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1、第八章 發(fā)光二極管和半導(dǎo)體 激光器 1907.Round發(fā)現(xiàn)電流通過硅檢波器時(shí)有黃光發(fā)生 1923.Lossev在碳化硅檢波器中觀察到類似現(xiàn)象 1955.Braunstein首次在三 -五族化合物中觀察到輻射復(fù)合 1961.Gershenzon觀察到磷化鎵 PN結(jié)發(fā)光 1962年砷化鎵發(fā)光二極管和激光器研制成功 1970年砷化鎵 -鋁鎵砷激光器實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù) 8.1 輻射復(fù)合與非輻射 8.1輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合 在復(fù)合過程中電子多余的能量可以以輻射的形式（發(fā)射光子）釋放出 來， 這種復(fù)合稱為輻射復(fù)合，它是光吸收的逆過程。 在復(fù)合過程中電子的多余能量也可以以其它形式釋放出來，而不發(fā)射光 子，這種復(fù)

2、合稱為非輻射復(fù)合。 光電器件利用的是輻射復(fù)合過程，非輻射復(fù)合過程則是不利的。了解半 導(dǎo) 體中輻射復(fù)合過程和非輻射復(fù)合過程是了解光電器件的工作機(jī)制和進(jìn)行器件 設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。 8.1.1輻射復(fù)合 1.帶間輻射復(fù)合 帶間輻射復(fù)合是導(dǎo)帶中的電子直接躍遷到價(jià)帶與價(jià)帶中的空穴復(fù)合。發(fā)射的光子的能量接近 等于半 導(dǎo)體材料的禁帶寬度。 由于半導(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)的不同，帶間輻射復(fù)合又可以分為直接輻射復(fù)合和間接輻射合兩種 : 導(dǎo)帶 價(jià)帶 導(dǎo)帶 價(jià)帶 圖 8-1 帶間復(fù)合： （ a） 直接 能隙復(fù)合 （ b） 間接能隙復(fù)合 8.1.1 輻射復(fù)合 k 直接輻射復(fù)合 對(duì)于直接帶隙半導(dǎo)體，導(dǎo)帶極小值和價(jià)帶極大值發(fā)生在布里淵區(qū)

3、同一 點(diǎn) 如圖 8.1a所示。 電子在躍遷過 程中必須遵守能量守恒和準(zhǔn)動(dòng)量守恒 準(zhǔn)動(dòng)量守恒要求 （ 8-1） =躍遷前電子的波矢量 =躍遷后電子的波矢量 =躍遷過程中輻射的光子的波矢量 （ 8-2） (8-2)式說明這種躍遷發(fā)生在 空間的同一地點(diǎn)，因此也被稱為豎直躍遷。 光子KKK 12 2K 1K 光子K 8.1.1輻射復(fù)合 （ 8-2） (8-2)式說明這種躍遷發(fā)生在 空間的同一地點(diǎn)，因此也被稱為豎直躍遷。 能量守恒要求 （ 8-3） 式中 = 躍遷前電子的能量 = 躍遷后電子的能量 = 輻射光子的能量 12 KK k gEEEh 12 2E 1E h 8.1.1輻射復(fù)合 間接輻射復(fù)合 在

4、這種半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶極小值和價(jià)帶極大值不是發(fā)生在布里淵區(qū)的同一地點(diǎn)，因此這種躍遷是 非 豎直躍遷。準(zhǔn)動(dòng)量守恒要求在躍進(jìn)過程中必須伴隨聲子的吸收或放出。即 qKK 12 q phEEh 12 gE p ph （ 8-4） 為聲子的波矢，正號(hào)表示放出聲子，負(fù)號(hào)表示吸收聲子，相應(yīng)能量守 恒的條件為 （ 8-5） 為聲子頻率。 一般比電子能量小得多，可以略去。 為聲子的能量， 8.1.1輻射復(fù)合 2.淺能級(jí)和主帶之間的復(fù)合 它可以是淺施主與價(jià)帶空穴或淺受主與導(dǎo)帶電子之間的的復(fù)合，如圖 8-2所示。 圖 8-2 淺能級(jí)雜質(zhì)與主帶的復(fù)合 8.1.1輻射復(fù)合 3.施主 受主對(duì)（ D-A對(duì)）復(fù)合 施主 受主對(duì)復(fù)

5、合是施主俘獲的電子和受主俘獲的空穴之間的復(fù)合。在復(fù)合過程中發(fā)射光 子光子的能量小于禁帶寬度。這是輻射能量小于禁帶寬度的一種重要的復(fù)合發(fā)光機(jī)制，這種 復(fù)合也稱為 D-A對(duì)復(fù)合。 D-A對(duì)復(fù)合模型認(rèn)為，當(dāng)施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)同時(shí)以替位原子進(jìn)入 晶格格點(diǎn)并形成近鄰時(shí)，這些集結(jié)成對(duì)的施主和受主系統(tǒng)由于距離較近，波函數(shù)相互交疊使 施主和受主各自的定域場(chǎng)消失而形成偶極勢(shì)場(chǎng)，從而結(jié)合成施主 受主對(duì)聯(lián)合發(fā)光中心，稱 為 D-A對(duì)。 D-A對(duì)發(fā)光中心的能級(jí)如圖 8-3所示。 圖 8-3D A 對(duì)復(fù)合能級(jí)圖 8.1.1輻射復(fù)合 3.施主受主對(duì)復(fù)合 施主俘獲電子，受主俘獲空穴之后都呈電中性狀態(tài)。施主上的電子與受主上的

6、空 穴復(fù)合后，施主再帶正電，受主再帶負(fù)電。所以 D A對(duì)復(fù)合過程是中性組態(tài)產(chǎn)生 電離施主 受主對(duì)的過程，故復(fù)合是具有庫侖作用的。躍遷中庫侖作用的強(qiáng)弱取決 于施主與受主之間的距離的大小。粗略地以類氫原子模型處理 D A對(duì)中心。在沒 有聲子參與復(fù)合的情況下，發(fā)射的光子能量為 rkqEEErh adgAD 0 2 4 （ 8-6） 8.1輻射復(fù)合 3.施主受主對(duì)復(fù)合 對(duì)于 材料，不同雜質(zhì)原子和它們的替位狀態(tài)會(huì)造成對(duì)的電離能不同。例 如： 氧施主和碳受主雜質(zhì)替代磷的位置，在溫度為 時(shí)， ；而氧施主 雜質(zhì)是磷替位和鋅受主雜質(zhì)是鎵替位，在溫度為 時(shí)， 。 D-A對(duì)的發(fā)光在室溫下由于與聲子相互作用較強(qiáng)，很難

7、發(fā)現(xiàn) D A對(duì)復(fù)合的線光 譜。但是，在低溫下可以明顯地觀察到對(duì)發(fā)射的線光譜系列。這種發(fā)光機(jī)構(gòu)已為實(shí) 驗(yàn)證實(shí)并對(duì)發(fā)光光譜作出了合理的解釋。 GaP K6.1 me VEE da 941 1.6K me VEE da 6.956 8.1輻 射 復(fù) 合 4.通過深能級(jí)的復(fù)合 電子和空穴通過深能級(jí)復(fù)合時(shí)，輻射的光子能量遠(yuǎn)小于禁帶寬度，發(fā) 射光的波長(zhǎng)遠(yuǎn)離吸收邊。對(duì)于窄禁帶材料，要得到可見光是困難的， 但對(duì)于寬禁帶材料，這類發(fā)光還是有實(shí)際意義的，例如 中的 紅色發(fā)光，便是屬于這類復(fù)合。 深能級(jí)雜質(zhì)除了對(duì)輻射復(fù)合有影響外，往往是造成非輻射復(fù)合的根源， 特別是在直接帶隙材料中更是如此。所以在實(shí)際工作中，往往需

8、要盡 量減少深能級(jí)，以提高發(fā)光效率。 GaP 8.1輻射復(fù)合 5.激子復(fù)合 如果半導(dǎo)體吸收能量小于禁帶寬度的光子，電子被從價(jià)帶激發(fā)。但由于庫侖作用， 它仍然和價(jià)帶中留下的空穴聯(lián)系在一起，形成束縛狀態(tài)。這種被庫侖能束縛在一 起的電子 -空穴對(duì)就稱為激子。如果激子復(fù)合以輻射方式釋放能量，就可以形成發(fā) 光過程。 自由激子： 對(duì)于直接帶隙半導(dǎo)體材料，自由激子復(fù)合發(fā)射光子的能量為 式中 為激子能級(jí)。 對(duì)于間接帶隙半導(dǎo)體材料，自由激子復(fù)合發(fā)射光子的能量為 式中 表示吸收或放出能量為 的 個(gè)聲子。 nexcg EEh （ 8-7） nexcE pnexcg NEEEh （ 8-8） pNE pE N 8.1

9、.1輻射復(fù)合 5.激子復(fù)合 束縛激子： 若激子對(duì)雜質(zhì)的結(jié)合能為 ，則其發(fā)射光譜的峰值為 是材料和束縛激子的中心的電離能 的函數(shù)。近年來，在發(fā)光材料的研究中， 發(fā) 現(xiàn)束縛激子的發(fā)光起重要作用，而且有很高的發(fā)光效率。如 材料中 對(duì) 產(chǎn)生的束縛激子引起紅色發(fā)光。氮等電子陷阱產(chǎn)生的束縛激子引起綠色發(fā)光。這兩種 發(fā)光機(jī)制使發(fā)光二極管的發(fā)光效率大大提高，成為發(fā)光二極管的主要發(fā)光機(jī)制。激子 發(fā)光的研究越來越受到人們的重視。 bxE bxnexcg EEEh （ 8-9） bxE iE GaP OZn 8.1.1 輻射復(fù)合 6、等電子陷阱復(fù)合 等電子雜質(zhì) ：周期表內(nèi)與半導(dǎo)體基質(zhì)原子同族的原子 。 等電子陷阱

10、：由等電子雜質(zhì)代替晶格基質(zhì)原子而產(chǎn)生的束縛態(tài) 。 由于等電子雜質(zhì)與被替位的原子 之間的電負(fù)性和原子半徑等方面是不同的 ， 因而引起晶格勢(shì)場(chǎng)畸變 ， 可以束縛電子或空穴 形成帶電中心 ， 就象在等電子雜質(zhì)的位置形成陷阱 ， 將電子或空穴陷著 ， 故稱為等電子陷阱 。 如果等電子雜質(zhì)的電負(fù)性比晶格原子的電負(fù)性大 ， 則可以形成電子的束縛態(tài) ， 這樣 的等電子陷阱也可稱為等電子的電子陷阱 ， 這樣的雜質(zhì)稱為等電子受主 (如氮原子取代中 Gap磷原子 )。 如果等電子雜質(zhì)的電負(fù)性比晶格原子的電負(fù)性小 ， 則形成空穴的束縛態(tài) ， 稱為等電子的 空穴陷阱 ， 產(chǎn)生這種束縛態(tài)的雜質(zhì)稱為等電子施主 (如鉍原子

11、取代 Gap中磷 原子 ) 。 當(dāng)?shù)入娮酉葳宸@了某一種載流子以后 ， 成為帶電中心 ， 這個(gè)帶電中心又由庫侖作用而俘獲 帶電符號(hào)相反的載流子 ， 形成束縛激子 。 當(dāng)激子復(fù)合時(shí) ， 就能以發(fā)射光子的形式釋放能量 。 8.1.1輻射復(fù)合 6.等電子陷阱復(fù)合 等電子雜質(zhì)對(duì)電子的束縛是短程力，因此，被束縛的電子定域在雜質(zhì) 原子附近很窄的范圍內(nèi)。電子的波函數(shù)在位形空間中的定域是很確定 的。根據(jù)海森堡測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系，電子波函數(shù)在動(dòng)量空間中會(huì)擴(kuò)展到很寬 的范圍，因而被束縛在等電子陷阱的電子在 空間中從 到 X的幾率 改變，使電子在 點(diǎn)的幾率密度 提高，如圖 8-5所示。氮等電子陷 阱的引入，使 點(diǎn)出現(xiàn)電子的

12、幾率比間接躍遷的 材料提高 3個(gè) 數(shù)量級(jí)左右，從而使電子通過等電子陷阱實(shí)現(xiàn)躍遷而無需聲子參與， 大大地提高 的發(fā)光效率 。 k 2 GaP NGaP: 8.1.1輻射復(fù)合 圖 8-5 ， 和 的等電子陷阱束縛電子的幾率密度在空間的分布 Ln | 2 （任意單位 ） 1 6 2 3 4 5 7 0 K 55.0 G aA s NNP : 45.0 NG a P : G a P GaP NGaP: NNPG a A s : 45.055.0 8.1.2非輻射復(fù)合 1.多聲子過程 非輻射復(fù)合 圖 8-6 多聲子躍遷 0 1 2 5 10 20 50 100 200 300 400 500 600 光

13、子能量 （ meV） 8.1.2非輻射復(fù)合 2.俄歇 (Auger)過程 圖 8-7俄歇過程 （ a ） （ b ） （ c ） N 型 8.1.2非輻射復(fù)合 2.俄歇 (Auger)過程 圖 8-7俄歇過程 （ d ） （ e ） （ f ） P 型 8.1.2非輻射復(fù)合 2.俄歇 (Auger)過程 圖 8-7俄歇過程 （ g ） （ h ） （ i ） 雜質(zhì)帶 激子 電子 激子 空穴 8.1.2非輻射復(fù)合 3.表面復(fù)合 晶體表面處晶格的中斷，產(chǎn)生能從周圍吸附雜質(zhì)的懸掛鍵。 因而能夠產(chǎn)生高濃度的深的和淺的能級(jí)，它們可以充當(dāng)復(fù)合中心。 雖然對(duì)這些表面態(tài)的均勻分布沒有確定的論據(jù)，當(dāng)假定是均勻分

14、布 時(shí)，表面態(tài)的分布為 ，與實(shí)驗(yàn)的 估計(jì)良好地一致。 1 4 2 14 1 0N s E c m e V 8.1 輻射復(fù)合與非輻射復(fù)合 教學(xué)要求 掌握輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合的概念和機(jī)制 。 什么是等電子陷阱復(fù)合 ？ 為什么等電子陷阱復(fù)合能提高半導(dǎo)體材料的發(fā)光效率 ？ 解釋 圖 8-7 中各種俄歇過程。 8.2 LED的基本結(jié)構(gòu)和工作過程 8.2 LED的基本結(jié)構(gòu)和工作過程 平面結(jié)構(gòu)鎵砷磷紅光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖 圖 8-9 磷化鎵發(fā)光二極管 （ a） 磷化鎵發(fā)光二極管管芯截面圖 （ b） 封裝后的磷化鎵發(fā)光二極管 8.2 LED的基本結(jié)構(gòu)和工作過程 PN結(jié)的電致發(fā)光 圖 8-10 P-N的電致發(fā)光

15、結(jié)： （ a） 零偏壓 ， （ b） 正向偏壓 V 8.2 LED的基本結(jié)構(gòu)和工作過程 教學(xué)要求 畫出能帶圖說明 LED的發(fā)光機(jī)制 。 作業(yè)： 8-1、 8-3、 8-4、 8-5 名詞解釋及問題 8.3 LED的特性參數(shù) 8.3.1 V-I特性 發(fā)光二極管的電流 電壓特性和普通二極管大體一致。 發(fā)光二極管的開啟電壓很低， 是 1.0 伏， 、 大約 1.5伏。 （紅光）大 約 1.8伏， （綠光）大約 2.0伏。工作電流約為 1 0 。工作電壓和工作電流低，使得可以把它們做 的很小，以至于看作點(diǎn)光源，這使得 LED極適宜用于 光顯示。 GaAs xxPGaAs 1 AsAlGa xx1 Ga

16、P GaP mA 8.3.2 量子效率 量子效率是發(fā)光二極管特性中一個(gè)與輻射量有關(guān)的 重要參數(shù)。它反映了注入載流子復(fù)合產(chǎn)生光量子的 率。量子效率又有內(nèi)量子效率和外量子效率兩個(gè)概 念 : 外量子效率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)輸出二極管外的光子數(shù)目 與注入的載流子數(shù)目之比。 內(nèi)量子效率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)半導(dǎo)體的輻射復(fù)合產(chǎn)生的 光子數(shù)與注入的載流子數(shù)目之比。 8.3.2量子效率 1.注射效率 圖 8-12 帶尾對(duì)帶 帶復(fù)合的影 響； （ a） 型 ， （ b） 型 （ a） （ b ） n n p r e c I r I I I gE gE h hh gE gE 8.3.2量子效率 注射效率就是可以產(chǎn)生輻射復(fù)合的二極管

17、電流在二極管的總電流中所占的百 分比。 根據(jù)（ 8-15）式提高注射效率的途徑是： (a) P區(qū)受主濃度要小于 N 區(qū)施主濃度，即 結(jié)。 (b)減小耗盡層中的復(fù)合電流。這就要求 LED所用的材料和制造工藝盡可 能保證晶體完整，盡量避免有害雜質(zhì)的摻入。 (c)選用電子遷移率比空穴遷移率大的材料。由于 族化合物半 導(dǎo)體的電子遷移率比空穴遷移率大很多，例 如 ，所以它們是制造 LED的上選材料。 PN VIII 30, pnG aA s 8.3.2量子效率 2.輻射效率 發(fā)生輻射復(fù)合的電子數(shù)與總的注入電子數(shù)比： nrr rr UU U r r nU nr nr nU （ 8-18） （ 8-17）

18、（ 8-16） rnrr r 1 1 （ 8-19） 8.3.2量子效率 三種可能的復(fù)合過程 圖 8-13三種可能的復(fù)合過程 淺施主能級(jí) 淺受主能級(jí) 深復(fù)合中心 cE tEtE vE dE aE 1R 2R 3R 8.3.2量子效率 帶 帶復(fù)合過程和非輻射復(fù)合過程相競(jìng)爭(zhēng)： （ 8-21） 以 和 為競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制 ： atn r rNNC 1 2R 3R 1 2 3 e x p1 KT EE nCN PCN at na pt r （ 8-22） 8.3.2量子效率 根據(jù)（ 8-21）式，欲提高 ，可采用的方法是減少?gòu)?fù)合中心密度和增加 P區(qū)的摻雜 濃度，而且較高的 還有降低串聯(lián)電阻從而減小正向電壓降和

19、歐姆損耗的作用。 然而，高的摻雜濃度使得晶體缺陷增加，導(dǎo)致非輻射復(fù)合中心 的增加。同時(shí)， 在討論注射效率時(shí)已經(jīng)指出， P側(cè)的高摻雜會(huì)使注射效率下降。以上分析已為實(shí)際 所證實(shí)。實(shí)際證明，對(duì)于 LED,外部測(cè)得的峰值效率發(fā)生在 =2.5 cm-3處。 r aN aN tN GaP 1710 8.3.2量子效率 根據(jù)以上分析，內(nèi)量子效率可以寫作 （ 8-23） 3.逸出幾率 逸出幾率 也叫做出光效率被定義為 PN結(jié)輻射復(fù)合產(chǎn)生的 光子射到晶體外部的百分?jǐn)?shù)。 外量子效率可以寫作： （ 8-24） ri r 0 00 rie 8.3.2量子效率 影響逸出幾率的主要因素：界面反射和 再吸收。 1 c 1 c 1 c 2 半導(dǎo)體表面 圖 8-14 中的界面反射和臨界角 LED jx nL P P N型半導(dǎo)體圓頂 型 i 型 典型源點(diǎn) 160 160 160 160 （ a） （ b） 透明環(huán)氧樹脂 二極管芯片 d h1 h2 圖 8-18 圓頂狀結(jié)構(gòu)； （ a） 型半導(dǎo)體圓頂 ， （ b） 透明環(huán)氧樹脂圓頂