发光二极管和的半导体激光器.ppt

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.Lo«ev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 ■ 1 辐射 复合与 非辐射 ■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。 .带 间辐 射复合 f 间辐射 8合 是导带 中的电 子直接 跃迁到 价带与 价带中 的空穴 3合， 发 射的光 子的能 量接近 等于半 * 体材料 的禁帯 竞度， I 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: 图心 I 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 于良接 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. la 所示。 电 子在跃 迁过程 中必须 遵守能 量守恒 和准动 ft 守恒 准 动量守 恒要求 K2 = 跃迁前 电子的 波矢量 K1 = 跃迁后 电子的 波矢量 = 跃迁 过程中 辐射的 光子的 K8.1.1 辐 射复合 w w K2 K (8-2) UJ (8-2) 式 说明这 种跃迁 发生在 g间的同 _地点 t 因此也 被称为 竖直跃迁， 能量守 恒要求 hv - E2- Ex £^-3) 式中 乓跃迁 前电子 的能量 #迁 后电子 的能量 =/紺射 光子 的能量 .1.1 辐 射复合 间接辐 射复合 在这 种半导 体屮， 导 带极小 值和价 带极大 值不是 发生在 布里渊 IZ 的同一 地点， 因 此这种 跃迁是 非 竖直跃 迁， 准 动量守 求 进 中必 须伴随 声子的 吸收或 放出。 即 h v}y 为声 子的能 童， 一般 比电子 能量小 得多， 可以 略去， vp 为声 子频率 ， K 8.1.1 辐 射复合 2 .浅 能级 和主带 之间的 S合 它可以 是浅施 主与价 带空穴 或浅受 主与导 带电子 之间的 的复合 . 如图 8-2 所示。 图 心2 浅能 级杂质 与主带 的复合 .1.1 辐 射复合 3 ■施 主- 受主对 （ D-A 对 ） 复合 施主 -受主 对复合 是施主 俘获的 电子和 受主俘 获的空 穴之间 的复合 ， 在 复合过 程中发 射光子 光子 的能惫 小于禁 带宽度 _ 这 是辐射 能量小 于禁带 宽度的 一种重 要的复 合发光 机制， 这种复 合 也称为 D-A 对 复合、 D-A 对复 合模型 认为， 当施 主杂质 和受主 杂质同 时以替 位原子 进入晶 格 格点并 形成近 邻时， 这些集 结成对 的施主 和受主 系统由 于距离 较近， 波函数 相互交 叠使施 主和 受主各 自的定 域场消 失而形 成偶极 势场， 从而结 合成施 主-受 主对联 合发光 中心， 称为 D-A 对. D-A 对 发光中 心的能 级如图 8-3 所示. O 图 8-3D-A 对复合 能级图 8.1.1 辐 射复合 3, 施主 - 受主对 §合 施 主俘获 电子， 受 主俘获 空穴之 后都呈 电中性 状态。 施 主上的 电子与 受主上 的空穴 复 合后， 施 主再带 正电， 受 主再带 负电。 所以 D_A 对 复合过 程是中 性组态 产生电 离施 主-受 主对的 过程， 故复 合是具 有库仑 作用的 ， 跃 迁中库 仑作用 的强弱 取决于 施主 与受主 之间的 距离的 大小。 粗略地 以类氢 原子模 型处理 D_A 对 中心， 在没有 声子 参与复 合的情 况下， 发射 的光子 能量为 . 8.1 辐 射复合 3 .施 主受主 对复合 对于 Ga 树料， 不 同杂质 原子和 它们的 替位状 态会造 成对的 电离能 不同， 例如， 氧 施主和 碳受主 杂质替 代磷的 位置， 在 温度为 L6 对， 圪 +圮=糾而氧施 主 杂质 是磷替 位和锌 受主杂 质是镓 替位， 在 温度为 ⑶術， E(l + =