半导体物理SemiconductorPhysics极化声子代表了激子与光子的互作用。.ppt

辐射跃迁 庞智勇 山东大学物理学院 本幻灯片参照刘恩科等所著《半导体物理学》 【美】J.I.潘可夫，《半导体中的光学过程》 编写 半导体物理 Semiconductor Physics R = nunlPul 光辐射是光吸收的逆过程。一个在平衡条件下占据较高能态的电子，会跃迁到一个较低能量的空能态，并且，这两个能态之间能量差的全部或者大部分会以电磁波方式辐射出来。 辐射速率决定于下面三项的乘积，即较高能态的载流子浓度nu，较低的空能态密度nl，以及跃迁概率Pul。 半导体物理 Semiconductor Physics 光吸收与光发射有一个重要的差别：光吸收过程涉及到半导体中所有的能态-即，在费米能级两边的能态，结果产生一个宽谱；发射过程所连接的是一个包含已热驰豫了的电子的窄能带与一个包含已热驰豫了的空穴的窄能带，所以，结果产生一个窄谱。 半导体物理 Semiconductor Physics 正在激发过程中产生的发光叫荧光。 激发终止之后，发光仍能持续一些时间的叫磷光。 实现光发射主要要求系统处于非平衡状态。这种偏离平衡态需要某些形式的激发方能达到。电流激发产生电致发光（EL谱），光激发产生光致发光（PL谱）。 半导体物理 Semiconductor Physics 发光效率 内部量子效率： 外部量子效率： 半导体物理 Semiconductor Physics 辐射跃迁 基本跃迁 能带与杂质能级之间的跃迁 施主-受主跃迁 能带内跃迁 激子复合 导带到价带的跃迁 自由激子 激子迁移与极化声子复合 束缚激子 激子化分子 束缚于等电子陷阱的激子 直接跃迁 非直接跃迁 自吸收 重掺杂半导体的情况 伴有载流子相互作用的光发射 带尾态之间的跃迁 浅跃迁 跃迁到深能级 深跃迁 半导体物理 Semiconductor Physics 自由激子 k Ex 发射光子的能量 激子具有一系列的激发能态，自由激子的发射谱可以包含一系列的窄的谱线 较高次峰的强度衰减得很快，故在有其它辐射背景情况下，很难被观察到 半导体物理 Semiconductor Physics k Ex Ep 间接带隙半导体中，动量守恒要求发射一个声子，于是发射的光子能量 激子态代表了电子-空穴对的最低能态，但激子只有在很纯的材料并且在低温下才容易形成。 半导体物理 Semiconductor Physics k Ex Ep 在直接跃迁过程中，也会发生发射一个或多个声子的情况，但这种迁移的概率较低。 声子数目越多，概率越低，相应的发射谱线越弱 虽然伴有声子发射的跃迁概率比直接复合要低，但是，所产生的光子却更容易从半导体中逸出，因为它发生在比直接复合更低一些的光子能态，即在它所处的光谱范围，材料更透明些。 半导体物理 Semiconductor Physics 激子迁移 自由激子能够在晶体中传播，因此可能在半导体的某一部分产生自由激子，而在另一部分探测到它们。 极化声子 是一复合体，来自于电磁波同具有相同频率的共振谐振子之间的极化作用。谐振子可以是一个或多个原子、电子或空穴、或是它们的组合。虽然极化声子最初被设定为激子同光子之间的互作用，但它们也表示光子与光学声子间的互作用以及光子与等离子元之间的互作用。声子是形成晶体的原子的总体振动模式；等离子元是自由载流子的集体振荡。 极化声子不能同离子晶体中的极化子混淆起来。极化子是指电子同晶格的互作用；所以，它包括一个自由电子（或空穴）以及与之相联系的声子。 极化声子复合 半导体物理 Semiconductor Physics 极化声子代表了激子与光子的互作用。 极化声子被光学声子散射时，会出现发光。当极化声子撞击表面时也会发光。 自由激子复合发射谱与极化声子复合发射谱的差异：激子谱在低能量范围，相当在k=0的定态激子处突然截止。 极化声子复合 极化声子 激子 半导体物理 Semiconductor Physics 当有杂质存在时，会形成束缚激子。 束缚激子产生的发射谱的特征是谱窄，且所处之光子能量比自由激子的要低。 在GaAs中发现束缚于浅杂质的激子发射谱的线宽在0.1meV数量级，自由激子的为1meV。在同一材料中，自由激子与束缚激子二者经常同时产生。 束缚激子 半导体物理 Semiconductor Physics 发射峰1源于自由激子复合，峰2、3、4源于一个束缚激子与0-、1-、2-声子复合而发光。峰2、3、4之间的距离是43meV，相当于已知的LO声子值。峰I、II与激子无关。 发射强度 光子能量（eV） 0