10章 固体中的光吸收和光发射

1、第第 十十 章章 固体中的光吸收和光发射固体中的光吸收和光发射 主要内容主要内容: : 10.7 10.7 光电导和光生伏特光电导和光生伏特 10.9 10.9 固体发光的衰减机构和陷进效应固体发光的衰减机构和陷进效应 10.8 10.8 固体中的光发射过程固体中的光发射过程 10.10 10.10 电致发光电致发光 半导体发光二级管半导体发光二级管 10.11 10.11 受激发射受激发射 10.7 10.7 光电导和光生伏特光电导和光生伏特 半导体吸收光子后，引起载流子激发，增加半导体吸收光子后，引起载流子激发，增加 了电导率，这附加的电导称为了电导率，这附加的电导称为光电导光电导，这种现

2、象，这种现象 又称为半导体的又称为半导体的内光电效应内光电效应。其中，附加的载流。其中，附加的载流 子来自子来自带间跃迁带间跃迁或者或者杂质的激发杂质的激发。因此，光电导。因此，光电导 有本征光电导和杂质光电导之分。有本征光电导和杂质光电导之分。 1 1、光电导、光电导 式中式中 ，对于本征光电导，对于本征光电导， 。因此，。因此， 要制成较灵敏的光敏电阻，即要求要制成较灵敏的光敏电阻，即要求 有较大的有较大的 值。所以，降低温度能提高灵敏度。值。所以，降低温度能提高灵敏度。 =/ eh b =np 0 / 其中，其中， 和和 代表热平衡时载流子的浓度。代表热平衡时载流子的浓度。 0 n 0

3、p 假设热平衡时电导率为：假设热平衡时电导率为： ，令，令 为附加的光电导，则：为附加的光电导，则： 1.1.对于本征光电导，电导率为：对于本征光电导，电导率为： 0 =- 00 = (+)+ (+) eh e nne pp 00 =+ eh n ep e （一）定态光电导同光强的关系（一）定态光电导同光强的关系 实际上，实验发现光电导的特性和半导体内部实际上，实验发现光电导的特性和半导体内部 的杂质有密切的关系，光电导现象在实验上主要进的杂质有密切的关系，光电导现象在实验上主要进 行：定态光电导同光强的关系、光电导的弛豫时间、行：定态光电导同光强的关系、光电导的弛豫时间、 光电导的光谱分布三

4、个方面进行研究光电导的光谱分布三个方面进行研究。 （1 1）线性光电导）线性光电导 定态光电导是指定态光电导是指恒定光照下恒定光照下的光电导数值。的光电导数值。 可分为可分为线性线性和和抛物线性抛物线性光电导。光电导。 例如：硅、氧化亚铜等一些半导体材料，在光强例如：硅、氧化亚铜等一些半导体材料，在光强 较低时，定态光电导同光强有线性关系。在定态较低时，定态光电导同光强有线性关系。在定态 情况下有：情况下有： =/In 例如：硫化铊等一些半导体材料，定态光电导例如：硫化铊等一些半导体材料，定态光电导 同光强的平方根成正比。在定态情况下有：同光强的平方根成正比。在定态情况下有： （2 2）抛物线

5、性光电导）抛物线性光电导 式中，式中， 代表单位时间内通过单位面积的光子代表单位时间内通过单位面积的光子 数，数， 代表吸收系数，代表吸收系数， 代表量子产额（每个代表量子产额（每个 光子所产生的电子光子所产生的电子- -空穴对）空穴对） 2 () =/nI I （二）光电导的弛豫时间（标志着半导体材料（二）光电导的弛豫时间（标志着半导体材料 对光的反应快慢）。在定态条件的情况下，对对光的反应快慢）。在定态条件的情况下，对 于线性光电导，当光照开始（于线性光电导，当光照开始（t=0t=0）后，）后， () = - dnn I dt 如果如果t t=0, ,=0, ,则：则： 因此，可以定义弛豫

6、时间：因此，可以定义弛豫时间： 。在这个时间。在这个时间t t 内，内， 上升或下降都达到定态的一半。上升或下降都达到定态的一半。 光照取消以后，光照取消以后， =0n =() 1-exp(-) t nI （上升曲线）（上升曲线） =()exp(-) t nI （下降曲线）（下降曲线） = ln2t n 影响复合率和弛豫时间的因素主要是杂质和缺陷（影响复合率和弛豫时间的因素主要是杂质和缺陷（ 起俘获电子或空穴的作用）。起俘获电子或空穴的作用）。 （三）光电导的光谱分布（三）光电导的光谱分布 这就是对于不同波长的光、半导体光电导的强弱问题这就是对于不同波长的光、半导体光电导的强弱问题 在最大值的

7、长波在最大值的长波 方面，光电导的下降方面，光电导的下降 是由于当光波长接近是由于当光波长接近 于光吸收的长波限，于光吸收的长波限， 半导体对光的吸收迅半导体对光的吸收迅 速减少；在最大值的速减少；在最大值的 短波方面，光电导的短波方面，光电导的 减少，是由于非平衡减少，是由于非平衡 载流子寿命的降低。载流子寿命的降低。 2 2、光生伏特、光生伏特 在光的照射下，半导体在光的照射下，半导体pnpn结的二端产生电位差的结的二端产生电位差的 现象，人们称为光生伏特效应。（半导体吸收光子现象，人们称为光生伏特效应。（半导体吸收光子 后，产生了附加的电子和空穴，这些自由载流子在后，产生了附加的电子和空

8、穴，这些自由载流子在 半导体中的局部电场作用下会各自运动到一定的区半导体中的局部电场作用下会各自运动到一定的区 域积累起来，形成净空间电荷而产生电位差，）域积累起来，形成净空间电荷而产生电位差，） 经计算我们得出光电池的输经计算我们得出光电池的输 出电压和电流的关系：出电压和电流的关系： - ln+1 lB s I Ik T V eI 在开路情况下，在开路情况下，I I=0=0，此时光，此时光 电流恰好与电流恰好与P-NP-N结正向电流相结正向电流相 消，开路电压消，开路电压V V0 0为：为： ln+1 lB s Ik T V eI 短路时，短路时，V=0V=0，这是流经外电，这是流经外电

9、路的电流为：路的电流为： I I= =I Il l 10.8 10.8 固体中的光发射过程固体中的光发射过程 发光就是物质在热辐射之外以光的形式发射出发光就是物质在热辐射之外以光的形式发射出 多余的能量。常把发光的全过程分为以下几个步骤：多余的能量。常把发光的全过程分为以下几个步骤： （1）物质中的可激活系统在吸收光子后而跃迁到较）物质中的可激活系统在吸收光子后而跃迁到较 高的能态；（高的能态；（2）激活系统回复到较低能态（一般为）激活系统回复到较低能态（一般为 基态）而发射出光子。前一过程称为激发，后一过基态）而发射出光子。前一过程称为激发，后一过 程称为发射。程称为发射。 1 1、导带到价

10、带的跃迁、导带到价带的跃迁 导带中的电子向价带跃迁，与价带中的空穴直导带中的电子向价带跃迁，与价带中的空穴直 接复合，便产生能量等于或大于禁带宽度接复合，便产生能量等于或大于禁带宽度Eg的光子。的光子。 按能带结构，半导体材料可分为直接能隙的和按能带结构，半导体材料可分为直接能隙的和 间接能隙的两大类。直接能隙材料：允许电子由导间接能隙的两大类。直接能隙材料：允许电子由导 带向价带直接跃迁，其动量不变；间接能隙材料：带向价带直接跃迁，其动量不变；间接能隙材料： 由导带向价带跃迁时，为了满足动量守恒，在发射由导带向价带跃迁时，为了满足动量守恒，在发射 光子的同时，发射或者吸收一个声子。光子的同时

11、，发射或者吸收一个声子。 边缘发射的光子能量总比禁带的宽度要小。比如：边缘发射的光子能量总比禁带的宽度要小。比如： ZnS等材料。图等材料。图10-23所示，为边缘发射的示意图。所示，为边缘发射的示意图。 2、激子的复合、激子的复合 当具有足够纯度的晶体吸收一个能量大于禁带宽当具有足够纯度的晶体吸收一个能量大于禁带宽 度度Eg的光子之后，这个光子会使一个电子由价带的光子之后，这个光子会使一个电子由价带 跃迁到导带，而在价带中留下一个空穴，生成的跃迁到导带，而在价带中留下一个空穴，生成的 电子和空穴，可以在晶体中自由地移动，但由于电子和空穴，可以在晶体中自由地移动，但由于 电子和空穴彼此电子和空

12、穴彼此 具有相吸的库仑互具有相吸的库仑互 作用，它们会形成作用，它们会形成 某一种稳定的束缚某一种稳定的束缚 态。这种束缚着的态。这种束缚着的 电子电子-空穴对被称为空穴对被称为 激子。激子。 3、能带和杂质能级之间的跃迁、能带和杂质能级之间的跃迁 4、施主到受主的跃迁、施主到受主的跃迁 俘获在施主俘获在施主D中的电子可以与俘获在受主中的电子可以与俘获在受主A 中的空穴复合而产生发光。施主中的空穴复合而产生发光。施主-受主对内电子受主对内电子 跃迁所发射的是不连续的光谱线。跃迁所发射的是不连续的光谱线。 5、在等电子中心的跃迁、在等电子中心的跃迁 当基质晶体中的一个原子被具有相同电当基质晶体中

13、的一个原子被具有相同电 子价的另一个原子替代时，例如子价的另一个原子替代时，例如N原子替代原子替代 GaP中的中的P原子时就形成等电子中心。等电原子时就形成等电子中心。等电 子中心能够俘获一个电子变成带负点，从而子中心能够俘获一个电子变成带负点，从而 在短程内，它能够吸引一个空穴，构成一个在短程内，它能够吸引一个空穴，构成一个 束缚激子。束缚激子复合时，同样可以发射束缚激子。束缚激子复合时，同样可以发射 光子。因为束缚在等电子中心的激子是被局光子。因为束缚在等电子中心的激子是被局 限在很小的范围内，具有较大的复合几率，限在很小的范围内，具有较大的复合几率， 从而具有较高的发光效率。从而具有较高

14、的发光效率。 10.9 10.9 固体发光的衰减机构和陷阱效应固体发光的衰减机构和陷阱效应 1、衰减机构及其规律、衰减机构及其规律 （1）同温度无关的指数衰减）同温度无关的指数衰减 （自发发光）（自发发光） ( )( ) = - dn tn t dt 从激发态回到基态的速率为：从激发态回到基态的速率为： 设电子从激发态回落到基态时发设电子从激发态回落到基态时发 射一个光子，则光强射一个光子，则光强I（t）为：）为： ( ) ( ) -= dnn t I t dt 0 0 ( )=exp(-)=exp(-) ntt I tI 式中式中I0表示表示t=0时的发光强度。因此，如果衰减时的发光强度。因

15、此，如果衰减 机构是自发的，那么衰减规律便是与温度无关机构是自发的，那么衰减规律便是与温度无关 的指数衰减。的指数衰减。 （2）同温度有关的指数衰减）同温度有关的指数衰减 发光中心在受激后，电子不发光中心在受激后，电子不 能从激发态能从激发态A直接跃迁到基直接跃迁到基 态态G（禁戒的），而是先回（禁戒的），而是先回 到亚稳态到亚稳态M能级上，然后通能级上，然后通 过热激发从亚稳态过热激发从亚稳态M跃迁到跃迁到 A能级后，最后再回到能级后，最后再回到G， 发射出光子。发射出光子。 0 0 ( )=exp(-) exp (-)exp(-) BB nt I t k Tk T 同样，我们计算出发光光强

16、为：同样，我们计算出发光光强为： 上式表明，温度较低时，光强很弱；温度升高后，上式表明，温度较低时，光强很弱；温度升高后， M上的电子迅速跃迁到上的电子迅速跃迁到A，光强很快增加，衰减时，光强很快增加，衰减时 间则大为缩短。间则大为缩短。 对于同温度有关和同温度无光的指数衰减，他对于同温度有关和同温度无光的指数衰减，他 们的共同点是发光中心都只有用一种，并且在受激们的共同点是发光中心都只有用一种，并且在受激 时发光中心并未被离化，激发和发射过程发生在彼时发光中心并未被离化，激发和发射过程发生在彼 此独立的发光中心内部，故称此独立的发光中心内部，故称“有分立发光中心的有分立发光中心的 发光发光”

17、。因为发光过程只涉及发光中心内部，又称。因为发光过程只涉及发光中心内部，又称 “单分子过程单分子过程”。因为发光中心没有被电离，故在。因为发光中心没有被电离，故在 发光时并不伴随有特征性的光电导，又称发光时并不伴随有特征性的光电导，又称“非光电非光电 导导” （3）双曲线衰减）双曲线衰减 双曲线衰减，它的发光中心在受激时被电离，双曲线衰减，它的发光中心在受激时被电离， 被离化出来的电子在发光物质中漂移，从而构成被离化出来的电子在发光物质中漂移，从而构成 特征的特征的“光电导型光电导型”的发光。的发光。 发光中心从受激回到基态的速率为：发光中心从受激回到基态的速率为： 2( ) = - ( )

18、dn t n t dt 式中式中 为特征常数。将上式积分得出：为特征常数。将上式积分得出： -1 00 ( )=(1+)n tnn t 为为t=0时处于激发态的发光中心的数目。发时处于激发态的发光中心的数目。发 光光强为：光光强为： 0 2 0 ( ) ( )=-= (1+) Idn t I t dtn t 0 n 式中式中 表示表示t=0时的发光强度。时的发光强度。 2 00 =In 对于光电导型的发光体，电子被离化出来对于光电导型的发光体，电子被离化出来 而在晶格中扩散或漂移，并且可能被俘获而在晶格中扩散或漂移，并且可能被俘获 在晶体中的局部能级上，因此衰减过程是在晶体中的局部能级上，因此

19、衰减过程是 很复杂的，实际发光体的衰减是这样的，很复杂的，实际发光体的衰减是这样的， 开始时快，后来变慢，整个衰减过程同晶开始时快，后来变慢，整个衰减过程同晶 格中的缺陷、电子的扩散和被俘获、电子格中的缺陷、电子的扩散和被俘获、电子 同发光中心间的相互作用以及激发光的强同发光中心间的相互作用以及激发光的强 度等复杂的因素有关。度等复杂的因素有关。 2、陷阱效应、陷阱效应 对于光电导型发光体被激发时，发光中心被离对于光电导型发光体被激发时，发光中心被离 化，电子进入导带。部分电子可能立刻同发光化，电子进入导带。部分电子可能立刻同发光 中心复合而发光。另一部分的电子，在晶格内中心复合而发光。另一部

20、分的电子，在晶格内 的扩散和漂移过程中，可能被陷阱俘获而落入的扩散和漂移过程中，可能被陷阱俘获而落入 深度不同的陷阱能级中，通过热起伏重新激发深度不同的陷阱能级中，通过热起伏重新激发 到导带，然后与发光中心复合而发光。在一定到导带，然后与发光中心复合而发光。在一定 温度下，处于较深的陷阱能级上的电子被重新温度下，处于较深的陷阱能级上的电子被重新 激发到导带的几率较小，或者电子进入导带后激发到导带的几率较小，或者电子进入导带后 又落入其他陷阱（发生多次俘获），这些情况又落入其他陷阱（发生多次俘获），这些情况 发光的衰减很慢。发光的衰减很慢。 上面的讨论可知，如果提高发光体的温度，可上面的讨论可知

21、，如果提高发光体的温度，可 以使储存在其中的光能加速释放出来，这种现以使储存在其中的光能加速释放出来，这种现 象称为象称为“热释发光热释发光”。不同的温度释放出陷于。不同的温度释放出陷于 不同深度能级上的电子，故光强峰值所对应的不同深度能级上的电子，故光强峰值所对应的 温度近似地反应这陷进的深度。温度近似地反应这陷进的深度。 通常的方法是对通常的方法是对P-NP-N结结 施加正向偏压，通过载施加正向偏压，通过载 流子的电注入，形成非流子的电注入，形成非 平衡载流子而实现复合平衡载流子而实现复合 发光。发光。 10.10 10.10 电致发光电致发光 半导体发光二极管半导体发光二极管 半导体发光二极管是目前研究最多和应用最广的半导体发光二极管是目前研究最多和应用最广的 一种电致发光器件。由于半导体