第五章复合发光.ppt

第五章 复合发光 5.1 半导体中的缺陷 5.2 直接带与间接带半导体 5.3 半导体中复合发光的分类及各自的特点 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、掺入的杂质以及杂质的聚合所形成 复合发光的分类 带间复合 边缘发射 激子复合 通过杂质中心的复合 通过施主—受主对的复合 通过等电子陷阱的复合 按照电子跃迁的方式分类 复合发光 直接带 间接带 简化的能带模型 2、半导体能带结构及光学跃迁 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 动量守恒 忽略光子的动量 光子的波数大约是105cm-1 电子的波数大约为108cm-1 直接带半导体 价带顶与导带底位于k=0的位置 电子直接从价带跃迁到导带，k值不变 曲线为直线 间接带半导体 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，动量也发生变化 声子参与——吸收或发射声子 跃迁概率低 k：声子的波矢 间接跃迁光吸收系数 吸收一个声子 发射一个声子 3、 缺陷及其对发光的影响 一、点缺陷 化合物 空位 、 填隙原子 、 位错原子 、 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，也就是发光中心 也可以形成无辐射复合中心或陷阱 发光中心 结构缺陷型发光中心 杂质缺陷型发光中心 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 如ZnS中的VZn（自激活兰色发光带） 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 如ZnS: Mn中发光中心为MnZn 无辐射复合中心 结构型缺陷，如p-GaAs中VGa 杂质缺陷，如ZnS中Fe、Co、Ni 二、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，禁带变宽 晶格伸张部分，禁带变窄 无辐射复合或产生不需要的发射带 影响发光效率 导致PN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 通常只能在纯材料中观察到 多声子发射 俄歇过程 辐射跃迁 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 （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，直接带开始变为间接带——转变点 如： In1-xGaxP，GaAs1-xPx，In1-xAlxP，AlxGa1-xAs等三元化合物 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 材料 xc （eV） GaAs1-xPx 0.46 1.99 AlxGa1-xAs 0.31 1.90 In1-xGaxP 0.70 2.18 In1-xAlxP 0.40 2.23 几种混晶材料的转变点与禁带宽度 当xxc时，为直接带发光效率高 当xxc时为间接带，发光效率大大降低 5 边缘发射 未激活的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 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）引起的 实验证实 用115KeV加速电子轰击CdS，（能量大于在CdS中产生S空位的能量阈值），在CdS中产生空位或间隙 产生520nm的边缘发射 立方（α）和六角（β）ZnS晶体的边缘发射光谱 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 边缘发射通常伴随着声子发射 6 激子的复合 激子就是束缚在一起的电子—空穴对 激子的能量小于禁带宽度，减小的部分能量称为激子的结合能 激子在晶体某一部分产生后，可以在晶体中传播，传输激发能，但并不传输电荷，对电导率没有贡献 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，不能再在晶体中自由运动 束缚激子的能量低于自由激子的能量 n=1 n=2 n=∞ 激子的类氢能级 电子和空穴结合成自由激子释放出的结合能为 1）运动着