半导体器件物理第8篇.pdf

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 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。 8.1.1辐射复合 1.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 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 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 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    K K K （8-1） 2 1 光子  K =跃迁前电子的波矢量 2  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 2） 8.1.1辐射复合   K 2 K 1 （8-2）  (8-2)式说明这种跃迁发生在k 空间的同一地点，因此也被称为竖直跃迁。 能量守恒要求 h E2 E1 Eg （8-3） 式中 E2 = 跃迁前电子的能量 E1 = 跃迁后电子的能量 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 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    K 2 K 1 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 E E h （8-5） 2 1 p E g