半导体光电器件半导体光电器件的物理基础教学课件PPT.ppt

　 ???  ， 。 * * 直接跃迁：导带的最低位置位于价带最高位置的正上方；这种直接带隙半导体在本征吸收过程中，产生电子的直接跃迁。如GaAs， InSb及Ⅱ－Ⅵ族等材料等。 间接跃迁：导带的最低位置不位于价带最高位置的正上方；在这种半导体中，除了直接跃迁外，还存在着非直接跃迁过程，在非直接跃迁过程中，电子不仅吸收光子，同时还有声子的参与。 * * 非本征吸收 波长比本征吸收限长的光波在半导体中往往也能被吸收，为非本征吸收。 非本征吸收主要包括如下几种类型： 激子吸收 能产生激子的光吸收称为激子吸收。这种吸收的光谱多密集于本征吸收波长阈值的红外一侧。 激子能级图 激子吸收光谱 * 自由载流子吸收：导带内的电子或价带内的空穴也能 吸收 光子 能量，使它在本能带内由低能级迁移到高能级，这种 吸收称为自由载流子吸收，表现为红外吸收。 * 杂质吸收：杂质能级上的电子（或空穴）吸收光子能量，从杂质能级跃迁到导带（空穴跃迁到价带），这种吸收称为杂质吸收。杂质吸收的波长阈值多在红外区或远红外区。 杂质吸收中的电子跃迁 杂质吸收曲线 * 晶格吸收 半导体原子能吸收能量较低的光子，并将其能量直接变为晶格的振动能，从而在远红外区形成一个连续的吸收带，这种吸收称为晶格吸收。 半导体对光的吸收主要是本征吸收 对于硅材料，本征吸收的吸收系数比非本征吸收的吸 收系数要大几十倍到几万倍，一般情况下只考虑本征吸收， 可认为硅对波长大于1.15μm的光透明。 * 2.4 半导体的光发射 电子从高能级向较低能级跃迁时，必然释放一定的能量。 如果跃迁过程伴随着发出光子，这种跃迁称为辐射跃迁。 电子的辐射跃迁 2.4.1 辐射跃迁 * （1）有杂质或缺陷参与的跃迁：导带电子跃迁到未电离的受主能级，与受主能级上的空穴复合，如过程a ;中性施主能级上的电子跃迁到价带，与价带中空穴复合，如过程b ;中性施主能级上的电子跃迁到中性受主能级，与受主能级上的空穴复合，如过程c 。 （2）带与带之间的跃迁：导带底的电子直接跃迁到价带顶部，与空穴复合，如过程d ；导带热电子跃迁到价带顶与空穴复合，或导带底的电子跃迁到价带与热空穴复合，如过程e 。 （3） 热载流子在带内跃迁，如过程f 。 （4） 激子复合：在一定条件下，激子中的电子和空穴复合发光，而且效率可以相当高。激子复合所产生的光子的能量小于禁带宽度。 （5）等电子陷阱复合：在一些间接带隙半导体中，等电子杂质替代晶格基质原子，因其原子大小和电负性等性质与基质原子不相同，造成电子和空穴的束缚态，其作用好象陷阱，故通常称之为等电子陷阱。利用等电子陷阱复合，可以使间接带隙材料的发光效率得到提高。 * 本征跃迁 导带的电子跃迁到价带，与价带空穴相复合，伴随着发射 光子，称为本征跃迁，是本征吸收的逆过程。 直接跃迁 发光效率高 * 间接跃迁 有声子参与，发光效率低 * 非本征跃迁 电子从导带跃迁到杂质能级，或杂质能级上的电子跃迁 入价带，或电子在杂质能级之间的跃迁，都可以引起发 光。这种跃迁称为非本征跃迁。 施主与受主之间的跃迁 施主与受主之间的跃迁效率高，多 数发光二极管属于这种跃迁机理 r 较小时，得到分裂的谱线； r 较大时，发射谱线越来越靠近，最后出现一发射带； r 相当大时，发射随杂质间距离增大而减小。 * 2.4.2 无辐射跃迁 （1）多声子跃迁：晶体中的电子与空穴复合时，可以激发多个声子，从而释放出其能量。多声子跃迁是一个概率很低的多级过程。 （2）俄歇复合：电子－空穴复合时，将其多余的能量传输给第三个载流子，使第三个载流子在原来所在的导带或价带内激发，跳到同一能带中较高的位置上，然后在能带的连续带中进行多声子跃迁，释放掉其多余的能量，再回到其初始的状态。这整个过程称之为俄歇复合。 * （3）表面复合与界面态复合：晶体表面的晶格中断， 产生悬键，能够产生高浓度的、深的或浅的能级。 组成异质结的两种材料的晶格常数总会有所差别， 在界面处的晶格失配必然会引进界面态，同样产生 高浓度的、深的或浅的能级。表面复合与界面态复 合就是通过表面或界面连续的跃迁进行的，因而 也是非辐射复合。 * 2.4.3 发光效率 通常用“内部量子效率”η内和外部量子效率” η外来表示示发光效率。 只有当 时，才能获得有效的光子发射。 * 辐射复合所产生的光子并不能全部都离开晶体 向外发射。 原因：①再吸收；②发生反射而返回到晶体内部。 发红光的GaP(Zn-O)发光二极管，室温下η外最高可达 15％，发绿光的GaP(N)， η外仅有0.7％。 晶体的吸收随着温度的升高而增大，因而，发光效率 随温度升高而下降。 *