半導(dǎo)體器件物理學(xué)習(xí)指導(dǎo)：第八章發(fā)光管與半導(dǎo)體激光器

1、第八章 發(fā)光管與半導(dǎo)體激光器一名詞、概念、術(shù)語與問題 LEDs and Lasers輻射復(fù)合：在復(fù)合過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，這種復(fù)合稱為輻射復(fù)合，它是光吸收的逆過程。非輻射復(fù)合：在復(fù)合過程中電子的多余能量可以以其它形式釋放出來，而不發(fā)射光子，這種復(fù)合稱為非輻射復(fù)合。帶間輻射復(fù)合：帶間輻射復(fù)合是導(dǎo)帶中的電子直接躍遷到價(jià)帶與價(jià)帶中的空穴復(fù)合。發(fā)射的光子的能量接近等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。帶間輻射復(fù)合是本征吸收的逆過程。由于半導(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)的不同，帶間復(fù)合又可以分為直接輻射復(fù)合和間接輻射復(fù)合兩種。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

2、區(qū)同一點(diǎn)，從而躍遷發(fā)生在布里淵區(qū)同一點(diǎn)。因此直接輻射復(fù)合過程中的電子躍遷也被稱為豎直躍遷。 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)，而是具有不同的 值。因此這種躍遷不是發(fā)生在布里淵區(qū)的同一地點(diǎn)，也叫非豎直躍遷。間接輻射復(fù)合的發(fā)光效率比直接輻射復(fù)合的低得多。寫出直接輻射復(fù)合與間接輻射復(fù)合準(zhǔn)動(dòng)量守恒與能量守恒公式 ： 直接輻射復(fù)合：間接輻射復(fù)合 ：淺能級(jí)與主帶間的復(fù)合（邊緣發(fā)光）：可以是淺施主與價(jià)帶空穴或淺受主與導(dǎo)帶電子間的的復(fù)合。這種輻射的光子能量總比禁帶寬度小。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

3、復(fù)合過程中發(fā)射光子，光子的能量小于禁帶寬度。這種復(fù)合也稱為D-A對(duì)復(fù)合。詳答：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消失而形成偶極勢(shì)場，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)。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)合過程是中性組態(tài)產(chǎn)生電離施主受主對(duì)的過程，故復(fù)合是具有庫侖作用的。激子：如果半導(dǎo)體吸收能量小于禁帶寬度的光子，電子被從價(jià)帶激發(fā)。但由于庫侖作用，它仍然和價(jià)帶中留下的空穴

4、聯(lián)系在一起，形成束縛狀態(tài)。這種被庫侖能束縛在一起的電子-空穴對(duì)就稱為激子。 自由激子：作為一個(gè)整體，可以在晶體中自由運(yùn)動(dòng)的激子。束縛激子：激子在晶體中運(yùn)動(dòng)的過程中可以受到束縛，受束縛的激子不能再在晶體中自由運(yùn)動(dòng)，這種激子稱為束縛激子。晶體中能束縛激子的中心有施主、受主、施主受主對(duì)和等電子陷阱等。 激子復(fù)合 ；激子是一個(gè)能量系統(tǒng)，是一種束縛態(tài)。這種束縛態(tài)可以把能量以輻射的方式或非輻射的方式重新釋放出來。這種現(xiàn)象稱為激子復(fù)合 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)。(等電子雜質(zhì)是指周期表內(nèi)與半導(dǎo)體基質(zhì)原子同族的原子。因?yàn)橥逶拥膬r(jià)電子相等，所以用等電子雜質(zhì)代替基質(zhì)原子不會(huì)增加電子

5、或空穴，而是形成電中性中心，故稱為等電子雜質(zhì)。) 等電子陷阱復(fù)合: 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)帶電中心又由庫侖作用而俘獲帶電符號(hào)相反的載流子，形成束縛激子態(tài)。這是一個(gè)束縛在等電子雜質(zhì)上的束縛激子。當(dāng)激子復(fù)合時(shí)，就能以發(fā)射光子的形式釋放能量。解釋GaP:N. GaP:Zn-O中的等電子陷阱復(fù)合現(xiàn)象：答：當(dāng) 中摻入氮時(shí)，氮可能取代晶格上的磷原子。氮和磷都是 族元素，它們的價(jià)電子數(shù)相同，因此稱 為等電子雜質(zhì)。由于氮的原子序數(shù)為7而磷為15，氮比磷少8個(gè)電子，氮取代磷以后，那里的電子即相對(duì)的欠缺，故氮對(duì)電子的親和力遠(yuǎn)大于磷的。因而，它可以俘獲電子，形成電子的束縛狀態(tài)等電子陷

6、阱。氮俘獲電子以后，又因庫侖作用而俘獲空穴（氮等電子陷阱俘獲空穴和電子的能量分別是0.037eV和0.01eV左右），俘獲的電子和空穴形成激子。這種激子通過輻射復(fù)合消失時(shí)，在室溫下發(fā)射波長入=570nm綠光。當(dāng)GaP摻入鋅和氧后，Zn原子一般占據(jù)晶格中的Ga位置，而O則占據(jù)P的位置。由GaP的晶格結(jié)構(gòu)可以看出，GaP處于相鄰位置。Zn，O取代后必然處于相鄰的位置。于是形成了Zn-O對(duì)等電子陷阱。它與摻氮的情況不同。由于Zn比基質(zhì)Ga的陽性更強(qiáng)，而O比P的陰性更強(qiáng)，因此GaP中Zn與O原子處在最近鄰位置時(shí)比分離存在更穩(wěn)定。由于氧原子是電子親合力強(qiáng)的原子，即使處于陽性原子Zn的最近鄰位置也能俘獲電

7、子。俘獲電子后Zn-O對(duì)便帶負(fù)電，由于庫侖力又去俘獲空穴，從而形成激子。激子復(fù)合便發(fā)出紅色輻射。在GaP中Zn-O對(duì)等電子陷阱俘獲電子的能量為300 10meV,而俘獲空穴的能量為37meV，因此激子復(fù)合發(fā)光的波長在紅色范圍。電致發(fā)光；當(dāng)正向偏壓加于P-N結(jié)（或異質(zhì)結(jié)）的兩端時(shí)，載流子注入穿越P-N結(jié)（或異質(zhì)結(jié)），使得載流子濃度超過熱平衡值，形成過量載流子。過量載流子復(fù)合，能量可能以光（光子）的形式釋放。在光子發(fā)射過程中，我們從偏壓的電能量得到光能量。這種現(xiàn)象稱為電致發(fā)光。注射效率 :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。輻射效率:發(fā)生輻射復(fù)合的電子數(shù)與注入的總電子數(shù)

8、之比。逸出率：也叫出光效率，定義為P-N結(jié)輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子中出射到晶體外部的百分?jǐn)?shù)。內(nèi)量子效率：產(chǎn)生輻射復(fù)合的電子數(shù)（等于輻射的總光子數(shù)）占總的注入載流子數(shù) 的百分比。外量子效率：出射的光子數(shù)與總的注入載流子數(shù)之比。根據(jù)外量子效率公式（8-28）指出提高外量子效率的主要途徑。公式說明可以通過減少 、 、通過增加 來提高外量子效率：1. 減小結(jié)深。但把結(jié)深減小到距離表面不足一個(gè)擴(kuò)散長度，會(huì)使更多的少數(shù)載流子引到表面，表面復(fù)合中心會(huì)俘獲注入載流子的一大部分，這樣會(huì)減小內(nèi)量子效率。2.產(chǎn)生 的發(fā)光可以使 減小，由于發(fā)射的光子具有低于 的能量，因而得到了高效率。（8-28） 3.采用光學(xué)窗口。比如在

9、GaAs二極管的頂面上生長一附加的AlGaAs層，因?yàn)锳lGaAs材料的禁帶寬度大于GaAs的禁帶寬度，所以發(fā)射的光子不會(huì)被附加層所吸收。與此同時(shí)，在AlGaAs - GaAs界面上的復(fù)合中心密度顯著的低于沒有AlGaAs層的表面的GaAs復(fù)合中心密度。因而，距離界面的結(jié)深可以做得很小。4.減少內(nèi)反射。采用折射率在空氣和半導(dǎo)體之間的光學(xué)介質(zhì)，澆注成的半球形圓頂，可使外量子效率增至2-3倍。畫出能帶圖說明PN結(jié)LED工作原理：答：圖8.10。當(dāng)正向偏壓加于P-N結(jié)的兩端時(shí)，載流子注入，使得少數(shù)載流子濃度超過熱平衡值，形成過量載流子。過量載流子復(fù)合，能量可能以光（光子）的形式釋放。在光子發(fā)射過程中

10、，我們從偏壓的電能量得到光能量。這種現(xiàn)象稱為注入式電致發(fā)光。在P側(cè)，注入的非平衡少數(shù)載流子電子從導(dǎo)帶向下躍遷與價(jià)帶中的空穴復(fù)合，發(fā)射能量為 的光子。在P-N結(jié)的N側(cè)，注入的非平衡少數(shù)載流子空穴與導(dǎo)帶電子復(fù)合，同樣發(fā)出能量為 的光子。（a）（b）VF圖8-10P-N的電致發(fā)光結(jié)：（a）零偏壓，（b）正向偏壓 等電子陷阱能夠有效地提高GaP的發(fā)光效率的物理原理是什么？等電子陷阱能夠有效地提高GaP的發(fā)光效率的實(shí)際意義在于緩和間接能隙躍遷的選擇定則。GaP材料是間接帶隙半導(dǎo)體，帶間電子躍遷幾率是很小，不能實(shí)現(xiàn)有效的發(fā)光。當(dāng)?shù)舆M(jìn)入GaP取代磷原子形成等電子陷阱時(shí)，等電子雜質(zhì)對(duì)電子的束縛是短程力，因此，被束縛的電子定域在雜質(zhì)原子附近很窄的范圍內(nèi)。電子的波函數(shù)在位形空間中的定域是很確定的。根據(jù)海森堡測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系，電子波函數(shù)在動(dòng)量空間中會(huì)擴(kuò)展到很寬的范圍，因而被束縛在等電子陷阱的電子在 空間中從 到 的幾率改變， 使電子在 點(diǎn)的幾率密度 提高。氮等電子陷阱的引入，使 點(diǎn)