L14-光电材料复习

2023/2/41光电材料课程

复习提纲2023/2/42一、半导体中的载流子

1本征半导体和杂质半导体

2电子和空穴的统计分布

3费米能级与载流子浓度的计算

4简并半导体

5电导率和迁移率霍尔效应

6非平衡载流子二、p-n结

1p-n结及其能带图

2p-n结电流电压特性

3p-n结电容

4p-n结击穿2023/2/43三、固体表面及界面接触现象

1表面态

2表面电场效应

3金属与半导体的接触

4MIS结构的电容-电压特性四、固体的光学性质与固体中的光电现象

1半导体的光吸收

2半导体的光电效应

3半导体发光五、半导体光电材料

1硅基和化合物光电材料六、光电材料的应用

1光电显示材料

2太阳能电池试题类型一、填空

(30分，每空1分)二、名词解释（每题2分，共20分）三、问答题（任选3题，每题10分，共30分）四、计算与求证题（每题

10分，共20分）2023/2/44§1半导体中的载流子本征半导体—化学成分纯净的半导体。载流子:

半导体中的电子和空穴都是荷电粒子，并可在半导体内自由运动，统称为载流子。因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。

本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。本征激发：在常温下，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。2023/2/45§1半导体中的载流子杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。p型半导体：掺入受主杂质后空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。n型半导体：掺入施主杂质后自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。2023/2/46§1半导体中的载流子掺杂施主浓度远大于本征半导体中载流子浓度时，自由电子浓度会远大于空穴浓度。这时自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。P型半导体中空穴是多子，电子是少子。2023/2/47§1半导体中的载流子费米分布函数在热平衡条件下，能量为E的状态被电子占据的几率为：费米能级：

是标志系统中电子填充量子态高低的一个参量，在绝对零度下，它是电子所能填充的最高量子态。

称为费米分布函数2023/2/48§1半导体中的载流子

其中：NC被称为导带有效能级密度

其中：NV被称为价带有效能级密度电中性方程：对于非简并的杂质半导体，总是成立的，称为质量作用定律2023/2/49§1半导体中的载流子杂质补偿：由于受主的存在使导带电子数减少，这种作用称为杂质补偿深能级杂质：电离能比较大的杂质2023/2/410§1半导体中的载流子简并半导体

费米能级EF进入导带或价带的半导体。

①

非简并<-2

即，EC–EF>2kBT

②

弱简并-2<

<0

即，0<EC–EF<2kBT

③

简并

>0

即，EC–EF<02023/2/411§1半导体中的载流子电导率、迁移率和霍尔效应其中n为电子迁移率其中p为空穴迁移率

电导率σ迁移率p2023/2/412§1半导体中的载流子对于两种载流子的浓度相差悬殊而迁移率差别不大的杂质半导体来说，其电导率取决于多数载流子。①n型半导体n>>p②p型半导体p>>n③

本征半导体n=p=ni2023/2/413§1半导体中的载流子2023/2/414§1半导体中的载流子低温范围内，载流子以杂质激发为主，σ因杂质浓度而不同。高温范围内，载流子以本征激发为主，σ趋于一致。中间温度范围内，杂质全部电离，晶格散射随温度加强，使迁移率下降，因此σ随温度的升高反而下降。2023/2/415§1半导体中的载流子霍尔效应

把通有电流的半导体放在均匀磁场中，磁场方向和电场垂直，则在垂直于电场和磁场的方向将产生一个横向电场，这种现象称为霍尔效应。

2023/2/416§1半导体中的载流子霍尔电压：I:电流强度t:样品厚度2023/2/417§1半导体中的载流子总霍尔系数：本征半导体：霍尔系数为负n型半导体：霍尔系数为负p型半导体：低温下霍尔系数为正高温下霍尔系数变为负

2023/2/418§1半导体中的载流子非平衡状态半导体在外界条件作用下，处于与热平衡态相偏离的状态，称为非平衡状态。非平衡状态下载流子浓度与热平衡状态下载流子浓度的差值，称为非平衡载流子。式中，n和p为非平衡状态下的载流子浓度，△n和△p为非平衡载流子浓度。2023/2/419§1半导体中的载流子①n型半导体平衡态时的多数载流子为电子n０

非平衡多数载流子为△n

，非平衡少数载流子为△p

②p型半导体平衡态时的多数载流子为空穴p０非平衡多数载流子为△p

，非平衡少数载流子为△n通常说的非平衡载流子都是指非平衡少数载流子由于电子和空穴同时产生成对出现所以2023/2/420§1半导体中的载流子扩散

扩散产生原因：载流子浓度分布不均匀用适当波长的光均匀照射半无限的n型半导体，其表面载流子的浓度比体内多。

式中，Dp为空穴扩散系数，Sp为空穴扩散流密度

，称为扩散长度2023/2/421§1半导体中的载流子

扩散长度Lp反映非平衡载流子在遭遇复合前平均能扩散多远，其物理意义是非平衡载流子浓度降至1/e所需要的距离。爱因斯坦关系式其中kB为玻耳兹曼常数，T为绝对温度2023/2/422§1半导体中的载流子电子和空穴在扩散运动和漂移运动中都伴随电流的出现。空穴电流：电子电流：总电流：2023/2/423§2p-n结突变结:在界面处杂质浓度由NA（p型）突变为ND（n型）,具有这种杂质分布的p-n结称为突变结。如图5-3单边突变结：实际的突变结，两边杂质浓度相差很多，通常称这种结为单边突变结。突变结的杂质分布：x<xj，N(x)=NA；x>xj，N(x)=ND2023/2/424§2p-n结扩散法制备工艺：如图5-4缓变结:在这种结中，杂质浓度从p区到n区是逐渐变化的。2023/2/425§2p-n结缓变结的杂质分布：如图5-5x<xj，NA(x)>ND(x)；x>xj，ND(x)>NA(x)线性缓变结：在扩散结中，若杂质分布可用x=xj的切线近似表示，则称为线性缓变结。2023/2/426§2p-n结

综上所述，p-n结按杂质分布可分为突变结和线性缓变结。合金结和高表面浓度的浅扩散结（p+-n结或n+-p结），一般认为是突变结。而低表面浓度的深扩散结，一般认为是线性缓变结。内建电场：p-n结中空间电荷区内由电离施主和受主形成的由n区指向p区的电场。2023/2/427§2p-n结p-n结的能带图

当两块半导体结合形成p-n结时，电子从费米能级高的n区流向费米能级低的p区，空穴从费米能级低的p区流向费米能级高的n区。因此，EFn不断下降，EFp不断上升，直到EFn

=

EFp为止。这时，p-n结中有统一的费米能级EF

，p-n结处于平衡状态。如图5-72023/2/428§2p-n结2023/2/429§2p-n结

上式表明，VD和p-n结两边的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽度有关。在一定温度下，突变结两边的掺杂浓度越高，接触电势差VD越大；禁带宽度越大，ni越小，VD越大。因为，则2023/2/430§2p-n结即，由图5-13可见，2023/2/431§2p-n结（b）外加反向偏压由图5-14可见，2023/2/432§2p-n结

当增加正偏压时，势垒降得更低，增大了流入p区的电子流和流入n区的空穴流，这种由于外加正向偏压的作用使非平衡载流子进入半导体的过程称为非平衡载流子的电注入。非平衡载流子：由于外界激发的作用，系统中高于热平衡数值的“过剩”载流子。2023/2/433§2p-n结

理想p-n结模型及电流电压方程

1.理想p-n结必须满足以下条件：（a）小注入条件：注入的少数载流子浓度比平衡多数载流子浓度小得多。（b）突变耗尽层条件：外加电压和接触电势差都降落在耗尽层上，耗尽层中的电荷由电离施主和电离受主的电荷组成，耗尽层外的半导体是电中性的。因此，注入的少数载流子在p区和n区是纯扩散运动。（c）通过耗尽层的电子和空穴电流为常量，不考虑耗尽层中载流子的产生及复合作用。（d）玻耳兹曼边界条件：在耗尽层两端，载流子分布满足玻耳兹曼统计分布。2023/2/434§2p-n结令则上式为理想p-n结模型的电流电压方程，又称为肖克莱方程。理想p-n结模型的电流电压方程式：2023/2/435§2p-n结从p-n结模型的电流电压方程可以看出：（a）p-n结具有单向导电性

在正向偏压下，正向电流密度随正向偏压呈指数增加；在反向偏压下，反向电流密度为常数，与外加电压无关，故称为-Js为反向饱和电流密度。p-n结在正向偏压下具有单向导通性，在反向偏压下具有整流特性。2023/2/436§2p-n结p–n结上外加电压的变化，引起了电子和空穴在势垒区的“存入”和“取出”作用，导致势垒区的空间电荷数量随外加电压而变化，这和一个电容器的充放电作用相似。这种p–n结的电容效应称为势垒电容，以CT表示。

2023/2/437§2p-n结雪崩击穿：在强电场的作用下，p-n结内载流子获得加速后具有很大的动能后与晶格原子发生碰撞，产生大量电子－空穴对使反向电流急剧加大的现象。隧道击穿：在强电场作用下，由隧道效应，使大量电子从价带穿过禁带而进入到导带所引起的一种击穿现象。热电击穿：由于热不稳定性引起的p-n结击穿，称为热电击穿。p-n结的击穿

2023/2/438§2p-n结

当外加电压增加时，n区扩散区内积累的非平衡空穴和与它保持电中性的电子相应增加。同样，p区扩散区内积累的非平衡电子和与它保持电中性的空穴也相应增加。

这种由于扩散区的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应，称为p–n结的扩散电容，用符号CD表示。2023/2/43939§3固体表面及界面接触现象表面态：周期性势场因晶格的不完整性（杂质原子或晶格缺陷）的存在而受到破坏时，会在禁带中出现附加能级，所以这些附加的电子能态被称为表面态。理想表面：在无限晶体中插进一个平面，然后将其分成两部分，这个分界面叫理想表面。2023/2/44040§3固体表面及界面接触现象

由于半导体载流子浓度是有限的，要积累一定面电荷就要占相当厚的一层，通常需要几百以至上千个原子间距，称这一带电的半导体表面层为空间电荷区。在空间电荷区内存在着电势差，称这种半导体几何表面与体内之间的电势差为半导体的表面势，用符号Vs表示。2023/2/44141§3固体表面及界面接触现象半导体表面空间电荷区多数载流子势能陡起的情形称为表面势垒。而半导体表面（x=0）处与内部（x=d)处的势能之差称为表面势垒高度，势垒高度用符号qVD表示。显然，表面势垒高度2023/2/44242§3固体表面及界面接触现象

p型半导体5种表面层状态多数载流子堆积态

外电场背对p型半导体，即Vs<0，表面处能带上弯，半导体表面形成所谓多数载流子的堆积层。2023/2/44343§3固体表面及界面接触现象2023/2/44444§3固体表面及界面接触现象2.平带状态理想的自由半导体表面，没有任何外界作用因素，表面能带不发生弯曲，半导体表面处于平带的状态。3.耗尽状态假设外电场指向p型半导体表面，Vs>0，表面处能带向下弯曲。外电场作用使半导体表面势垒高到足以使表面层的多数载流子几乎丧失完，表面层的电荷密度基本上等于电离杂质的浓度，这样的半导体表面层称为多数载流子的耗尽状态。2023/2/44545§3固体表面及界面接触现象2023/2/44646§3固体表面及界面接触现象4.少数载流子反型状态表面处的少数载流子（电子）浓度超过在该处的多数载流子（空穴）的浓度，形成了与原来半导体衬底导电类型相反的表面层，称为少数载流子的反型层，如图6-6所示。2023/2/44747§3固体表面及界面接触现象2023/2/44848§3固体表面及界面接触现象弱反型条件:

强反型条件:可以看出，衬底掺杂质浓度越高，出现反型所需要的VS就越大，就越难以达到强反型。2023/2/44949§3固体表面及界面接触现象一旦出现强反型，表面耗尽宽度就达到一个极大值，最大耗尽宽度为最大耗尽宽度由半导体材料的性质和掺杂浓度来确定，对某一种材料NA越大，（或ND越大）xdm越小；对不同的材料，相同的掺杂，Eg越宽的材料，ni值越小，xdm越大。2023/2/45050§3固体表面及界面接触现象5.深耗尽状态因为空间电荷区中多子对外电场改变的响应几乎是瞬时的（约10-12秒），而少子的响应则要慢得多（约100~102秒），如果表面电场的幅度较大（其方向对P型半导体是由表面指向体内）、变化又快（例如以阶跃脉冲形式加上），则刚开始的瞬间少子还来不及产生，因而也就没有反型层，为屏蔽外电场，只有将更多的空穴（多子）进一步排斥向体内（空穴是多子，跟得上外电场变化），由更宽的耗尽层（大于强反型状态时的耗尽层宽度）中的电离受主来承担。这种非平衡状态就叫深耗尽状态。2023/2/45151§3固体表面及界面接触现象

所有的金属在

T＞0K的任何温度下都会有少量的电子逸出金属体外到空间中去，产生所谓热电子发射。金属和半导体的功函数k0为波尔兹曼常数；Wm称为该金属的功函数（也有称为逸出功）。2023/2/45252§3固体表面及界面接触现象Wm越大，热电子发射越困难，它标志着电子被金属束缚的强弱2023/2/45353§3固体表面及界面接触现象

功函数标志着起始能量等于费米能级EF的电子由金属内部逸出到真空中所需的最小能量。2023/2/45454§3固体表面及界面接触现象

与金属类似，把E0与半导体费米能级EFS之间的能量差，称为半导体的功函数，并用Ws表示为：2023/2/45555§3固体表面及界面接触现象

用χ表示电子的亲和能，它表示电子从半导体的导带底逸出体外所需要的最小能量，即：利用亲和能，半导体的功函数又可以表示为：

式中En=Ec-EFS表示导带底与费米能级能量之差。掺杂浓度不同，则En不同，所以不同掺杂浓度下功函数是不同的。2023/2/45656§3固体表面及界面接触现象接触势垒：金属和半导体完全接触之后，金属和半导体之间相当于有一个外电场作用于半导体表面，而且电场E0是由半导体指向金属，使半导体表面出现正的空间电荷区，形成电子势垒，称这种因金属和半导体接触而产生的半导体表面势垒为接触势垒。2023/2/45757§3固体表面及界面接触现象2023/2/45858§3固体表面及界面接触现象金属和n型半导体接触时有两种情况:Wm<Ws

金属的功函数小于半导体的功函数Wm>Ws

金属的功函数大于半导体的功函数2023/2/45959§3固体表面及界面接触现象A:Wm<Ws金属和半导体接触时，电子将从金属流向半导体；在半导体表面形成负的空间电荷区；电场方向由表面指向体内；半导体表面电子的能量低于体内的，能带向下弯曲

在空间电荷区中，电子浓度要比体内大得多，因此它是一个高电导的区域，称为反阻挡层。2023/2/46060§3固体表面及界面接触现象金属和半导体接触时，电子将从半导体流向金属；在半导体表面形成正的空间电荷区；电场方向由体内指向表面；半导体表面电子的能量高于体内的，能带向上弯曲，形成表面势垒。B:Wm>Ws

在势垒区，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度要比体内小得多，因此它是一个高阻的区域，称为阻挡层。。2023/2/46161§3固体表面及界面接触现象形成n型和p型阻挡层的条件Wm>WsWm<Ws

n型

p型阻挡层反阻挡层阻挡层反阻挡层2023/2/46262§3固体表面及界面接触现象2023/2/46363§3固体表面及界面接触现象

金属与半导体接触的整流特性

金属和半导体接触要具有整流特性，首要的条件是接触必须形成半导体表面的阻挡层，即形成多数载流子的接触势垒。2023/2/46464§3固体表面及界面接触现象

当在阻挡层两边加上电压V时，由于阻挡层是一个高阻区，外加电压主要降落在阻挡层上，那么，阻挡层的表面势变为（Vs）0+V，因而电子势垒高度变为：

若金属一边接电源正极，N型半导体一边接电源负极，则外加电压降方向由金属指向半导体V>0，外加电压方向和接触表面势（Vs）0方向相反，使势垒高度下降，电子可以顺利地流过降低了的势垒。2023/2/46565§3固体表面及界面接触现象

当电源电极性接法反过来，半导体一边接正极，金属一边接负极，则外加电压V<0与接触表面势（Vs）0方向相同，势垒高度上升，从半导体流向金属的电子数减少，而金属流向半导体的电子数占优势，形成一股由半导体到金属的反向电流。

对P型阻挡层，金属一边接电源负极，而半导体一边接正极，对应为通流的方向，而金属一边接正极半导体一边接负极对应为阻流方向。2023/2/46666§3固体表面及界面接触现象

欧姆接触因为一般的半导体器件都必须用金属电极输入或输出电流，这就要求在金属和半导体之间形成良好的欧姆接触，所谓良好的欧姆接触，就是接触电阻应该很小同时还应该具有线性的和对称的电流-电压关系。2023/2/46767§3固体表面及界面接触现象目前在实际应用中能够实现欧姆接触的方法主要有两种：其一是高掺杂接触；其二是高复合接触。2023/2/46868§3固体表面及界面接触现象

理想MIS结构电容

MIS结构是由金属、绝缘层以及半导体组成的（Metal+Insulator+Semiconductor）2023/2/46969§3固体表面及界面接触现象首先假设MIS结构满足下列所谓理想的条件：金属和半导体之间功函数差为零；在绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电；绝缘层与半导体接触界面处没有任何界面态。MIS结构的电容相当于绝缘层电容C0和半导体空间电荷层电容CS的串联。2023/2/47070§3固体表面及界面接触现象其中CS是随外加电压而改变的，如同一个可调电容一样。2023/2/47171§3固体表面及界面接触现象MIS结构电容C除以绝缘层电容C0，得到归一化的MIS结构电容2023/2/47272§3固体表面及界面接触现象

理想MIS结构的C-V特性以P型半导体为例讨论MIS结构归一化C-V特性负偏压较大负偏压较小正向电压不太大正向电压远大于零高频情况下，正向电压很大2023/2/47373§3固体表面及界面接触现象2023/2/47474§3固体表面及界面接触现象

从图6-20中可以看出，在开始出现强反型层时，用低频信号测得的电容值接近绝缘层的电容C0,这与前面的讨论是一致的。然而，在高频信号时，半导体表面出现强反型层后，电容达到了极小值，并不再随外加偏压VG而变化。2023/2/47575§3固体表面及界面接触现象对同一种半导体材料，当温度一定时，

/C0是绝缘层厚度d0及衬底杂质浓度NA的函数。当d0一定时，掺杂浓度NA越大

/C0的值也越大。

利用这一理论可以测半导体表面的杂质浓度。2023/2/47676§3固体表面及界面接触现象考虑金属和半导体功函数差时MIS结构的C-V特性与原来理想的MIS结构的相比较，只是其平带点发生了变化，由原来的VG=0处移到了VG=VFB处。2023/2/47777§3固体表面及界面接触现象MIS结构中绝缘层中存在电荷时，平带电压

平带电压与电荷在绝缘层的位置有关，当电荷贴近半导体时，x=d0时，VFB=-Q/C0达到极大值，反之电荷贴近金属表面时，x=0，VFB=0。这说明电荷越接近半导体表面，对C-V特性影响就越大。若电荷位于金属与绝缘层界面处时，对C-V特性没有影响。2023/2/478当MIS结构绝缘层中存在电荷时，同样可以把理想的C-V特性曲线沿电压轴平移VFB的电压，便得到了实际的C-V特性曲线。如果MIS结构既存在金属和半导体之间的功函数差，又存在绝缘层中的电荷，那么C-V特性曲线所平移的平带电压，应该是两种因素所产生的平带电压的综合结果。§3固体表面及界面接触现象2023/2/479§4固体的光学性质与固体中的光电现象光吸收分类：本征吸收：光照后，电子由价带向导带的跃迁所引起的光吸收称为本征吸收。光子能量满足的条件：固体的光电现象包括：光的吸收、光电导、光生伏特效应和光的发射非本征吸收：激子吸收，自由载流子吸收，杂质吸收，晶格振动吸收等。2023/2/480§4固体的光学性质与固体中的光电现象本征吸收长波限的公式：

根据半导体材料不同的禁带宽度，可以算出相应的本征吸收长波限。本征吸收的分类：直接跃迁和间接跃迁2023/2/481§4固体的光学性质与固体中的光电现象

其他吸收过程(非本征吸收)Ⅰ激子吸收

价带电子受激发后不足以进入导带而成为自由电子，仍然受到空穴的库仑场作用。实际上，受激电子和空穴互相束缚而结合在一起成为一个新的系统，这种系统称为激子，这样的光吸收称为激子吸收。Ⅱ自由载流子吸收Ⅲ杂质吸收Ⅳ晶格振动吸收2023/2/482§4固体的光学性质与固体中的光电现象2023/2/483§4固体的光学性质与固体中的光电现象半导体的光电导

光吸收使半导体中形成非平衡载流子；而载流子浓度的增大必然使样品电导率增大。这种由光照引起半导体电导率增大的现象称为光电导效应。本征光电导：本征吸收引起载流子数目变化。杂质光电导：杂质吸收引起载流子数目变化。2023/2/484§4固体的光学性质与固体中的光电现象

无光照时，半导体样品的（暗）电导率

在整个光电导过程中，光生电子与热平衡电子具有相同的迁移率。因此，光照下样品的电导率热平衡时

附加电导率因为2023/2/485§4固体的光学性质与固体中的光电现象光照引起的附加电导率（光电导）光电导的相对值2023/2/486§4固体的光学性质与固体中的光电现象从而定态光电导率(恒定光照下产生的光电导率)

设光生电子和空穴的寿命分别为和，则定态光生载流子的浓度：2023/2/487§4固体的光学性质与固体中的光电现象

当光照停止后光电导也是逐渐地消失。这种在光照下光电导率逐渐上升和光照停止后光电导率逐渐下降的现象，称为光电导的弛豫现象或叫做光电导的弛豫过程。

光电导的弛豫过程2023/2/488§4固体的光学性质与固体中的光电现象

对于杂质半导体，光照使束缚于杂质能级上的电子或空穴电离，因而增加了导带或价带的载流子浓度，产生杂质光电导。和本征光电导相比，杂质光电导是十分微弱的。同时，所涉及到的能量都在红外光范围，激发光实际上不可能很强。杂质光电导2023/2/489§4固体的光学性质与固体中的光电现象

当用适当波长的光照射非均匀半导体（p-n结等）时，由于内建电场的作用（不加外电场），半导体内部产生电动势（光生电压）；如将p-n结短路，则会出现电流（光生电流）。这种由内建电场引起的光电效应称为光生伏特效应。光生伏特效应2023/2/490§4固体的光学性质与固体中的光电现象通过结的正向电流IF其中，V是光生电压，Is是反向饱和电流光生电流IL

其中，A是p-n结面积，q是电子电量，表示在结的扩散长度内非平衡载流子的平均产生率。2023/2/491§4固体的光学性质与固体中的光电现象VEhνRL+-IIFpnIL如果电池与负载电阻接成通路，通过负载的电流为

这就是负载电阻上电流与电压的关系，也就是光电池的伏安特性，其曲线如下图。2023/2/492§4固体的光学性质与固体中的光电现象无光照时有光照时2023/2/493§4固体的光学性质与固体中的光电现象根据开路电压p-n结在开路情况下，两端的电压即为开路电压。这时I=0，IL=IF

，开路电压为2023/2/494§4固体的光学性质与固体中的光电现象

将p-n结短路（V=0），因而IF=0，这时所得的电流为短路电流Isc

。短路电流根据Voc和Isc是光电池的两个重要参数。2023/2/495§4固体的光学性质与固体中的光电现象半导体发光

电子从高能级向低能级跃迁，伴随着发射光子。这就是半导体的发光现象。产生光子发射的主要条件是系统必须处于非平衡状态，即半导体内必须要有某种激发过程存在，通过非平衡载流子的复合，才能形成发光。电致发光:固体在加上电压后的发光现象。它是由电场激发载流子，使电能直接转换为光能的过程。光致发光:固体在加上光照后的发光现象。2023/2/496

电子从高能级向低能级跃迁时，如果跃迁过程伴随放出光子，这种跃迁称为辐射跃迁(复合)

。不发射光子的称为无辐射跃迁(复合)

。§4固体的光学性质与固体中的光电现象辐射跃迁(复合)光电材料产生光子发射的主要条件是系统必须处于非平衡状态。2023/2/497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。它是本征吸收的逆过程。①直接带隙半导体②间接带隙半导体§4固体的光学性质与固体中的光电现象2023/2/498①直接带隙半导体本征跃迁为直接跃迁。由于直接跃迁的发光过程只涉及一个电子–空穴对和一个光子，其辐射效率较高。

直接带隙半导体是常用的发光材料。发射光子的能量：§4固体的光学性质与固体中的光电现象2023/2/499②间接带隙半导体：本征跃迁为间接跃迁。在间接跃迁过程中，除了发射光子外，还有声子参与。因此，这种跃迁比直接跃迁的几率小得多。

硅、锗都是间接带隙半导体，他们的发光比较微弱。发射光子的能量：§4固体的光学性质与固体中的光电现象2023/2/4100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。对间接带隙半导体，本征跃迁是间接跃迁，几率很小。这时，非本征跃迁起主要作用。§4固体的光学性质与固体中的光电现象1.激子辐射复合2.能带与杂质能级之间的辐射跃迁3.施主与受主间的辐射跃迁2023/2/4101

电子和空穴复合时，也可以将能量转变为晶格振动能量，这就是伴随着发射声子的无辐射复合过程。

发光过程中同时存在辐射复合和无辐射复合。发光效率取决于非平衡载流子的辐射复合寿命和无辐射复合寿命的相对大小。§4固体的光学性质与固体中的光电现象半导体的无辐射复合：不伴随有发射光子的电子跃迁过程2023/2/4102(1)俄歇复合有三个载流子(两个电子和一个空穴或两个空穴和一个电子)参与的跃迁过程。如一个电子和一个空穴相复合时，所释放出来的能量与动量交给第三个载流子，它可以通过发射声子将此能量耗散，或者引起其它效应。§4固体的光学性质与固体中的光电现象2023/2/4103(2)表面复合由于表面态的存在而引起的表面处发生的无辐射复合。1)表面态一般存在于禁带之中2)表面态具有俘获载流子的本领(陷阱)3)表面态形成的陷阱可转化为复合中心§4固体的光学性质与固体中的光电现象2023/2/4104(3)通过缺陷或掺杂物的复合如果半导体内部含有的局部缺陷及微小掺杂物建立起连续或准连续的能级谱，则可能发生与表面能级似的内表面复合。(4)多声子复合受激电子在复合跃迁时释放出的能量通常比声子的能量要大得多，因此需要以较高的几率发射出一定数目的声子。这个无辐射复合过程称为多声子复合。§4固体的光学性质与固体中的光电现象2023/2/4