【2019年整理】半导体器件物理课件——第八章 (2)

现束缚激子的发光起重要作用，而且有很高的发光效率。如 GaP材料中 Zn 对 O
产生的束缚激子引起红色发光。氮等电子陷阱产生的束缚激子引起绿色发光。这两种
发光机制使发光二极管的发光效率大大提高，成为发光二极管的主要发光机制。激子
发光的研究越来越受到人们的重视。
8.1.1 辐射复合
h DA r
Eg
Ed
Ea
q2
4k 0 r
（8-6）
8.1辐射复合
3.施主受主对复合
对于 GaP材料，不同杂质原子和它们的替位状态会造成对的电离能不同。例如：
氧施主和碳受主杂质替代磷的位置，在温度为1.6K时， Ea Ed 9；41而m氧eV施主 杂质是磷替位和锌受主杂质是镓替位，在温度为1.6K时， Ea Ed 956。.6meV
(8-2)式说明这种跃迁发生在 空k 间的同一地点，因此也被称为竖直跃迁。
能量守恒要求
h E2 E1 E（g8-3）
式中 E=2跃迁前电子的能量
=E跃1 迁后电子的能量
=h辐 射光子的能量
8.1.1辐射复合
间接辐射复合
在这种半导体中，导带极小值和价带极大值不是发生在布里渊区的同一地点，因此这种跃迁是 非
8.1.1辐射复合
.带间辐射复合
带间辐射复合是导带中的电子直接跃迁到价带与价带中的空穴复合。发射的光子的能量接近等于半 导体材料的禁带宽度。
由于半导体材料能带结构的不同，带间辐射复合又可以分为直接辐射复合和间接辐射合两种:
导带
Hale Waihona Puke Baidu
导带
价带
价带
图8-1 带间复合：（a）直接 能隙复合（b）间接能隙复合
8.1.1 辐射复合
图8-3D－A 对复合能级图
8.1.1辐射复合
3.施主－受主对复合
施主俘获电子，受主俘获空穴之后都呈电中性状态。施主上的电子与受主上的空穴 复合后，施主再带正电，受主再带负电。所以D－A对复合过程是中性组态产生电 离施主受主对的过程，故复合是具有库仑作用的。跃迁中库仑作用的强弱取决于 施主与受主之间的距离的大小。粗略地以类氢原子模型处理D－A对中心。在没有 声子参与复合的情况下，发射的光子能量为
2.浅能级和主带之间的复合
它可以是浅施主与价带空穴或浅受主与导带电子之间的的复合，如图8-2所示。
图8-2 浅能级杂质与主带的复合
8.1.1辐射复合
3.施主受主对（D-A对）复合
施主受主对复合是施主俘获的电子和受主俘获的空穴之间的复合。在复合过程中发射光子 光子的能量小于禁带宽度。这是辐射能量小于禁带宽度的一种重要的复合发光机制，这种复 合也称为D-A对复合。 D-A对复合模型认为，当施主杂质和受主杂质同时以替位原子进入晶 格格点并形成近邻时，这些集结成对的施主和受主系统由于距离较近，波函数相互交叠使施 主和受主各自的定域场消失而形成偶极势场，从而结合成施主受主对联合发光中心，称为 D-A对。 D-A对发光中心的能级如图8-3所示。
第八章 发光二极管和半导体
激光器
1907.Round发现电流通 过硅检波器时有黄光发生 1923.Lossev在碳化硅检波器中观察到类似现象 1955.Braunstein首次在三-五族化合物中观察到辐射复合 1961.Gershenzon观察到磷化镓PN结发光 1962年砷化镓发光二极管和激光器研制成功 1970年砷化镓-铝镓砷激光器实现室温连续
直接辐射复合
对于直接带隙半导体，导带极小值和价带极大值发生在布里渊区同一点如图8.1a所示。 电子在跃迁过程中必须遵守能量守恒和准动量守恒
准动量守恒要求
K2 K1 K光子
（8-1）
K
2
=跃迁前电子的波矢量
K
1
=跃迁后电子的波矢量
K光子 =跃迁过程中辐射的光子的波矢量
8.1.1辐射复合
K 2 K1 （8-2）
竖直跃迁。准动量守恒要求在 跃进过程中必须伴随声子的吸收或放出。即
K2 K1 q
（8-4）
q
为声子的波矢，正号表示放出声子，负号表示吸收声子，相应能量守
恒的条件为
h E2 E1 h p
（8-5）
Eg
h p 为声子的能量， 一般比电子能量小得多，可以略去。 p 为声子频率。
8.1.1辐射复合
8.1 辐射复合与非辐射
8.1辐射复合和非辐射复合
在复合过程中电子多余的能量可以以辐射的形式（发射光子）释放出来， 这种复合称为辐射复合，它是光吸收的逆过程。
在复合过程中电子的多余能量也可以以其它形式释放出来，而不发射光 子，这种复合称为非辐射复合。
光电器件利用的是辐射复合过程，非辐射复合过程则是不利的。了解半导 体中辐射复合过程和非辐射复合过程是了解光电器件的工作机制和进行器件 设计的基础。
但对于宽禁带材料，这类发光还是有实际意义的，例如GaP中的红色
发光，便是属于这类复合。
• 深能级杂质除了对辐射复合有影响外，往往是造成非辐射复合的根源， 特别是在直接带隙材料中更是如此。所以在实际工作中，往往需要尽 量减少深能级，以提高发光效率。
8.1辐射复合
5.激子复合
如果半导体吸收能量小于禁带宽度的光子，电子被从价带激发。但由于库仑作用，
h
Eg
En exc
NEp
（8-8）
式中 NE表p 示吸收或放出能量为 的E p 个N声子。
8.1.1辐射复合
5.激子复合
束缚激子：
若激子对杂质的结合能为Eb，x 则其发射光谱的峰值为
h
Eg
En exc
Ebx
（8-9）
Eb是x 材料和束缚激子的中心的电离能 E的i 函数。近年来，在发光材料的研究中，发
它仍然和价带中留下的空穴联系在一起，形成束缚状态。这种被库仑能束缚在一 起的电子-空穴对就称为激子。如果激子复合以辐射方式释放能量，就可以形成发 光过程。
自由激子：
对于直接带隙半导体材料，自由激子复合发射光子的能量为
h
Eg
En exc
（8-7）
式中 E为enxc激子能级。
对于间接带隙半导体材料，自由激子复合发射光子的能量为
D-A对的发光在室温下由于与声子相互作用较强，很难发现D－A对复合的线光 谱。但是，在低温下可以明显地观察到对发射的线光谱系列。这种发光机构已为实 验证实并对发光光谱作出了合理的解释。
8.1辐射复合
• 4.通过深能级的复合
• 电子和空穴通过深能级复合时，辐射的光子能量远小于禁带宽度，发 射光的波长远离吸收边。对于窄禁带材料，要得到可见光是困难的，