半導(dǎo)體物理器件81課件

第八章發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器●輻射復(fù)合與非輻射●LED的基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程●LED的特性參數(shù)1907.Round發(fā)現(xiàn)電流通過(guò)硅檢波器時(shí)有黃光發(fā)生

1923.Lossev在碳化硅檢波器中觀察到類似現(xiàn)象

1955.Braunstein首次在三-五族化合物中觀察到輻射復(fù)合

1961.Gershenzon觀察到磷化鎵PN結(jié)發(fā)光

1962年砷化鎵發(fā)光二極管和激光器研制成功

1970年砷化鎵-鋁鎵砷激光器實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)引言8.1輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合

在復(fù)合過(guò)程中電子多余的能量可以以輻射的形式（發(fā)射光子）釋放出來(lái)，這種復(fù)合稱為輻射復(fù)合，它是光吸收的逆過(guò)程。

在復(fù)合過(guò)程中電子的多余能量也可以以其它形式釋放出來(lái)，而不發(fā)射光子，這種復(fù)合稱為非輻射復(fù)合。

光電器件利用的是輻射復(fù)合過(guò)程，非輻射復(fù)合過(guò)程則是不利的。了解半導(dǎo)體中輻射復(fù)合過(guò)程和非輻射復(fù)合過(guò)程是了解光電器件的工作機(jī)制和進(jìn)行器件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

8.1.1輻射復(fù)合直接輻射復(fù)合對(duì)于直接帶隙半導(dǎo)體，導(dǎo)帶極小值和價(jià)帶極大值發(fā)生在布里淵區(qū)同一點(diǎn)如圖8.1a所示。電子在躍遷過(guò)程中必須遵守能量守恒和準(zhǔn)動(dòng)量守恒準(zhǔn)動(dòng)量守恒要求

=躍遷前電子的波矢量=躍遷后電子的波矢量=躍遷過(guò)程中輻射的光子的波矢量(8-2)式說(shuō)明這種躍遷發(fā)生在空間的同一地點(diǎn)，因此也被稱為豎直躍遷。8.1.1輻射復(fù)合（8-2）能量守恒要求式中=躍遷前電子的能量=躍遷后電子的能量=輻射光子的能量8.1.1輻射復(fù)合（8-4）為聲子頻率。一般比電子能量小得多，可以略去。為聲子的能量，間接輻射復(fù)合在這種半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶極小值和價(jià)帶極大值不是發(fā)生在布里淵區(qū)的同一地點(diǎn)，因此這種躍遷是非豎直躍遷。準(zhǔn)動(dòng)量守恒要求在躍進(jìn)過(guò)程中必須伴隨聲子的吸收或放出。即為聲子的波矢，正號(hào)表示放出聲子，負(fù)號(hào)表示吸收聲子，相應(yīng)能量守恒的條件為（8-5）8.1.1輻射復(fù)合3.施主受主對(duì)（D-A對(duì)）復(fù)合施主受主對(duì)復(fù)合是施主俘獲的電子和受主俘獲的空穴之間的復(fù)合。在復(fù)合過(guò)程中發(fā)射光子光子的能量小于禁帶寬度。這是輻射能量小于禁帶寬度的一種重要的復(fù)合發(fā)光機(jī)制，這種復(fù)合也稱為D-A對(duì)復(fù)合。D-A對(duì)復(fù)合模型認(rèn)為，當(dāng)施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)同時(shí)以替位原子進(jìn)入晶格格點(diǎn)并形成近鄰時(shí)，這些集結(jié)成對(duì)的施主和受主系統(tǒng)由于距離較近，波函數(shù)相互交疊使施主和受主各自的定域場(chǎng)消失而形成偶極勢(shì)場(chǎng)，從而結(jié)合成施主受主對(duì)聯(lián)合發(fā)光中心，稱為D-A對(duì)。D-A對(duì)發(fā)光中心的能級(jí)如圖8-3所示。圖8-3D－A對(duì)復(fù)合能級(jí)圖8.1.1輻射復(fù)合（8-6）

3.施主－受主對(duì)復(fù)合

施主俘獲電子，受主俘獲空穴之后都呈電中性狀態(tài)。施主上的電子與受主上的空穴復(fù)合后，施主再帶正電，受主再帶負(fù)電。所以D－A對(duì)復(fù)合過(guò)程是中性組態(tài)產(chǎn)生電離施主受主對(duì)的過(guò)程，故復(fù)合是具有庫(kù)侖作用的。躍遷中庫(kù)侖作用的強(qiáng)弱取決于施主與受主之間的距離的大小。粗略地以類氫原子模型處理D－A對(duì)中心。在沒(méi)有聲子參與復(fù)合的情況下，發(fā)射的光子能量為8.1輻射復(fù)合3.施主受主對(duì)復(fù)合對(duì)于材料，不同雜質(zhì)原子和它們的替位狀態(tài)會(huì)造成對(duì)的電離能不同。例如：氧施主和碳受主雜質(zhì)替代磷的位置，在溫度為時(shí)，而氧施主雜質(zhì)是磷替位和鋅受主雜質(zhì)是鎵替位，在溫度為時(shí)，D-A對(duì)的發(fā)光在室溫下由于與聲子相互作用較強(qiáng)，很難發(fā)現(xiàn)D－A對(duì)復(fù)合的線光譜。但是，在低溫下可以明顯地觀察到對(duì)發(fā)射的線光譜系列。這種發(fā)光機(jī)構(gòu)已為實(shí)驗(yàn)證實(shí)并對(duì)發(fā)光光譜作出了合理的解釋。8.1輻射復(fù)合（8-7）（8-8）

式中表示吸收或放出能量為的個(gè)聲子。5.激子復(fù)合如果半導(dǎo)體吸收能量小于禁帶寬度的光子，電子從價(jià)帶激發(fā)。但由于庫(kù)侖作用，它仍然和價(jià)帶中留下的空穴聯(lián)系在一起，形成束縛狀態(tài)。這種被庫(kù)侖能束縛在一起的電子-空穴對(duì)就稱為激子。如果激子復(fù)合以輻射方式釋放能量，就可以形成發(fā)光過(guò)程。自由激子：對(duì)于直接帶隙半導(dǎo)體材料，自由激子復(fù)合發(fā)射光子的能量為式中為激子能級(jí)。對(duì)于間接帶隙半導(dǎo)體材料，自由激子復(fù)合發(fā)射光子的能量為近年來(lái)，在發(fā)光材料的研究中，發(fā)現(xiàn)束縛激子的發(fā)光起重要作用，而且有很高的發(fā)光效率。如材料中對(duì)產(chǎn)生的束縛激子引起紅色發(fā)光。氮等電子陷阱產(chǎn)生的束縛激子引起綠色發(fā)光。這兩種發(fā)光機(jī)制使發(fā)光二極管的發(fā)光效率大大提高，成為發(fā)光二極管的主要發(fā)光機(jī)制。激子發(fā)光的研究越來(lái)越受到人們的重視。8.1.1輻射復(fù)合（8-9）

5.激子復(fù)合束縛激子：若激子對(duì)雜質(zhì)的結(jié)合能為，則其發(fā)射光譜的峰值為是材料和束縛激子的中心的電離能的函數(shù)。8.1.1輻射復(fù)合6、等電子陷阱復(fù)合等電子雜質(zhì)：周期表內(nèi)與半導(dǎo)體基質(zhì)原子同族的原子。等電子陷阱：由等電子雜質(zhì)代替晶格基質(zhì)原子而產(chǎn)生的束縛態(tài)。由于等電子雜質(zhì)與被替位的原子之間的電負(fù)性和原子半徑等方面是不同的，因而引起晶格勢(shì)場(chǎng)畸變，可以束縛電子或空穴形成帶電中心，就象在等電子雜質(zhì)的位置形成陷阱，將電子或空穴陷著，故稱為等電子陷阱。如果等電子雜質(zhì)的電負(fù)性比晶格原子的電負(fù)性大，則可以形成電子的束縛態(tài)，這樣的等電子陷阱也可稱為等電子的電子陷阱，這樣的雜質(zhì)稱為等電子受主(如氮原子取代中Gap磷原子)。如果等電子雜質(zhì)的電負(fù)性比晶格原子的電負(fù)性小，則形成空穴的束縛態(tài)，稱為等電子的空穴陷阱，產(chǎn)生這種束縛態(tài)的雜質(zhì)稱為等電子施主(如鉍原子取代Gap中磷原子)。當(dāng)?shù)入娮酉葳宸@了某一種載流子以后，成為帶電中心，這個(gè)帶電中心又由庫(kù)侖作用而俘獲帶電符號(hào)相反的載流子，形成束縛激子。當(dāng)激子復(fù)合時(shí)，就能以發(fā)射光子的形式釋放能量。8.1.1輻射復(fù)合圖8-5，和的等電子陷阱束縛電子的幾率密度在空間的分布8.1.2非輻射復(fù)合非輻射復(fù)合

圖8-6多聲子躍遷

0125102050100200300400500600光子能量（meV）1.多聲子過(guò)程晶體中電子和空穴復(fù)合時(shí)，可以激發(fā)多個(gè)聲子的形式放出多余的能量。

8.1.2非輻射復(fù)合2.俄歇(Auger)過(guò)程圖8-7俄歇過(guò)程晶體中電子和空穴復(fù)合時(shí)，多余的能量傳輸給第三個(gè)載流子，使之在導(dǎo)帶和價(jià)帶內(nèi)部激發(fā)。

N型半導(dǎo)體8.1.2非輻射復(fù)合2.俄歇(Auger)過(guò)程圖8-7俄歇過(guò)程8.1.2非輻射復(fù)合3.表面復(fù)合晶體表面處晶格的中斷，產(chǎn)生能從周圍吸附雜質(zhì)的懸掛鍵。因而能夠產(chǎn)生高濃度的深的和淺的能級(jí)，它們可以充當(dāng)復(fù)合中心。雖然對(duì)這些表面態(tài)的均勻分布沒(méi)有確定的論據(jù)，當(dāng)假定是均勻分布時(shí)，表面態(tài)的分布為，與實(shí)驗(yàn)的估計(jì)良好地一致。8.1輻射復(fù)合與非輻射復(fù)合教學(xué)要求掌握輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合的概念和機(jī)制。什么是等電子陷阱復(fù)合？為什么等電子陷阱復(fù)合能提高半導(dǎo)體材料的發(fā)光效率？解釋圖8-7中各種俄歇過(guò)程。

8.2LED的基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程PN結(jié)的電致發(fā)光圖8-10P-N的電致發(fā)光結(jié)：（a）零偏壓，（b）正向偏壓V8.2LED的基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程教學(xué)要求畫出能帶圖說(shuō)明LED的發(fā)光機(jī)制。名詞解釋及問(wèn)題8.3.2量子效率1.注射效率圖8-12

帶尾對(duì)帶帶復(fù)合的影響；（a）型，（b）型

（a）（b）8.3.2量子效率(c)選用電子遷移率比空穴遷移率大的材料。由于族化合物半導(dǎo)體的電子遷移率比空穴遷移率大很多，例如，所以它們是制造LED的上選材料。注射效率就是可以產(chǎn)生輻射復(fù)合的二極管電流在二極管的總電流中所占的百分比。根據(jù)（8-15）式提高注射效率的途徑是：(a)P區(qū)受主濃度要小于N區(qū)施主濃度，即結(jié)。(b)減小耗盡層中的復(fù)合電流。這就要求LED所用的材料和制造工藝盡可能保證晶體完整，盡量避免有害雜質(zhì)的摻入。8.3.2量子效率

2.輻射效率發(fā)生輻射復(fù)合的電子數(shù)與總的注入電子數(shù)比：

（8-18）（8-17）（8-16）（8-19）8.3.2量子效率三種可能的復(fù)合過(guò)程圖8-13三種可能的復(fù)合過(guò)程淺施主能級(jí)淺受主能級(jí)深復(fù)合中心8.3.2量子效率以和為競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制：（8-22）帶—帶復(fù)合過(guò)程和非輻射復(fù)合過(guò)程相競(jìng)爭(zhēng)：根據(jù)（8-21）式，欲提高，可采用的方法是8.3.2量子效率和增加P區(qū)的摻雜濃度，而且較高的還有降低串聯(lián)電阻從而減小正向電壓降和歐姆損耗的作用。減少?gòu)?fù)合中心密度，高的摻雜濃度使得晶體缺陷增加，導(dǎo)致非輻射復(fù)合中心的增加。同時(shí)，在討論注射效率時(shí)已經(jīng)指出，P側(cè)的高摻雜會(huì)使注射效率下降。3.逸出幾率逸出幾率也叫做出光效率被定義為PN結(jié)輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子射到晶體外部的百分?jǐn)?shù)。8.3.2量子效率

外量子效率可以寫作：根據(jù)以上分析，內(nèi)量子效率可以寫作8.3.2量子效率影響逸出幾率的主要因素：界面反射和再吸收。1

c