带中的空穴偶合成电子-空 穴对，作为整体在晶体中存在着或运 动着，可以在晶体中运动一段距离 （~1μm）后再复合湮灭。
2
09.10.2020
电信系光电工程专业
2.1 发光材料
发光材料的定义
发光材料又称发光体，是一种能够把从外界吸收的各种形式的能 量转换为非平衡光辐射的功能材料。光辐射有平衡辐射和非平衡 辐射两大类，即热辐射和发光。
任何物体只要具有一定温度，则该物体必定具有与此温度下处 于热平衡状态的辐射。
非平衡辐射是指在某种外界作用的激发下，体系偏离原来的平 衡态，如果物体在回复到平衡态的过程中，其多余的能力以光辐 射的形式释放出来，则称发光。因此发光是一种叠加在热辐射背 景上的非平衡辐射，其持续时间要超过光的振动周期。
5
09.10.2020
导带 能隙 （禁带）
价带
电信系光电工程专业
2.2 固体光吸收的本质
例如，离子晶体的能隙宽度一般为几个电子伏，相当于紫外光的 能量。因此，纯净的理想离子晶体对可见光以至红外区的光辐射， 都不会发生光吸收，都是透明的。碱金属卤化物晶体对电磁波透明 的波长可以由~25μm到250nm，相当于0.05~5ev的能量。当有足 够强的辐射（如紫光）照射离子晶体时，价带中的电子就有可能被 激发跨过能隙，进入导带，这样就发生了光吸收。这种与电子由价 带到导带的跃迁相关的光吸收，称作基础吸收或固有吸收。例如， CaF2的基础吸收带在200nm(约6ev)附近，NaCl的基础吸收约为 8ev，Al2O3的基础吸收约在9ev。
4
09.10.2020
电信系光电工程专业
2.2 固体光吸收的本质
我们先讨论纯净物质对光的吸收。
基础吸收或固有吸收 固体中电子的能 带结构，绝缘体和半导体的能带结构如图 5.1所示，其中价带相当于阴离子的价电 子层，完全被电子填满。导带和价带之间 存在一定宽度的能隙（禁带），在能隙中 不能存在电子的能级。这样，在固体受到 光辐么晶体就不会 激发，也不会发生对光的吸收。
导带 激子能级
能隙(禁带）
价带
7
09.10.2020
电信系光电工程专业
2.2 固体光吸收的本质
缺陷存在时晶体的光吸收 晶体的缺陷有本征的，如填隙原子和空位，
也有非本征的，如替代杂质等。这些缺陷的能级定于在价带和导带之间的
能隙之中。当材料受到光照时，受主缺陷能级接受价带迁移来的电子，而
施主能级上的电子可以向导带迁移，这样就使原本不能发生基础吸收的物
那么可能发生中性施主杂质给出一个电子跃迁到受主杂质上的过程，这
就是D→A过程.。发生跃迁后，施主和受主杂质都电离了，它们之间的
结合能为：
Eb=-e2/4πεKr
2.1
该过程的能量为：Eg—ED—C EA—Eb。
C
C
11
电子泵抽运造成 的 电 子 -空 穴 对