半导体光电材料基础ppt课件.ppt

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1、7.2辐射复合与非辐射复合7.2.1非平衡载流子的辐射复合不同杂质原子和他们的替位状态会造成D-A对电离能的不同。例如：对于GaP，如果O施主和C受主杂质替代P的位置，T=1.6K时，施主和受主电离能之和为941meV；若同时含有O和Zn杂质原子，O施主杂质是P替位，Zn受主杂质是Ga替位，1.6K时，施主和受主电离能之和为956.6meV。室温下，由于与声子相互作用较强，D-A对发光的线光谱很难被观测到；但在低温下可以很明显地观察到D-A对发射的线光谱。3）施主-受主对（D-A对）复合17.2辐射复

2、合与非辐射复合7.2.1非平衡载流子的辐射复合4）通过深能级的复合电子和空穴通过深能级复合时，辐射的光子能量远小于禁带宽度，发射光的波长远离吸收边。对于窄带隙材料，要得到可见光是困难的，但对于宽禁带材料，这类发光具有实际意义，例如，GaP中的红色发光便是通过深能级的复合发光。深能级往往还是造成非辐射复合的根源，在直接带隙材料中很明显，实际工作中，往往需要尽量减少深能级，以提高发光效率。27.2辐射复合与非辐射复合7.2.1非平衡载流子的辐射复合5）激子复合如果半导体吸收能量小于禁带宽度的光子，电子被从

3、价带激发，但由于库伦作用，仍受到价带中留下空穴的束缚，形成激子，在禁带中形成一系列激子能级。被库伦能束缚在一起的电子-空穴对称为激子，激子作为一个整体，可以在晶体内自由运动。激子是电中性的，激子的运动不会引起电流，但它是一个能量系统，可以把能量以辐射方式或非辐射方式重新释放。37.2辐射复合与非辐射复合7.2.1非平衡载流子的辐射复合根据束缚程度不同，激子分为两类：1.弗伦克尔（Frenkel）激子或紧束缚激子：其半径为晶格常数量级。2.万尼尔（Wannier）激子：电子和空穴束缚较弱，二者之间距离远

4、大于晶格常数。通常半导体中存在的是万尼尔激子。束缚激子：激子在晶体中的运动可以受到束缚，而不能再自由运动。能束缚激子的有施主、受主、施主-受主对和等电子陷阱等。5）激子复合47.2辐射复合与非辐射复合7.2.1非平衡载流子的辐射复合激子能级(激子束缚能)：可以用类氢原子模型来计算。晶体的相对介电常数电子和空穴的有效折合质量氢原子的基态电离能。电子的有效质量空穴的有效质量激子能级是分立的。n=1:激子的基态能级；n=时，激子能级=0，相当于导带底，电子和空穴完全摆脱了束缚。Eg导带底价带顶5）激子复合

5、5导带底价带顶7.2辐射复合与非辐射复合7.2.1非平衡载流子的辐射复合对于自由激子，电子和空穴复合时会把能量释放出来产生光子。对于直接带隙半导体，自由激子复合发射光子的能量为：对于间接带隙半导体，自由激子复合发射光子的能量为吸收或放出能量为Ep的N个声子5）激子复合Eg67.2辐射复合与非辐射复合7.2.1非平衡载流子的辐射复合对于束缚激子，若激子对杂质的结合能为Ebx，则其发射光谱的峰值为是材料和束缚激子中心的电离能Ei的函数。近年在发光材料的研究中，发现束缚激子对发光有重要作用，而且有很高的发光

6、效率。例如，GaP中，Zn-O对产生的束缚激子引起红色发光，N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GaP发光二极管的发光效率大大提高，成为GaP-LED的主要发光机构。5）激子复合77.2辐射复合与非辐射复合7.2.1非平衡载流子的辐射复合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，与基质原子的价电子数相等。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。用等电子杂质代替基质原子不会增加电子或空穴，而是形成电中性中心。例如：N就是GaP中P原子的等电子杂

7、质。87.2辐射复合与非辐射复合7.2.1非平衡载流子的辐射复合产生“陷阱”（束缚态）的原因？等电子杂质原子与被替位的基质原子之间的电负性和原子半径等方面都不同，会引起晶格势场畸变，因而可以束缚载流子（电子和空穴）形成带电中心。如同等电子杂质原子的位置形成陷阱，束缚住电子或空穴。6）等电子陷阱复合97.2辐射复合与非辐射复合7.2.1非平衡载流子的辐射复合如何确定等电子陷阱是电子的束缚态还是空穴的束缚态？等电子杂质原子和晶格基质原子之间电负性的大小关系决定了该等电子陷阱是电子的束缚态还是空穴的束缚态。

8、等电子杂质的电负性>（<）晶格原子的电负性，形成电子(空穴)的束缚态，该等电子陷阱称为等电子的电子（空穴）陷阱，该杂质称为等电子受主（施主）。例如：N原子取代GaP中的P原子：形成电子的束缚态，N原子为等电子受主。Bi原子取代GaP中的P原子：形成空穴的束缚态，Bi原子为等电子施主。6）等电子陷阱复合107.2辐射复合与非辐射复合7.2.1非平衡载流子的辐射复合等电子施主、受主与掺杂直接形成的施主、受主的不同之处：前者对电子或空穴的束缚只是一个短程力（一