第6章化合物半導體

半導體材料第六章III－V族化合物半導體一、重要III－V族化合物半導體介紹二、III－V族化合物半導體的晶體結(jié)構(gòu)三、III－V族化合物半導體的能帶結(jié)構(gòu)III一V族化合物半導體是由周期表中IIIA和VA族元素化合而成。幾乎在與鍺、硅等第一代元素半導體材料的發(fā)展和研究的同時，科學工作者對化合物半導體材料也開始了大量的探索工作。

1952年Welker等人發(fā)現(xiàn)Ⅲ族和Ⅴ族元素形成的化合物也是半導體，而且某些化合物半導體如GaAs、InP等具有Ge、Si所不具備的優(yōu)越特性(如電子遷移率高、禁帶寬度大等等)，可以在微波及光電器件領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，因而開始引起人們對化合物半導體材料的廣泛注意。但是，由于這些化合物中含有易揮發(fā)的Ⅴ族元素，材料的制備遠比Ge、Si等困難。到50年代末，科學工作者應(yīng)用水平布里奇曼法(HB)、溫度梯度法(GF)和磁耦合提拉法生長出了GaAs、InP單晶，但由于晶體太小不適于大規(guī)模的研究。

1962年Metz等人提出可以用液封直拉法(LEC)來制備化合物半導體晶體，1965~1968年Mullin等人第一次用三氧化二硼(B2O3)做液封劑，用LEC法生長了GaAs、InP等單晶材料，為以后生長大直徑、高質(zhì)量Ⅲ-Ⅴ族單晶打下了基礎(chǔ)?；衔锇雽w材料砷化鎵砷化鎵是化合物半導體中最重要、用途最廣泛的半導體材料，也是目前研究得最成熟、生產(chǎn)量最大的化合物半導體材料。優(yōu)點：砷化鎵具有電子遷移率高（是硅的5-6倍）、禁帶寬度大（它為1.43eV，硅為1.1eV），工作溫度可以比硅高為直接帶隙，光電特性好，可作發(fā)光與激光器件容易制成半絕緣材料（電阻率107-109Ωcm），本征載流子濃度低耐熱、抗輻射性能好對磁場敏感易拉制出單晶砷化鎵是由金屬鎵與半金屬砷按原子比1:1化合而成的金屬間化合物。它具有灰色的金屬光澤，其晶體結(jié)構(gòu)為閃鋅礦型。砷化鎵早在1926年就已經(jīng)被合成出來了。到了1952年確認了它的半導體性質(zhì)。用砷化鎵材料制作的器件頻率響應(yīng)好、速度快、工作溫度高，能滿足集成光電子的需要。它是目前最重要的光電子材料，也是繼硅材料之后最重要的微電子材料，它適合于制造高頻、高速的器件和電路。砷化鎵在我們?nèi)粘Ｉ钪械囊恍?yīng)用現(xiàn)在我們看電視、聽音響、開空調(diào)都用遙控器。這些遙控器是通過砷化鎵發(fā)出的紅外光把指令傳給主機的。在許多家電上都有小的紅色、綠色的指示燈，它們是以砷化鎵等材料為襯底做成的發(fā)光二極管。光盤和VCD，DVD都是用以砷化鎵為襯底制成的激光二極管進行讀出的。

曲折的應(yīng)用歷程

到了50年代中期當半導體硅的工藝獲得突破以后.人們開始尋找更優(yōu)良的半導體材料。由于其優(yōu)異的半導體性質(zhì)，所以目光就集中在砷化鎵上。砷化鎵單晶在應(yīng)用上曾遭受到不少挫折。首先用它來作晶體管和二極管，結(jié)果其性能還趕不上硅和鍺。到了60年代初，出現(xiàn)了耿氏微波二極管，人們曾寄希望于將此器件取代真空速調(diào)管，使雷達實現(xiàn)固體化。后終因輸出功率太小而未能實現(xiàn)。在改善計算機性能中，用砷化鎵制成了超高速電路，可以提高計算機的計算速度，這個應(yīng)用十分誘人，但是后來開發(fā)出計算機平行計算技術(shù)，又給砷化鎵的應(yīng)用澆了一飄冷水。所以一直到90年代初期，砷化鎵的應(yīng)用基本限于光電子器件和軍事用途。步入黃金時代由于認識到其優(yōu)異性能及其戰(zhàn)略意義人們不斷地對砷化鎵材料器件及應(yīng)用進行研究與開拓，這些工作為今天的大發(fā)展打下了基礎(chǔ)。砷化鎵器件有分立器件和集成電路。現(xiàn)在集成電路已不是硅的一統(tǒng)天下，砷化鎵集成電路己占集成電路市場份額的2%強。已獲應(yīng)用的砷化鎵器件有:微波二極管，耿氏二極管、變?nèi)荻O管等;微波晶體管:場效應(yīng)晶體管(FET).高電子遷移率晶體管(HEMT)，異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HBT)等;集成電路:微波單片集成電路(MMIC)、超高速集成電路(VHSIC)等;紅外發(fā)光二極管:(IRLED);.可見光發(fā)光二極管(LED，作襯底用);.激光二極管(LD);.光探測器;高效太陽電池;霍爾元件等砷化鎵應(yīng)用領(lǐng)域

最近一個時期以來，有些砷化鎵器件的需求猛增，一些領(lǐng)域的發(fā)展迅速地擴大了砷化鎵市場的需求，又帶動了砷化鎵材料和器件的研究與發(fā)展，這些領(lǐng)域是:

移動電話近些年來移動電話飛速發(fā)展，年增長率達兩三倍。由于用戶的增加和功能的擴大，就必須提高其使用的頻率。在較高的頻率下，砷化鎵器件與硅器件相比.具有使用的電壓低、功率效率高、噪聲低等優(yōu)點，而且頻率愈高，兩種器件在上述性能方面的差距愈大。所以現(xiàn)在移動通信成了砷化鎵微波電路的最大用戶。

光纖通信在此種通信中光的發(fā)射是要用砷化鎵或砷化鎵基的激光二極管或發(fā)光二極管，由于移動通信和因特網(wǎng)的發(fā)展擴大了對光纖通信的需求。

汽車自動化首先獲得應(yīng)用的是全球定位系統(tǒng)，可以指示給駕駛員關(guān)于汽車的方位、合理的行車路線等信息，這也為汽車的無人駕駛提供了前提條件，這套系統(tǒng)主要靠砷化鎵的微波器件所支持的。另外已接近商品化的汽車防碰撞裝置是以砷化鎵微波器件所構(gòu)成的雷達為核心的。砷化鎵應(yīng)用領(lǐng)域太空高效太陽電池原來人造天體上所用的都是硅的太陽能電池。由于砷化鎵太陽能電池的工藝獲得突破，現(xiàn)已證明，在太空中使用砷化鎵太陽能電池更為合理。最近發(fā)射和計劃發(fā)射的人造天體多使用砷化鎵太陽能電池作能源。最引人注目的是美國發(fā)射的火星探路者，它使用了砷化鎵太陽能電池來驅(qū)動自動小車在火星上工作了30天。軍事應(yīng)用在海灣戰(zhàn)爭和科索沃戰(zhàn)爭中，電子信息技術(shù)顯示出巨大的威力，其中砷化鎵起了不可磨滅的作用。在相控陣雷達、電子對抗、激光描準、夜視、通信等方面，砷化鎵器件都起了關(guān)鍵的作用?，F(xiàn)在各發(fā)達國家都在研究供軍事用的砷化鎵材料與器件。GaN材料的特性

GaN首先由Johnson等人合成，Ga和NH3為原料，在600~900℃加熱合成。可生成白色、灰色或棕色粉末(是含有O或未反應(yīng)的Ga所致)。

GaN是極穩(wěn)定的化合物，又是堅硬的高熔點材料，融點約1700℃。GaN具有高的電離度，在Ⅲ-Ⅴ族化合物中是最高的(0.5或0.43)。在大氣壓力下，GaN晶體一般呈六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。它在一個元胞中有4個原子，原子體積大約為GaAs的一半。因為其硬度高，又是一種良好的涂層保護材料。人們關(guān)注的GaN的特性，旨在它在藍光和紫光發(fā)射器件上的應(yīng)用。所以不少研究小組多年來對其光學特性進行了研究。GaNGaN具有寬的直接帶隙，強的原子鍵，高的熱導率等性質(zhì)和強的抗輻照能力，不僅是短波長光電子材料，也是高溫半導體器件的換代材料。紫外光可用于大氣層外空間的探測，短的波長，使激光打印光盤存儲更微細化、高密度化。又由于Ⅲ族N化物可組成帶隙從1.9eV(InN)、3.4eV(GaN)到6.2eV(AlN)的連續(xù)變化固溶體合金，因而可實現(xiàn)波長從紅外到紫外全可見光范圍的光發(fā)射。GaN也將隨材料生長和器件工藝的發(fā)展而迅猛發(fā)展，成為新一代高溫度頻大功率器件材料。GaN應(yīng)用前景

對于GaN材料，長期以來由于襯底單晶沒有解決，異質(zhì)外延缺陷密度相當高，但是目前器件水平已可實用化。

1994年日本日亞化學所制成1200mcd的LED，1995又制成2cd藍光(450nmLED)，綠光12cd(520nmLED證明這一材料研制工作取得相當成功，進入實用化階段。

InGaN系合金的生成，InGaNAlGaN雙異質(zhì)結(jié)LED，InGaN單量子阱LED，InGaN多量子阱LD等相繼開發(fā)成功。InGaN

SQW

LED6cd高亮度純綠色、2cd高亮度藍色LED已制作出來，今后，與AlInGaP、AlGaAs系紅色LED組合形成高亮度全色顯示就可實現(xiàn)。這樣三原色混成的白光光源也打開新的應(yīng)用領(lǐng)域。高可靠、長壽命LED為特征的時代就會到來。日光燈和電燈泡都將會被LED所替代。為節(jié)約能源，日前歐盟已開始執(zhí)行全面停用白熾燈的政策。目前LED專利核心基本被德國歐司朗(Osram)公司、日本日亞化學所有為什么高亮度LED如此受重視?這是因為LED光電轉(zhuǎn)換效率高，亮滅響應(yīng)速度快，因而大大降低電力消耗，一般情況下，鎢絲燈泡發(fā)光效率為20lm/W（光通量/電功率），螢光燈為60~80lm/W，而藍光LED為120lm/W，是燈泡電力消耗的1/6，螢光燈的1/2。城市中商店，公司，機關(guān)，辦公室，街道，娛樂場所，道路等照明用電量約占整個電力消耗的20%。據(jù)日本估計，如交通信號燈，霓紅燈，廣告牌及半數(shù)的白熾燈和螢光燈由LED代替，2010年，將削減能源(換算為石油)約8億L。由此可見，LED在節(jié)約能源，減少污染!改善人們的生活環(huán)境等方面都有著重大的意義。GaP的應(yīng)用目前市場主要供應(yīng)的紅、綠色普通LED，主要使用GaP襯底材料，超高亮度LED主要使用GaAs，GaN，ZnSe和SiC等材料磷化銦磷化銦(InP)是重要的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料之一，是繼Si、GaAs之后的新一代電子功能材料。由于InP在熔點溫度1335±7K時，磷的離解壓為27.5atm，因此InP多晶的合成相對比較困難，單晶生長也困難得多，整個過程始終要在高溫高壓下進行，所以InP單晶就難獲得，而且在高溫高壓下生長單晶，其所受到的熱應(yīng)力也大，所以晶片加工就很難，再加上InP的堆垛層錯能較低，容易產(chǎn)生孿晶，致使高質(zhì)量的InP單晶的制備更加困難。所以目前相同面積的InP拋光片要比GaAs的貴3~5倍。而對InP材料的研究還遠不如Si、GaAs等材料來得深入和廣泛。InP是直接帶隙、閃鋅礦結(jié)構(gòu)的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料，能帶寬度室溫下為1.35eV。與其晶格匹配的InAsP、InGaAs的帶隙對應(yīng)于1.3~1.6mm波段，以InP材料為襯底制作的波長范圍在1.1~1.7mm的發(fā)光二極管，PIN光電探測器在SiO2~GeO2光纖通信系統(tǒng)中色散近似為零，傳輸損耗最低，已經(jīng)并將不斷在日益發(fā)展的光纖通信系統(tǒng)中發(fā)揮其重要作用。由于InP材料具有電子漂移速度快，負阻效應(yīng)顯著等特點，除制作光電器件、光電集成電路(OEIC)外，更是制作微波器件、高速、高頻器件(HEMT，HBT等)的理想襯底材料。高場條件下(~104Vcm)InP材料具有轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)(體效應(yīng))，作為轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)器件(TED)材料，InP比GaAs更為理想。InP與GaAs相比較與GaAs材料相比，在器件制作中，InP材料具有下列優(yōu)勢:①InP器件的電流峰-谷比高于GaAs，因此，InP器件比GaAs器件有更高的轉(zhuǎn)換效率;②慣性能量時間常數(shù)小，只及GaAs的一半，故其工作頻率的極限比GaAs器件高出一倍;③InP峰-谷比的溫度系數(shù)比GaAs小，且熱導率比GaAs高，更有利于制作連續(xù)波器件;④InP材料InP器件有更好的噪聲特性;⑤在較高頻率下，InP基的Gunn器件有源層的長度是GaAs器件的二倍，故可簡化器件的制作工藝等。InP單晶材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域InP作為襯底材料主要有兩種應(yīng)用途徑:a.光電器件,包括光源(LED、LD)和探測器(PD、APD雪崩光電探測器)等,主要用于光纖通信系統(tǒng)。b.電子器件包括高速高頻微波器件(金屬絕緣場效應(yīng)晶體管MISFET、HEMT高電子遷移率晶體管

、HBT異質(zhì)結(jié)晶體管

)和光電集成電路(OEIC),為滿足以上應(yīng)用的需要，InP單晶材料主要有表1中所示出的幾種類型：InP材料的熱導率比GaAs高(分別為0.7、455Wcm.K)。因此InP基的器件可有較大的輸出功率。InP材料局域態(tài)密度比GaAs小,易于形成n型反型層,更適于制作高速微波器件器件。

InP作為太陽能電池材料有較高的理論轉(zhuǎn)換效率，尤其抗輻射性能比GaAs、Si等更為優(yōu)越,特別適于空間應(yīng)用，在地球同步軌道上運行10年，3種材料的太陽能電池在太空輻射條件下功率損失存在極為顯著的差別，Si為25%，GaAs為10%~25%，InP為0。因此美國航空航天署(NASA)已在1999年5月發(fā)射的衛(wèi)星上改用InP材料制作的太陽能電池。從目前來看,絕大部分InP器件是應(yīng)用于軍事領(lǐng)域,隨著技術(shù)的成熟,現(xiàn)在正在開發(fā)以InP為基的具有市場價格競爭力的用于毫米波數(shù)字廣播、汽車防撞雷達、無線通信系統(tǒng)、大容量數(shù)字鏈路等大量民用或軍民兩用產(chǎn)品。這些產(chǎn)品所采用的技術(shù)將是SiGaAsInP技術(shù)的混合體?？梢钥闯鯥nP在Si、GaAs等材料難以勝任的領(lǐng)域大放異彩。但應(yīng)該說明的是正像GaAs的發(fā)展并不是朝著取代Si的方向發(fā)展一樣,InP也只是在適合它的性價比和可能的情況下在進行著它自己的發(fā)展,而不可能成為某一種半導體材料的替代物。Ⅲ-V族化合物半導體的晶體結(jié)構(gòu)

和硅、鍺不同，大多數(shù)Ⅲ一V族化合物半導體的晶體結(jié)構(gòu)是閃鋅礦型，這種晶體結(jié)構(gòu)與金剛石型很相似，也是由兩套面心立方格子沿體對角線移動1／4長度套構(gòu)而成，不過金剛石這兩套格子的原子是相同的，而閃鋅礦型則一套是Ⅲ族原子，另一套是V族原子。因此閃鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)的原子排列是每個Ⅲ族原子周圍都有四個最靠近的V族原子包圍而形成正四面體，而每個V族原子周圍又有四個Ⅲ族原子包圍而形成正四面體。閃鋅礦型結(jié)構(gòu)

等軸晶系，a0=0.540nm；Z=4。閃鋅礦型結(jié)構(gòu)，立方面心格子。Zn2+分布于晶胞之角頂及所有面的中心。S2-位于晶胞所分成的八個小立方體中的四個小立方體的中心。從配位多面體角度看，[ZnS4]四面體彼此以4個角頂相連，。Zn2+(Ga)分布于晶胞之角頂及所有面的中心。

S2-(As)位于晶胞所分成的八個小立方體中的四個小立方體的中心。金剛石結(jié)構(gòu)等軸晶系，a0=0.35595nm；Z=8。立方面心晶胞。碳原子除占據(jù)晶胞的角頂和面心外，將立方體平分為8個小立方體，在相間排列的小立方體的中心還存在著碳原子，呈四面體配位。每個碳原子以sp3雜化，外層電子構(gòu)型與相鄰的四個碳原子形成共價鍵。Ｃ-Ｃ鍵長0.1542nm，Ｃ-Ｃ-Ｃ鍵角約109。不同角度的金剛石結(jié)構(gòu)圖在閃鋅礦結(jié)構(gòu)中，Ⅲ族元素原子與V族元素原子的價電子數(shù)是不等的，關(guān)于它們之間價鍵的形成機構(gòu)有幾種說法。一種認為是由V族原子的5個價電子中拿出一個給Ⅲ族原子，然后它們相互作用產(chǎn)生sp3雜化，形成類似金剛石結(jié)構(gòu)的共價鍵。例如，GaAs的Ga原子得到一個價電子變成Ga-，As原子給出一個價電子變成As+離子。它們按上述說法鍵合時，雖說是以共價鍵為主，但由于Ga-和As+離子的電荷作用而具有離子鍵性質(zhì)；

Ⅲ一V族化合物半導體的成鍵

不同類型、能級相近的原子軌道，可以“混雜”起來重新形成一組數(shù)目相等，能量相同的新的軌道，這種新軌道叫做“雜化軌道”，這種“混雜”的過程叫做雜化。雜化后的電子云變得向一個方向集中，在成鍵時則有利于電子云最大限度的重疊，且雜化軌道的空間排列，是互相之間盡可能相距最遠，以使相互間的斥力最小，可以形成更為穩(wěn)定的鍵。

sp3雜化軌道：由1個2s軌道和3個2p軌道雜化，形成能量、形狀完全相等的4個sp3雜化軌道（a）碳的sp3雜化軌道；（b）甲烷正四面體模型另一種認為在閃鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)中，除Ga-和AS+形成的共價鍵外，還有Ga3+和As3-形成的離子鍵，因此Ⅲ一V族化合物的化學鍵屬于混合型。由于離子鍵作用，電子云的分布是不均勻的，它有向V族移動的趨向，即產(chǎn)生極化現(xiàn)象。這樣導致在V族原子處出現(xiàn)負有效電荷，Ⅲ族原子處出現(xiàn)正有效電荷。Ⅲ一V族化合物半導體的成鍵

Ⅲ一V族化合物半導體的離子鍵成分與其組成的Ⅲ族和V族原子的電負性之差有關(guān)。兩者差越大，離子鍵成分就越大，而共價鍵成分就越小。例如，GaP的Ga原子的電負性是1.6，P原子電負性是2.1，它們相差0.5。由課本的化合物原子電負性差與離子鍵的成分關(guān)系圖（圖6—2）可查出相對應(yīng)的離子鍵成分為7.5％，也就是說GaP中共價鍵成分可能是92.5％。但GaP為閃鋅礦型，最靠近Ga原子的P原子共有四個，而Ga原子的價電子只有3個，所以Ga原子只能和3個P原子形成共價鍵，因此從整個晶體來考慮，共價鍵成分應(yīng)等于92.5×3／4=71％，所以離子鍵成分占29％。纖維鋅礦結(jié)構(gòu)為：六方晶系、六角密堆積結(jié)構(gòu)，離子鍵起主要作用。Ⅲ一V族化合物半導體的能帶結(jié)構(gòu)重要概念：直接躍遷:如果在能量轉(zhuǎn)移過程中，電子的動量保持一定，電子可從導帶直接躍遷到價帶而發(fā)出光，這就稱為直接躍遷。

間接躍遷:如果電子與空穴結(jié)合必須改變其動量，則躍遷較困難且用光、熱的方式將能量散出，這就稱為間接躍遷。

半導體的導帶的最低能量狀態(tài)和價帶的最高能量狀態(tài)不在k空間(動量)的同一位置，這種結(jié)構(gòu)稱為間接躍遷型，半導體為“間接帶隙半導體”。在同一位置的半導體稱為直接躍遷型，半導體稱為“直接帶隙半導體”。

(1)GAs的導帶極小值和價帶極大值都在k=0，而Ge、Si的價帶極大值雖在波矢k=0處，但它們的導帶極小值卻不在k=0，即它們的導帶極小值和價帶極大值所處的是值不同。因為半導體發(fā)光時要求有電子躍遷；而一般的電子躍遷又要求動量守恒，即電子必須在k空間(動量)的同一位置跳躍，所以間接帶隙半導體一般不能用作發(fā)光材料。Ⅲ一V族化合物半導體的能帶結(jié)構(gòu)(2)在GaAs(100)方向上具有雙能谷能帶結(jié)構(gòu)，即除k=0處有極小值外，在(100)方向邊緣上存在著另一個比中心極小值僅高0.36eV的導帶極小值，稱為X極小值（參見課本圖6－3）。因此電子具有主、次兩個能谷。在室溫下，電子處在主能谷中，因為在室溫時電子從晶體那里得到的能量只有0.025eV，很難躍遷到X處導帶能谷中去。電子在主能谷中有效質(zhì)量較小(m=0.07m0)，遷移率大；而在次能谷中，有效質(zhì)量大(m=1.2m0)，遷移率小，但狀態(tài)密度比主能谷大。當外電場超過一定值時，電子可由遷移率大的主能谷轉(zhuǎn)移到遷移率較小的次能谷，而出現(xiàn)電場增大電流減小的負阻現(xiàn)象，這是制作體效應(yīng)微波二極管的基礎(chǔ)。Ⅲ一V族化合物半導體的能帶結(jié)構(gòu)(3)GaAs在300K時的禁帶寬度Eg＝1.43eV。因為晶體管工作溫度上限與材料的Eg成正比的，所以用GaAs做晶體管，可以在450℃以下工作。硅為1.1eV，GaAs工作溫度可以比硅高。除此以外，GaAs具有比Si大得多的電子遷移率，這對提高晶體管的高頻性能是有利的。GaP的能帶結(jié)構(gòu)參見課本圖6-4磷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)圖。在波矢是空間的電子能量圖上，價帶頂與導帶底不處于相同的波矢k處，所以GaP是間接躍遷型材料。間接躍遷型材料要實現(xiàn)躍遷必須與晶格作用，把部分動量交給晶格或從晶格取得一部分動量，也就是要與聲子作用，才能滿足動量守恒的要求，因而非直接躍遷發(fā)生的幾率是很小的(約為直接躍遷的l／1000)，它的發(fā)光效率要比直接躍遷型材料低。Ge、Si和Ⅲ-V族化合物中的BP、AlP、GaP、BAs、AlAs、AlSb等都屬于間接躍遷型半導體材料。GaP發(fā)光機理但是，目前已用GaP制出了很好的發(fā)紅、綠、黃等光的發(fā)光二極管，而且發(fā)光效率很高，這是因為某些雜質(zhì)在GaP，中可形成發(fā)光的輻射復合中心，使GaP中的間接躍遷向直接躍遷轉(zhuǎn)化的緣故。當GaP摻入一些雜質(zhì)時，這些雜質(zhì)在禁帶中形成一定的雜質(zhì)能級，導帶中的電子和價帶中的空穴可通過這些雜質(zhì)能級進行復合而發(fā)光。另外，還可以形成一種等電子陷阱束縛激子將間接躍遷轉(zhuǎn)化為直接躍遷而發(fā)光。

GaP發(fā)光機理由固體物理可知，若電子與空穴間的庫侖引力使兩者處于束縛狀態(tài)時，這種被束縛的空穴電子對就叫做激子。在半導體中，電子和空穴可以是自由運動的，也可以是受束縛的。例如，電子由價帶激發(fā)到導帶下的一個激發(fā)態(tài)而沒有達到導帶，這時電子就不是自由的，它將被束縛在空穴的庫侖場中，又不與空穴復合而形成激子。它們可以在晶體中運動，(同樣在施主上的電子也可以處于不與空穴復合而與空穴成束縛狀態(tài))，這些束縛的電子空穴對統(tǒng)稱為激子。激子中電子與空穴復合放出光子，其能量不服從電子由導帶躍遷到價帶的能量變化而符合激子復合的能量變化。

若晶體中摻入周期表中同族的元素（價電子數(shù)相同），它們處于替代位置，由于其對電子吸引力的大小不同，會吸引電子和空穴，晶體中這類元素稱為等電子陷阱。例如GaP中摻入氮時，氮原子取代磷原子的位置而呈電中性。但氮原子的電子親合力比磷原子大，因此氮原子可俘獲一個電子而帶負電，由于庫侖力的作用，帶負電的氮原子又吸引一個空穴而形成束縛激子狀態(tài)。產(chǎn)生這種束縛是方阱束縛，是一種短程力，即阱內(nèi)有力，阱外無力，作用只限于阱寬，因此束縛使陷阱內(nèi)電子局限在一個局部的范圍。根據(jù)量子力學的測不準關(guān)系△p△x≥h，當電子的△x十分小時，它的動量變動范圍就很大，即是擴展了，也就是在是k=0處也會有一定數(shù)目的電子，這些電子便可不借聲子的幫助而直接躍遷，從而大大提高了發(fā)光效率。

光波長（顏色）的控制加入氮后，光子能量：

hν=Eg一(Ee)n一(Eh)n

Eg為禁帶寬度

(Ee)n為氮等電子陷阱形成激子中電子的能級

(Eh)n為氮等電子陷阱形成激子中空穴的能級

由上式計算出光子的頻率和波長，從而確定