半导体物理器件81课件

第八章发光二极管和半导体激光器●辐射复合与非辐射●LED的基本结构和工作过程●LED的特性参数1907.Round发现电流通过硅检波器时有黄光发生

1923.Lossev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引言8.1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。

8.1.1辐射复合直接辐射复合对于直接带隙半导体，导带极小值和价带极大值发生在布里渊区同一点如图8.1a所示。电子在跃迁过程中必须遵守能量守恒和准动量守恒准动量守恒要求

=跃迁前电子的波矢量=跃迁后电子的波矢量=跃迁过程中辐射的光子的波矢量(8-2)式说明这种跃迁发生在空间的同一地点，因此也被称为竖直跃迁。8.1.1辐射复合（8-2）能量守恒要求式中=跃迁前电子的能量=跃迁后电子的能量=辐射光子的能量8.1.1辐射复合（8-4）为声子频率。一般比电子能量小得多，可以略去。为声子的能量，间接辐射复合在这种半导体中，导带极小值和价带极大值不是发生在布里渊区的同一地点，因此这种跃迁是非竖直跃迁。准动量守恒要求在跃进过程中必须伴随声子的吸收或放出。即为声子的波矢，正号表示放出声子，负号表示吸收声子，相应能量守恒的条件为（8-5）8.1.1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量小于禁带宽度。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。图8-3D－A对复合能级图8.1.1辐射复合（8-6）

3.施主－受主对复合

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材料，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，在温度为时，而氧施主杂质是磷替位和锌受主杂质是镓替位，在温度为时，D-A对的发光在室温下由于与声子相互作用较强，很难发现D－A对复合的线光谱。但是，在低温下可以明显地观察到对发射的线光谱系列。这种发光机构已为实验证实并对发光光谱作出了合理的解释。8.1辐射复合（8-7）（8-8）

式中表示吸收或放出能量为的个声子。5.激子复合如果半导体吸收能量小于禁带宽度的光子，电子从价带激发。但由于库仑作用，它仍然和价带中留下的空穴联系在一起，形成束缚状态。这种被库仑能束缚在一起的电子-空穴对就称为激子。如果激子复合以辐射方式释放能量，就可以形成发光过程。自由激子：对于直接带隙半导体材料，自由激子复合发射光子的能量为式中为激子能级。对于间接带隙半导体材料，自由激子复合发射光子的能量为近年来，在发光材料的研究中，发现束缚激子的发光起重要作用，而且有很高的发光效率。如材料中对产生的束缚激子引起红色发光。氮等电子陷阱产生的束缚激子引起绿色发光。这两种发光机制使发光二极管的发光效率大大提高，成为发光二极管的主要发光机制。激子发光的研究越来越受到人们的重视。8.1.1辐射复合（8-9）

5.激子复合束缚激子：若激子对杂质的结合能为，则其发射光谱的峰值为是材料和束缚激子的中心的电离能的函数。8.1.1辐射复合6、等电子陷阱复合等电子杂质：周期表内与半导体基质原子同族的原子。等电子陷阱：由等电子杂质代替晶格基质原子而产生的束缚态。由于等电子杂质与被替位的原子之间的电负性和原子半径等方面是不同的，因而引起晶格势场畸变，可以束缚电子或空穴形成带电中心，就象在等电子杂质的位置形成陷阱，将电子或空穴陷着，故称为等电子陷阱。如果等电子杂质的电负性比晶格原子的电负性大，则可以形成电子的束缚态，这样的等电子陷阱也可称为等电子的电子陷阱，这样的杂质称为等电子受主(如氮原子取代中Gap磷原子)。如果等电子杂质的电负性比晶格原子的电负性小，则形成空穴的束缚态，称为等电子的空穴陷阱，产生这种束缚态的杂质称为等电子施主(如铋原子取代Gap中磷原子)。当等电子陷阱俘获了某一种载流子以后，成为带电中心，这个带电中心又由库仑作用而俘获带电符号相反的载流子，形成束缚激子。当激子复合时，就能以发射光子的形式释放能量。8.1.1辐射复合图8-5，和的等电子陷阱束缚电子的几率密度在空间的分布8.1.2非辐射复合非辐射复合

图8-6多声子跃迁

0125102050100200300400500600光子能量（meV）1.多声子过程晶体中电子和空穴复合时，可以激发多个声子的形式放出多余的能量。

8.1.2非辐射复合2.俄歇(Auger)过程图8-7俄歇过程晶体中电子和空穴复合时，多余的能量传输给第三个载流子，使之在导带和价带内部激发。

N型半导体8.1.2非辐射复合2.俄歇(Auger)过程图8-7俄歇过程8.1.2非辐射复合3.表面复合晶体表面处晶格的中断，产生能从周围吸附杂质的悬挂键。因而能够产生高浓度的深的和浅的能级，它们可以充当复合中心。虽然对这些表面态的均匀分布没有确定的论据，当假定是均匀分布时，表面态的分布为，与实验的估计良好地一致。8.1辐射复合与非辐射复合教学要求掌握辐射复合和非辐射复合的概念和机制。什么是等电子陷阱复合？为什么等电子陷阱复合能提高半导体材料的发光效率？解释图8-7中各种俄歇过程。

8.2LED的基本结构和工作过程PN结的电致发光图8-10P-N的电致发光结：（a）零偏压，（b）正向偏压V8.2LED的基本结构和工作过程教学要求画出能带图说明LED的发光机制。名词解释及问题8.3.2量子效率1.注射效率图8-12

带尾对带带复合的影响；（a）型，（b）型

（a）（b）8.3.2量子效率(c)选用电子迁移率比空穴迁移率大的材料。由于族化合物半导体的电子迁移率比空穴迁移率大很多，例如，所以它们是制造LED的上选材料。注射效率就是可以产生辐射复合的二极管电流在二极管的总电流中所占的百分比。根据（8-15）式提高注射效率的途径是：(a)P区受主浓度要小于N区施主浓度，即结。(b)减小耗尽层中的复合电流。这就要求LED所用的材料和制造工艺尽可能保证晶体完整，尽量避免有害杂质的掺入。8.3.2量子效率

2.辐射效率发生辐射复合的电子数与总的注入电子数比：

（8-18）（8-17）（8-16）（8-19）8.3.2量子效率三种可能的复合过程图8-13三种可能的复合过程浅施主能级浅受主能级深复合中心8.3.2量子效率以和为竞争机制：（8-22）带—带复合过程和非辐射复合过程相竞争：根据（8-21）式，欲提高，可采用的方法是8.3.2量子效率和增加P区的掺杂浓度，而且较高的还有降低串联电阻从而减小正向电压降和欧姆损耗的作用。减少复合中心密度，高的掺杂浓度使得晶体缺陷增加，导致非辐射复合中心的增加。同时，在讨论注射效率时已经指出，P侧的高掺杂会使注射效率下降。3.逸出几率逸出几率也叫做出光效率被定义为PN结辐射复合产生的光子射到晶体外部的百分数。8.3.2量子效率

外量子效率可以写作：根据以上分析，内量子效率可以写作8.3.2量子效率影响逸出几率的主要因素：界面反射和再吸收。1

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