1、第三章第三章 光電顯示材料光電顯示材料 信息功能材料信息功能材料 1.1 概概 述述 信息顯示技術(shù)：信息顯示技術(shù)： 將各種形式的信息將各種形式的信息( (如文字、數(shù)據(jù)、圖形、圖像和活動(dòng)圖像如文字、數(shù)據(jù)、圖形、圖像和活動(dòng)圖像) ) 作用于人的視覺而使人感知的手段。作用于人的視覺而使人感知的手段。 常用的信息顯示手段：常用的信息顯示手段： 靜態(tài)的：靜態(tài)的：打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)和掃描儀等，一般稱為打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)和掃描儀等，一般稱為 信息的輸出和輸入設(shè)備。信息的輸出和輸入設(shè)備。 動(dòng)態(tài)的：動(dòng)態(tài)的：陰極射線管陰極射線管(CRT)、液晶顯示、液晶顯示(LCD)、場(chǎng)致發(fā)射顯、場(chǎng)致發(fā)射顯 示示(FED

2、)、等離子體顯示、等離子體顯示(PDP) 、 發(fā)光二極管顯示發(fā)光二極管顯示(LED) 、 有機(jī)發(fā)光顯示有機(jī)發(fā)光顯示(OLED)技術(shù)等。技術(shù)等。 陰極射線管陰極射線管(CRT)在在20世紀(jì)初的出現(xiàn)，成為活動(dòng)圖像的主世紀(jì)初的出現(xiàn)，成為活動(dòng)圖像的主 要顯示手段。傳統(tǒng)陰極射線發(fā)光材料如三基色：紅要顯示手段。傳統(tǒng)陰極射線發(fā)光材料如三基色：紅 (Y2O2S:Eu)、藍(lán)、藍(lán)(ZnS:Ag)和綠和綠(ZnS:Cu,Al)材料，還需提材料，還需提 高純度，以增強(qiáng)顯示亮度和色彩質(zhì)量。高純度，以增強(qiáng)顯示亮度和色彩質(zhì)量。 平板顯示技術(shù)近年來發(fā)展的關(guān)鍵是解決體積過大問題，出平板顯示技術(shù)近年來發(fā)展的關(guān)鍵是解決體積過大問題

3、，出 現(xiàn)了：液晶顯示（現(xiàn)了：液晶顯示（LCD, Liquid Crystal Display）技術(shù)、場(chǎng)）技術(shù)、場(chǎng) 致放射顯示（致放射顯示（FED, Field Emission Display）技術(shù)、等離子）技術(shù)、等離子 體顯示（體顯示（PDP, Plasma Display Panel）技術(shù)和發(fā)光二極管）技術(shù)和發(fā)光二極管 顯示（顯示（LED, Light Emitting Diode）技術(shù)等。）技術(shù)等。 在高清晰電視、可視電話、計(jì)算機(jī)、車用及個(gè)人數(shù)字化終在高清晰電視、可視電話、計(jì)算機(jī)、車用及個(gè)人數(shù)字化終 端顯示等應(yīng)用目標(biāo)的推動(dòng)下，顯示技術(shù)正向高分辨率、大端顯示等應(yīng)用目標(biāo)的推動(dòng)下，顯示技術(shù)正向

4、高分辨率、大 顯示容量、平板化和大型化方向發(fā)展。顯示容量、平板化和大型化方向發(fā)展。 光電顯示材料的發(fā)展光電顯示材料的發(fā)展 3.2 光電顯示物理基礎(chǔ)光電顯示物理基礎(chǔ) 物理過程物理過程光電光電/ /電光轉(zhuǎn)換：電光轉(zhuǎn)換： 由載有信息的光子群構(gòu)成的光信號(hào)變換為由載有信息的電由載有信息的光子群構(gòu)成的光信號(hào)變換為由載有信息的電 子構(gòu)成的電信號(hào)子構(gòu)成的電信號(hào)( (或反之或反之) )的過程。的過程。 光電效應(yīng)光電效應(yīng)半導(dǎo)體對(duì)光輻射的吸收和由此引起的半導(dǎo)體性半導(dǎo)體對(duì)光輻射的吸收和由此引起的半導(dǎo)體性 能的變化；能的變化； 電光效應(yīng)電光效應(yīng)半導(dǎo)體中光輻射的產(chǎn)生及電作用對(duì)于發(fā)光的激半導(dǎo)體中光輻射的產(chǎn)生及電作用對(duì)于發(fā)光

5、的激 發(fā)；發(fā)； 半導(dǎo)體的輻射躍遷是半導(dǎo)體光電半導(dǎo)體的輻射躍遷是半導(dǎo)體光電/ /電光轉(zhuǎn)換的物理基礎(chǔ)。電光轉(zhuǎn)換的物理基礎(chǔ)。 輻射躍遷：由電信號(hào)變換為光信號(hào)的發(fā)光過程；輻射躍遷：由電信號(hào)變換為光信號(hào)的發(fā)光過程； 無輻射躍遷：俄歇（無輻射躍遷：俄歇（Auger）復(fù)合、表面復(fù)合等；）復(fù)合、表面復(fù)合等； 影響半導(dǎo)體的發(fā)光效率影響半導(dǎo)體的發(fā)光效率 ！ 一一、光輻射與光、光輻射與光 光輻射是電磁輻射，具有波粒二象性光輻射是電磁輻射，具有波粒二象性波動(dòng)性和粒子性：波動(dòng)性和粒子性： 光的波動(dòng)性：光的波動(dòng)性：可以解釋反射、折射、衍射和偏振等現(xiàn)象。可以解釋反射、折射、衍射和偏振等現(xiàn)象。 光的粒子性：光的粒子性：可解釋

6、吸收、發(fā)射和光電效應(yīng)等現(xiàn)象。光電子可解釋吸收、發(fā)射和光電效應(yīng)等現(xiàn)象。光電子 器件實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，主要涉及光輻射和半導(dǎo)體的相互作用；器件實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，主要涉及光輻射和半導(dǎo)體的相互作用； 顯示技術(shù)中主要考慮光的粒子性。顯示技術(shù)中主要考慮光的粒子性。 p可見光是波長范圍很窄的一部分光輻可見光是波長范圍很窄的一部分光輻 射，其顏色決定于光的波長。射，其顏色決定于光的波長。 p白光是各種單色光的混合光。光輻射白光是各種單色光的混合光。光輻射 頻段由紫外輻射、可見光和紅外輻射三頻段由紫外輻射、可見光和紅外輻射三 部分組成。部分組成。 p波長小于波長小于390nm是紫外輻射，波長為是紫外輻射，波長為 3907

7、70nm的屬可見光，波長大于的屬可見光，波長大于 770nm的是紅外輻射。的是紅外輻射。 輻射的電磁波譜：輻射的電磁波譜： 根據(jù)光的粒子性：根據(jù)光的粒子性：光與材料發(fā)生作用時(shí)是以不能再細(xì)分光與材料發(fā)生作用時(shí)是以不能再細(xì)分 的微粒即光量子為單位進(jìn)行的的微粒即光量子為單位進(jìn)行的, ,光強(qiáng)度的大小與光子數(shù)成光強(qiáng)度的大小與光子數(shù)成 正比。正比。 單個(gè)光子的能量：?jiǎn)蝹€(gè)光子的能量： E = h 光的波長光的波長 0 0與能量的關(guān)系可以近似地表示為：與能量的關(guān)系可以近似地表示為： E 1.24 0 可見，光子能量越大，波長就越短。可見，光子能量越大，波長就越短。 可見光從紅光到紫光的光子能量范圍是可見光從紅

8、光到紫光的光子能量范圍是1.63.2eV； 通常光輻射的光子能量范圍為通常光輻射的光子能量范圍為1.24 10-31.24 102eV。 同時(shí)光子也具有一定的動(dòng)量同時(shí)光子也具有一定的動(dòng)量 P，即即 2 hk P 式中式中h普朗克常數(shù)；普朗克常數(shù)；k光子的波矢。光子的波矢。 h mcP 此外，當(dāng)光子與其它微觀粒子（如電子）相互作用時(shí)，應(yīng)該此外，當(dāng)光子與其它微觀粒子（如電子）相互作用時(shí)，應(yīng)該 同時(shí)滿足能量守恒定律和動(dòng)量守恒定律，并由此來決定有關(guān)同時(shí)滿足能量守恒定律和動(dòng)量守恒定律，并由此來決定有關(guān) 的電子躍遷過程。的電子躍遷過程。 光子以光速運(yùn)動(dòng)。光子具有一定的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，其大小與光的頻光子以光速運(yùn)動(dòng)

9、。光子具有一定的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，其大小與光的頻 率率 或波長或波長 0 0有關(guān)：有關(guān)： 0 22 c h c hv c E m 二、半導(dǎo)體的輻射躍遷二、半導(dǎo)體的輻射躍遷 輻射躍遷：輻射躍遷：伴隨有發(fā)射光子的電子躍遷。它是與吸收躍遷相反伴隨有發(fā)射光子的電子躍遷。它是與吸收躍遷相反 的過程。的過程。 當(dāng)電子從較高能級(jí)躍遷到較低能級(jí)時(shí)，這兩個(gè)能級(jí)的能量差可當(dāng)電子從較高能級(jí)躍遷到較低能級(jí)時(shí)，這兩個(gè)能級(jí)的能量差可 以由電磁輻射的形式發(fā)射出來。在輻射躍遷中作為初態(tài)的較高以由電磁輻射的形式發(fā)射出來。在輻射躍遷中作為初態(tài)的較高 能級(jí)和作為終態(tài)的較低能級(jí)是各式各樣的，可以是基本能帶能能級(jí)和作為終態(tài)的較低能級(jí)是各式各樣

10、的，可以是基本能帶能 態(tài)，也可以是雜質(zhì)能級(jí)，或者一個(gè)是能帶能態(tài)，另一個(gè)是雜質(zhì)態(tài)，也可以是雜質(zhì)能級(jí)，或者一個(gè)是能帶能態(tài)，另一個(gè)是雜質(zhì) 能級(jí)。能級(jí)。 各種不同的輻射躍遷機(jī)理就是由這些能態(tài)的不同情況決定的。各種不同的輻射躍遷機(jī)理就是由這些能態(tài)的不同情況決定的。 1、本征輻射躍遷、本征輻射躍遷 發(fā)生輻射躍遷的條件：發(fā)生輻射躍遷的條件：系統(tǒng)處于非平衡狀態(tài)。系統(tǒng)處于非平衡狀態(tài)。 若某種產(chǎn)生非平衡載流子的激發(fā)作用于半導(dǎo)體，要首先考慮若某種產(chǎn)生非平衡載流子的激發(fā)作用于半導(dǎo)體，要首先考慮 本征輻射躍遷。本征輻射躍遷。 本征輻射躍遷：本征輻射躍遷：指電子從導(dǎo)帶至價(jià)帶的帶間輻射躍遷。指電子從導(dǎo)帶至價(jià)帶的帶間輻射躍遷

11、。 根據(jù)半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的不根據(jù)半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的不 同，本征輻射躍遷分為直同，本征輻射躍遷分為直 接躍遷和間接躍遷兩種。接躍遷和間接躍遷兩種。 1 1、直接輻射躍遷：、直接輻射躍遷： 由于直接帶隙半導(dǎo)體的吸由于直接帶隙半導(dǎo)體的吸 收系數(shù)較大，與之成正比收系數(shù)較大，與之成正比 的輻射強(qiáng)度也較強(qiáng)。從而，的輻射強(qiáng)度也較強(qiáng)。從而， 很多發(fā)光器件是采用直接很多發(fā)光器件是采用直接 帶隙半導(dǎo)體制造的。帶隙半導(dǎo)體制造的。 2、間接輻射躍遷、間接輻射躍遷 在間接帶隙半導(dǎo)體中在間接帶隙半導(dǎo)體中,可發(fā)可發(fā) 生從導(dǎo)帶所有被占態(tài)至價(jià)帶生從導(dǎo)帶所有被占態(tài)至價(jià)帶 空態(tài)的輻射躍遷。但為了滿空態(tài)的輻射躍遷。但為了滿 足動(dòng)量守恒，

12、必須涉及中間足動(dòng)量守恒，必須涉及中間 過程。可能性最大的滿足動(dòng)過程。可能性最大的滿足動(dòng) 量守恒的中間過程是發(fā)射聲量守恒的中間過程是發(fā)射聲 子（或吸收聲子）子（或吸收聲子）間接間接 輻射躍遷。輻射躍遷。 間接躍遷的發(fā)射光譜特點(diǎn)為間接帶隙半導(dǎo)體的吸收系間接躍遷的發(fā)射光譜特點(diǎn)為間接帶隙半導(dǎo)體的吸收系 數(shù)大體上與數(shù)大體上與( (h h -E-Eg g) )2 2成正比。成正比。 直接躍遷與間接躍遷的區(qū)別：直接躍遷與間接躍遷的區(qū)別： 在能量超過輻射閥值時(shí)兩者的增在能量超過輻射閥值時(shí)兩者的增 長速率不同（間接躍遷較快長速率不同（間接躍遷較快, ,如如 圖），但由于間接躍遷幾率要比圖），但由于間接躍遷幾率要

13、比 直接躍遷幾率小的多，所以間接直接躍遷幾率小的多，所以間接 躍遷的輻射強(qiáng)度要比直接躍遷要躍遷的輻射強(qiáng)度要比直接躍遷要 弱的多。弱的多。 自吸收（或再吸收）：自吸收（或再吸收）： 半導(dǎo)體對(duì)于自己本征輻射的吸收作用。半導(dǎo)體對(duì)于自己本征輻射的吸收作用。 自吸收會(huì)影響出射的光譜形狀。在間接帶隙半導(dǎo)體中，存自吸收會(huì)影響出射的光譜形狀。在間接帶隙半導(dǎo)體中，存 在直接本征輻射的自吸收過程。在直接本征輻射的自吸收過程。 在理論上，考慮到自吸收或再吸收，通常要將本征輻射區(qū)在理論上，考慮到自吸收或再吸收，通常要將本征輻射區(qū) 輻射強(qiáng)度與波長的關(guān)系做一定的修正。輻射強(qiáng)度與波長的關(guān)系做一定的修正。 例：鍺的出射本征復(fù)

14、合發(fā)射光譜（厚例：鍺的出射本征復(fù)合發(fā)射光譜（厚 度為度為1.3 10-3cm 的樣品）：的樣品）： 曲線曲線1是出射光譜的實(shí)驗(yàn)曲線，在是出射光譜的實(shí)驗(yàn)曲線，在 =1.75 m處出現(xiàn)一個(gè)輻射峰。該峰處出現(xiàn)一個(gè)輻射峰。該峰 決定于由導(dǎo)帶決定于由導(dǎo)帶L能谷至價(jià)帶頂?shù)拈g接能谷至價(jià)帶頂?shù)拈g接 輻射躍遷。輻射躍遷。 該曲線與理論曲線不完全符合！該曲線與理論曲線不完全符合！ 理論計(jì)算得到的發(fā)射光譜曲線，除理論計(jì)算得到的發(fā)射光譜曲線，除 了波峰外，在了波峰外，在 =1. 52 m處還應(yīng)該有處還應(yīng)該有 一個(gè)更強(qiáng)的輻射峰。一個(gè)更強(qiáng)的輻射峰。 對(duì)自吸收進(jìn)行修正后的發(fā)射光譜曲線對(duì)自吸收進(jìn)行修正后的發(fā)射光譜曲線2與理論

15、曲線一致。在與理論曲線一致。在 =1.52 m處的輻射峰可能是由導(dǎo)帶處的輻射峰可能是由導(dǎo)帶T能谷至價(jià)帶頂?shù)闹苯虞椖芄戎羶r(jià)帶頂?shù)闹苯虞?射躍遷所引起。射躍遷所引起。 從曲線從曲線1可見，盡管直接躍遷產(chǎn)生的較高能量的光子被強(qiáng)烈可見，盡管直接躍遷產(chǎn)生的較高能量的光子被強(qiáng)烈 地自吸收，但在樣品很薄時(shí)，還是可以檢測(cè)到一部分較高能量地自吸收，但在樣品很薄時(shí)，還是可以檢測(cè)到一部分較高能量 的輻射。這是由于直接躍遷幾率比間接躍遷幾率要高的多的原的輻射。這是由于直接躍遷幾率比間接躍遷幾率要高的多的原 因。因。 2.激子輻射復(fù)合激子輻射復(fù)合 （1）自由激子）自由激子 自由激子：自由激子：如果激子可以在晶體中運(yùn)動(dòng)而

16、不形成電流的激子。如果激子可以在晶體中運(yùn)動(dòng)而不形成電流的激子。 如果半導(dǎo)體受到外加激發(fā)時(shí)形成自由激子，而材料又足夠純?nèi)绻雽?dǎo)體受到外加激發(fā)時(shí)形成自由激子，而材料又足夠純 凈，則在低溫時(shí)這些自由激子可以以一定的壽命存在，在激凈，則在低溫時(shí)這些自由激子可以以一定的壽命存在，在激 子湮沒子湮沒(即復(fù)合而消失即復(fù)合而消失)時(shí)，其能量可以轉(zhuǎn)化為光能即發(fā)射光子。時(shí)，其能量可以轉(zhuǎn)化為光能即發(fā)射光子。 這時(shí)在發(fā)射光譜這時(shí)在發(fā)射光譜(h Eg處處)上可以見到窄的輻射譜線。這就上可以見到窄的輻射譜線。這就 是激子輻射復(fù)合。是激子輻射復(fù)合。 激子激子在光子的作用下，價(jià)帶的電子受到激發(fā)但在光子的作用下，價(jià)帶的電子受到

17、激發(fā)但 尚不能進(jìn)入導(dǎo)帶成為自由電子，即仍然受到空穴尚不能進(jìn)入導(dǎo)帶成為自由電子，即仍然受到空穴 庫侖場(chǎng)的作用，形成相互束縛的受激電子庫侖場(chǎng)的作用，形成相互束縛的受激電子空穴空穴 對(duì)，對(duì)外呈中性，這種彼此相互束縛的受激電子對(duì)，對(duì)外呈中性，這種彼此相互束縛的受激電子 和空穴組成的系統(tǒng)稱為激子。和空穴組成的系統(tǒng)稱為激子。 在直接帶隙半導(dǎo)體中：在直接帶隙半導(dǎo)體中： 自由激子復(fù)合自由激子復(fù)合通過直接輻射躍遷所發(fā)射光子的能量為通過直接輻射躍遷所發(fā)射光子的能量為 h =Eg-Ex 式中式中Ex 自由激子的束縛能或離解能。激子受激狀態(tài)的離解能自由激子的束縛能或離解能。激子受激狀態(tài)的離解能 為為n=1的激子基態(tài)離

18、解的的激子基態(tài)離解的1/n2。在。在n= 時(shí)離解能為零。使得自由時(shí)離解能為零。使得自由 激子復(fù)合所產(chǎn)生的光輻射可以由一系列窄譜組成。隨激子復(fù)合所產(chǎn)生的光輻射可以由一系列窄譜組成。隨n的增加，的增加， 輻射譜線迅速減弱，同時(shí)當(dāng)存在別的輻射過程時(shí)難以分辨出這輻射譜線迅速減弱，同時(shí)當(dāng)存在別的輻射過程時(shí)難以分辨出這 些些n大的激子輻射（如低溫時(shí)在高純的砷化鉀光致發(fā)光光譜上大的激子輻射（如低溫時(shí)在高純的砷化鉀光致發(fā)光光譜上 僅識(shí)別到了僅識(shí)別到了 n=1和和n=2的自由激子復(fù)合耦合輻射譜線）。的自由激子復(fù)合耦合輻射譜線）。 在間接帶隙半導(dǎo)體中：在間接帶隙半導(dǎo)體中： 動(dòng)量守恒要求激子復(fù)合躍遷必須附帶發(fā)射聲子

19、。這動(dòng)量守恒要求激子復(fù)合躍遷必須附帶發(fā)射聲子。這 時(shí)所發(fā)射光子的能量應(yīng)為時(shí)所發(fā)射光子的能量應(yīng)為 h =Eg-Ex-Ep 使得在間接帶隙半導(dǎo)體的激子復(fù)合發(fā)射光譜中觀測(cè)使得在間接帶隙半導(dǎo)體的激子復(fù)合發(fā)射光譜中觀測(cè) 不到無聲子譜線。不到無聲子譜線。 附帶發(fā)射聲子的間接躍遷不僅發(fā)生于間接帶隙半導(dǎo)體的自附帶發(fā)射聲子的間接躍遷不僅發(fā)生于間接帶隙半導(dǎo)體的自 由激子復(fù)合中，而且也常常發(fā)生在大多數(shù)直接帶隙半導(dǎo)體的由激子復(fù)合中，而且也常常發(fā)生在大多數(shù)直接帶隙半導(dǎo)體的 自由激子復(fù)合中。自由激子復(fù)合中。 間接躍遷中激子的熱動(dòng)量交給聲子。在這樣的間接躍遷中間接躍遷中激子的熱動(dòng)量交給聲子。在這樣的間接躍遷中 可以發(fā)射一個(gè)

20、或多個(gè)聲子。可以發(fā)射一個(gè)或多個(gè)聲子。 (2) 束縛激子束縛激子 如果激子局限于某個(gè)中心附近，則稱為束縛激子。如果激子局限于某個(gè)中心附近，則稱為束縛激子。半導(dǎo)體中存在雜半導(dǎo)體中存在雜 質(zhì)時(shí)，可以形成質(zhì)時(shí)，可以形成束縛束縛激子。激子。 構(gòu)成這種激子的電子和空穴局限于雜質(zhì)中心附近，而不能在晶體中構(gòu)成這種激子的電子和空穴局限于雜質(zhì)中心附近，而不能在晶體中 自由運(yùn)動(dòng)。自由運(yùn)動(dòng)。 受到電離施主或受主束縛的激子可以為由空穴與中性施主或電子與受到電離施主或受主束縛的激子可以為由空穴與中性施主或電子與 中性受主形成。如果在雜質(zhì)中心同時(shí)合并電子和空穴，則形成束縛中性受主形成。如果在雜質(zhì)中心同時(shí)合并電子和空穴，則形

21、成束縛 于中性施主或受主的激子。于中性施主或受主的激子。 譜線特點(diǎn)：譜線特點(diǎn)： 1、束縛激子進(jìn)行輻射復(fù)合時(shí)束縛激子進(jìn)行輻射復(fù)合時(shí),可以產(chǎn)生相應(yīng)的輻射譜線。由于束縛可以產(chǎn)生相應(yīng)的輻射譜線。由于束縛 激子不能在晶體中運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)能接近于零，因此，一般束縛激子的激子不能在晶體中運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)能接近于零，因此，一般束縛激子的 輻射譜線比自由激子的要窄得多（如，在輻射譜線比自由激子的要窄得多（如，在GaAs中束縛于淺雜質(zhì)的激中束縛于淺雜質(zhì)的激 子譜線寬度約子譜線寬度約0.1meV，而自由激子的約，而自由激子的約1meV）。）。 2、與自由激子不同，束縛激子輻射譜線寬度不隨溫度變化。與自由激子不同，束縛激子輻射

22、譜線寬度不隨溫度變化。 3、束縛激子的基態(tài)能級(jí)位于自由激子基態(tài)能級(jí)之下，因而，束縛激子的基態(tài)能級(jí)位于自由激子基態(tài)能級(jí)之下，因而，在其他在其他 條件相同的情況下，束縛激子的輻射譜線相對(duì)于自由激子譜線向波條件相同的情況下，束縛激子的輻射譜線相對(duì)于自由激子譜線向波 長較長的方向移動(dòng)。長較長的方向移動(dòng)。 3.能帶與雜質(zhì)能級(jí)之間的輻射躍遷能帶與雜質(zhì)能級(jí)之間的輻射躍遷 (1) 淺躍遷淺躍遷 電子從導(dǎo)帶至電離的淺施主或從電離的電子從導(dǎo)帶至電離的淺施主或從電離的 淺受主至價(jià)帶的輻射躍遷。淺受主至價(jià)帶的輻射躍遷。 由雜質(zhì)電離能決定的發(fā)射光子的波長位由雜質(zhì)電離能決定的發(fā)射光子的波長位 于遠(yuǎn)紅外區(qū)于遠(yuǎn)紅外區(qū). 實(shí)際

23、觀測(cè)到如鍺與淺雜質(zhì)態(tài)有關(guān)的輻射復(fù)合的輻射功率很小實(shí)際觀測(cè)到如鍺與淺雜質(zhì)態(tài)有關(guān)的輻射復(fù)合的輻射功率很小 (3 10-12W)，表明躍遷中除輻射躍遷外，還可能有發(fā)射聲子的無，表明躍遷中除輻射躍遷外，還可能有發(fā)射聲子的無 輻射躍遷。輻射躍遷。 計(jì)算表明，無輻射躍遷幾率要比輻射躍遷幾率大的多，它可以計(jì)算表明，無輻射躍遷幾率要比輻射躍遷幾率大的多，它可以 成為淺躍遷的主要機(jī)理。成為淺躍遷的主要機(jī)理。 結(jié)果：結(jié)果：復(fù)合時(shí)只有極小部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽堋?fù)合時(shí)只有極小部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽堋?機(jī)理：機(jī)理：在無輻射躍遷過程中在無輻射躍遷過程中(以施主雜質(zhì)為例以施主雜質(zhì)為例)，首先導(dǎo)帶的電子，首先導(dǎo)帶的電子 被俘獲于施

24、主中心較高的受激態(tài)，然后在逐步躍遷到較低的能態(tài)，被俘獲于施主中心較高的受激態(tài)，然后在逐步躍遷到較低的能態(tài)， 再向下每一步躍遷的同時(shí)發(fā)射聲子。再向下每一步躍遷的同時(shí)發(fā)射聲子。 (2) 深躍遷深躍遷 深躍遷指的是導(dǎo)帶向受主能級(jí)或深躍遷指的是導(dǎo)帶向受主能級(jí)或 者從施主能級(jí)向價(jià)帶的躍遷。者從施主能級(jí)向價(jià)帶的躍遷。 與導(dǎo)帶至價(jià)帶的本征躍遷相比，與導(dǎo)帶至價(jià)帶的本征躍遷相比， 深躍遷的幾率要低的多。深躍遷的幾率要低的多。 大多數(shù)直接帶隙半導(dǎo)體的電子有效質(zhì)量比空穴有效質(zhì)量小大多數(shù)直接帶隙半導(dǎo)體的電子有效質(zhì)量比空穴有效質(zhì)量小 得多，因此，施主電離能小于受主電離能：得多，因此，施主電離能小于受主電離能：可以通過可

25、以通過 發(fā)射光譜上輻射峰的位置來區(qū)分兩種深躍遷發(fā)射光譜上輻射峰的位置來區(qū)分兩種深躍遷: 從從導(dǎo)帶至受主能級(jí)的輻射躍遷導(dǎo)帶至受主能級(jí)的輻射躍遷，產(chǎn)生能量較低的輻射峰，產(chǎn)生能量較低的輻射峰; 從從施主能級(jí)至價(jià)帶的輻射躍遷施主能級(jí)至價(jià)帶的輻射躍遷，產(chǎn)生能量較高的輻射峰。，產(chǎn)生能量較高的輻射峰。 4. 施主與受主間的輻射躍遷施主與受主間的輻射躍遷 若在半導(dǎo)體中既存在施主雜質(zhì)又存在受主雜質(zhì)，就有可能發(fā)若在半導(dǎo)體中既存在施主雜質(zhì)又存在受主雜質(zhì)，就有可能發(fā) 生施主與受主之間的輻射躍遷生施主與受主之間的輻射躍遷被施主束縛的電子和被受被施主束縛的電子和被受 主束縛的空穴相結(jié)合，同時(shí)發(fā)射出能量低于半導(dǎo)體禁帶寬度主

26、束縛的空穴相結(jié)合，同時(shí)發(fā)射出能量低于半導(dǎo)體禁帶寬度 的光子。這是一種重要的半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)制。尤其是對(duì)于間接的光子。這是一種重要的半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)制。尤其是對(duì)于間接 帶隙半導(dǎo)體來說，因?yàn)橹荒芾门c雜質(zhì)有關(guān)的發(fā)光機(jī)制，其帶隙半導(dǎo)體來說，因?yàn)橹荒芾门c雜質(zhì)有關(guān)的發(fā)光機(jī)制，其 中包括施主與受主間的躍遷輻射。目前有的二極管中包括施主與受主間的躍遷輻射。目前有的二極管(例如例如GaP 發(fā)光二極管發(fā)光二極管)只是利用了這種輻射躍遷來發(fā)光。只是利用了這種輻射躍遷來發(fā)光。 由于這種輻射復(fù)合是以由于這種輻射復(fù)合是以 同時(shí)存在施主和受主雜同時(shí)存在施主和受主雜 質(zhì)為必要條件，而具體質(zhì)為必要條件，而具體 的復(fù)合過程是在成對(duì)的

27、的復(fù)合過程是在成對(duì)的 施主與受主之間發(fā)生的，施主與受主之間發(fā)生的， 所以常稱為所以常稱為施主施主受主受主 對(duì)輻射復(fù)合對(duì)輻射復(fù)合。 施主施主受主對(duì)輻射機(jī)理具有三個(gè)重要特征受主對(duì)輻射機(jī)理具有三個(gè)重要特征: q一是如果施主或受主能級(jí)不深，這種輻射躍遷可以在施主與一是如果施主或受主能級(jí)不深，這種輻射躍遷可以在施主與 受主間距離范圍很寬的對(duì)中發(fā)生；受主間距離范圍很寬的對(duì)中發(fā)生； q二是復(fù)合時(shí)所發(fā)射的光子能量為施主二是復(fù)合時(shí)所發(fā)射的光子能量為施主-受主對(duì)與距離受主對(duì)與距離r的函數(shù)的函數(shù) (h =E(r)，且隨距離的減小而增加；，且隨距離的減小而增加； q三是輻射躍遷的幾率三是輻射躍遷的幾率W(r)隨距離的

28、增加而降低。隨距離的增加而降低。 這些特征導(dǎo)致在發(fā)射光譜上表現(xiàn)出特有的光譜結(jié)構(gòu)特性：這些特征導(dǎo)致在發(fā)射光譜上表現(xiàn)出特有的光譜結(jié)構(gòu)特性： 1、在發(fā)射光譜上可以同時(shí)觀測(cè)到尖細(xì)的分離譜線和寬的輻射、在發(fā)射光譜上可以同時(shí)觀測(cè)到尖細(xì)的分離譜線和寬的輻射 帶，當(dāng)激發(fā)停止后，發(fā)光衰減時(shí)，輻射帶的峰隨時(shí)間而移向較帶，當(dāng)激發(fā)停止后，發(fā)光衰減時(shí)，輻射帶的峰隨時(shí)間而移向較 低的能量值。低的能量值。 2、連續(xù)激發(fā)時(shí)，輻射帶的峰隨激發(fā)強(qiáng)度的增加而向較高的能、連續(xù)激發(fā)時(shí)，輻射帶的峰隨激發(fā)強(qiáng)度的增加而向較高的能 量方向移動(dòng)。量方向移動(dòng)。 3、施主、施主受主對(duì)復(fù)合發(fā)射光譜的形態(tài)和輻射帶峰的能量位置受主對(duì)復(fù)合發(fā)射光譜的形態(tài)和輻

29、射帶峰的能量位置 隨溫度而變化。隨溫度而變化。 半導(dǎo)體中，在輻射復(fù)合的同時(shí)也常常發(fā)生無輻射復(fù)合，半導(dǎo)體中，在輻射復(fù)合的同時(shí)也常常發(fā)生無輻射復(fù)合， 并且有些情況下無輻射復(fù)合可以是主要的復(fù)合過程。并且有些情況下無輻射復(fù)合可以是主要的復(fù)合過程。 有時(shí)輻射內(nèi)量子效率可以比有時(shí)輻射內(nèi)量子效率可以比1小得多，甚至小的微不足小得多，甚至小的微不足 道。相應(yīng)的自由載流子壽命也比考慮輻射復(fù)合過程時(shí)要道。相應(yīng)的自由載流子壽命也比考慮輻射復(fù)合過程時(shí)要 低幾個(gè)數(shù)量級(jí)（如，室溫時(shí)理論計(jì)算純鍺的輻射復(fù)合壽低幾個(gè)數(shù)量級(jí)（如，室溫時(shí)理論計(jì)算純鍺的輻射復(fù)合壽 命為命為0.3s，但實(shí)際測(cè)得壽命為毫秒數(shù)量級(jí)，有時(shí)甚至低于，但實(shí)際測(cè)

30、得壽命為毫秒數(shù)量級(jí)，有時(shí)甚至低于 1 s。因而在鍺中存在無輻射復(fù)合過程的可能性比輻射復(fù)。因而在鍺中存在無輻射復(fù)合過程的可能性比輻射復(fù) 合至少要大合至少要大1000倍）。倍）。 在研究半導(dǎo)體中電子和空穴對(duì)的復(fù)合問題時(shí)，不僅在研究半導(dǎo)體中電子和空穴對(duì)的復(fù)合問題時(shí)，不僅 需要考慮輻射復(fù)合，而且需要考慮無輻射復(fù)合。需要考慮輻射復(fù)合，而且需要考慮無輻射復(fù)合。 在復(fù)合機(jī)理研究方面具有重要的在復(fù)合機(jī)理研究方面具有重要的理論意義理論意義，對(duì)提高，對(duì)提高 材料與器件的輻射效率也有一定的材料與器件的輻射效率也有一定的實(shí)際意義實(shí)際意義。 三三. 半導(dǎo)體的無輻射復(fù)合半導(dǎo)體的無輻射復(fù)合 無輻射復(fù)合過程理解是比較困難的：

31、無輻射復(fù)合過程理解是比較困難的： 1、無輻射復(fù)合機(jī)理不清：、無輻射復(fù)合機(jī)理不清：輻射復(fù)合的定義十分清楚，是輻射復(fù)合的定義十分清楚，是 指在躍遷的過程中伴有發(fā)射光子的復(fù)合，其由躍遷過程指在躍遷的過程中伴有發(fā)射光子的復(fù)合，其由躍遷過程 所涉及的初態(tài)決定的機(jī)理也很清楚。但是無輻射復(fù)合卻所涉及的初態(tài)決定的機(jī)理也很清楚。但是無輻射復(fù)合卻 只是比較含糊地指某種不發(fā)射光子的復(fù)合過程，至于復(fù)只是比較含糊地指某種不發(fā)射光子的復(fù)合過程，至于復(fù) 合的機(jī)理以及能量什么方式釋放，則比較復(fù)雜。合的機(jī)理以及能量什么方式釋放，則比較復(fù)雜。 2、無輻射復(fù)合的過程研究比較困難：無輻射復(fù)合的過程研究比較困難：如果說每一種輻射如果說

32、每一種輻射 躍遷機(jī)理為發(fā)射光的性質(zhì)帶來一定的特征，從而可以進(jìn)躍遷機(jī)理為發(fā)射光的性質(zhì)帶來一定的特征，從而可以進(jìn) 行觀測(cè)的話，對(duì)于無輻射，則幾乎沒有直接的特征可以行觀測(cè)的話，對(duì)于無輻射，則幾乎沒有直接的特征可以 觀測(cè)，往往只能根據(jù)一些間接的數(shù)據(jù)觀測(cè)，往往只能根據(jù)一些間接的數(shù)據(jù)(例如例如,輻射效率的降輻射效率的降 低低.載流子壽命的縮短以及復(fù)合過程受溫度或載流子濃度載流子壽命的縮短以及復(fù)合過程受溫度或載流子濃度 的影響等的影響等)來分析。來分析。 半導(dǎo)體無輻射復(fù)合過程的分類：半導(dǎo)體無輻射復(fù)合過程的分類： 1. 俄歇復(fù)合俄歇復(fù)合（也稱為碰撞復(fù)合、俄歇效應(yīng)或俄歇過程）（也稱為碰撞復(fù)合、俄歇效應(yīng)或俄歇過程

33、）: 俄歇復(fù)合是由三個(gè)載流子俄歇復(fù)合是由三個(gè)載流子(如兩個(gè)電子和一個(gè)空穴或兩個(gè)空如兩個(gè)電子和一個(gè)空穴或兩個(gè)空 穴和一個(gè)電子穴和一個(gè)電子)的相互作用（即發(fā)生碰撞）所引起。的相互作用（即發(fā)生碰撞）所引起。 一個(gè)電子和一個(gè)空穴相復(fù)合時(shí)，所釋放出的能量及動(dòng)量交一個(gè)電子和一個(gè)空穴相復(fù)合時(shí)，所釋放出的能量及動(dòng)量交 給第三個(gè)載流子，它可以通過發(fā)射聲子將此能量耗散，或者給第三個(gè)載流子，它可以通過發(fā)射聲子將此能量耗散，或者 引起其他的效應(yīng)（與碰撞復(fù)合相反的過程是碰撞電離，具有引起其他的效應(yīng)（與碰撞復(fù)合相反的過程是碰撞電離，具有 足夠動(dòng)能的電子或空穴會(huì)產(chǎn)生新的電子足夠動(dòng)能的電子或空穴會(huì)產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)或使雜質(zhì)電

34、空穴對(duì)或使雜質(zhì)電 離）。離）。 1、俄歇復(fù)合、俄歇復(fù)合(即碰撞復(fù)合即碰撞復(fù)合); 2、表面復(fù)合、表面復(fù)合(廣義表面廣義表面)：包括晶體內(nèi)部缺陷或摻雜物的微觀：包括晶體內(nèi)部缺陷或摻雜物的微觀 內(nèi)部表面內(nèi)部表面; 3、多聲子復(fù)合、多聲子復(fù)合: 等等 2. 表面復(fù)合表面復(fù)合 q通常晶體表面層的光致發(fā)光效率比晶體深處要低得多，這通常晶體表面層的光致發(fā)光效率比晶體深處要低得多，這 是由表面上特有的無輻射復(fù)合作用是由表面上特有的無輻射復(fù)合作用表面復(fù)合所引起的。表面復(fù)合所引起的。 q實(shí)際晶體的表面遠(yuǎn)不是理想的，他們會(huì)有凸點(diǎn)、凹點(diǎn)、吸實(shí)際晶體的表面遠(yuǎn)不是理想的，他們會(huì)有凸點(diǎn)、凹點(diǎn)、吸 附原子和未填滿原子的晶格

35、結(jié)點(diǎn)等。有時(shí)半導(dǎo)體表面還覆蓋附原子和未填滿原子的晶格結(jié)點(diǎn)等。有時(shí)半導(dǎo)體表面還覆蓋 一薄層氧化膜，這些情況又會(huì)引起上述以外的表面態(tài)。一薄層氧化膜，這些情況又會(huì)引起上述以外的表面態(tài)。 q可設(shè)想有兩種表面態(tài)：一種是僅僅由理想表面引起的，另可設(shè)想有兩種表面態(tài)：一種是僅僅由理想表面引起的，另 一種是由實(shí)際表面的缺陷、雜質(zhì)等引起的。一般認(rèn)為，表面一種是由實(shí)際表面的缺陷、雜質(zhì)等引起的。一般認(rèn)為，表面 態(tài)位于禁帶之中，態(tài)位于禁帶之中， q大量存在的表面態(tài)具有俘獲載流子的本領(lǐng)，但并不是所有大量存在的表面態(tài)具有俘獲載流子的本領(lǐng)，但并不是所有 的表面態(tài)都是俘獲中心，而只有在一定的條件下才能表現(xiàn)未的表面態(tài)都是俘獲中心

36、，而只有在一定的條件下才能表現(xiàn)未 俘獲中心。俘獲中心。 q對(duì)于表面態(tài)表現(xiàn)為復(fù)合中心的條件和機(jī)理目前還不清楚！對(duì)于表面態(tài)表現(xiàn)為復(fù)合中心的條件和機(jī)理目前還不清楚！ 3. 缺陷或摻雜物的復(fù)合缺陷或摻雜物的復(fù)合 實(shí)際半導(dǎo)體內(nèi)含有局部缺陷及微小摻雜物實(shí)際半導(dǎo)體內(nèi)含有局部缺陷及微小摻雜物; 局部缺陷及微小摻雜物可以像微觀內(nèi)部表面或金局部缺陷及微小摻雜物可以像微觀內(nèi)部表面或金 屬摻雜物那樣建立起連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)的能級(jí)譜；屬摻雜物那樣建立起連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)的能級(jí)譜； 這些連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)的能級(jí)譜則可能發(fā)生與表面復(fù)這些連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)的能級(jí)譜則可能發(fā)生與表面復(fù) 合相類似的內(nèi)表面復(fù)合過程。合相類似的內(nèi)表面復(fù)合過程。 4. 多聲子

37、復(fù)合多聲子復(fù)合 多聲子復(fù)合多聲子復(fù)合無輻射復(fù)合可以通過發(fā)射聲子來實(shí)現(xiàn)，無輻射復(fù)合可以通過發(fā)射聲子來實(shí)現(xiàn)， 這時(shí)受激電子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝?dòng)的能量，但需要以這時(shí)受激電子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝?dòng)的能量，但需要以 較高的幾率發(fā)射一定數(shù)目的聲子，這種無輻射復(fù)合過程較高的幾率發(fā)射一定數(shù)目的聲子，這種無輻射復(fù)合過程 稱為多聲子復(fù)合；稱為多聲子復(fù)合； 機(jī)理機(jī)理對(duì)于電子從導(dǎo)帶躍遷到價(jià)帶和空穴相復(fù)合的情對(duì)于電子從導(dǎo)帶躍遷到價(jià)帶和空穴相復(fù)合的情 況，如果假設(shè)禁帶中不存在把導(dǎo)帶和價(jià)帶相搭接的連接況，如果假設(shè)禁帶中不存在把導(dǎo)帶和價(jià)帶相搭接的連接 狀態(tài)分布，則發(fā)射多聲子的復(fù)合躍遷幾率應(yīng)該是很低的。狀態(tài)分布，則發(fā)射多聲子的復(fù)

38、合躍遷幾率應(yīng)該是很低的。 由于一次發(fā)射多個(gè)聲子的幾率很低，有人提出通過一連由于一次發(fā)射多個(gè)聲子的幾率很低，有人提出通過一連 串逐次單聲子發(fā)射來實(shí)現(xiàn)這種無輻射復(fù)合的可能性要大串逐次單聲子發(fā)射來實(shí)現(xiàn)這種無輻射復(fù)合的可能性要大 些。些。 逐級(jí)過程要求復(fù)合中心局有以適當(dāng)間隔分布的足夠數(shù)量逐級(jí)過程要求復(fù)合中心局有以適當(dāng)間隔分布的足夠數(shù)量 的激發(fā)能級(jí)。的激發(fā)能級(jí)。 超過發(fā)光體所處溫度下熱輻射的輻射超過發(fā)光體所處溫度下熱輻射的輻射,并且這種輻射具有超過并且這種輻射具有超過 光振動(dòng)周期的持續(xù)時(shí)間（魏德曼光振動(dòng)周期的持續(xù)時(shí)間（魏德曼-瓦維洛夫發(fā)光定義！）。瓦維洛夫發(fā)光定義！）。 激激 發(fā)發(fā) 方方 法法 (1)光

39、致發(fā)光光致發(fā)光 受入射光的激發(fā)受入射光的激發(fā) (2)化學(xué)發(fā)光化學(xué)發(fā)光 由化學(xué)反應(yīng)引起由化學(xué)反應(yīng)引起 (3)摩擦發(fā)光摩擦發(fā)光 由機(jī)械作用引起由機(jī)械作用引起 (4)陰極射線致發(fā)光陰極射線致發(fā)光 由陰極射線作用引起由陰極射線作用引起 (5)電致發(fā)光電致發(fā)光 在電場(chǎng)直接作用下在電場(chǎng)直接作用下 1. 發(fā)光分類發(fā)光分類 (1)熒光熒光 持續(xù)時(shí)間持續(xù)時(shí)間10-8s 持持 續(xù)續(xù) 時(shí)時(shí) 間間 四、四、 電致發(fā)光電致發(fā)光 2. 電致發(fā)光的特點(diǎn)電致發(fā)光的特點(diǎn) 電致發(fā)光的兩種基本形式電致發(fā)光的兩種基本形式: 一、由于載流子注入晶體中及隨后的復(fù)合所引起一、由于載流子注入晶體中及隨后的復(fù)合所引起; 二、由于粉末材料在強(qiáng)電

40、場(chǎng)作用下通過碰撞電離激發(fā)而產(chǎn)生。二、由于粉末材料在強(qiáng)電場(chǎng)作用下通過碰撞電離激發(fā)而產(chǎn)生。 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 1、直接將電能轉(zhuǎn)換為光能，這是一種最直接的光激發(fā)方法，、直接將電能轉(zhuǎn)換為光能，這是一種最直接的光激發(fā)方法， 也是電致發(fā)光的最根本的特點(diǎn)；也是電致發(fā)光的最根本的特點(diǎn)； 2、發(fā)光體屬于整個(gè)電路的一部分，并且有一部分非平衡載流、發(fā)光體屬于整個(gè)電路的一部分，并且有一部分非平衡載流 子可以被電場(chǎng)從發(fā)光體引出到金屬電極或別的非發(fā)光材料；子可以被電場(chǎng)從發(fā)光體引出到金屬電極或別的非發(fā)光材料； 3、樣品本身以及樣品上電致發(fā)光存在不均勻性；、樣品本身以及樣品上電致發(fā)光存在不均勻性； 4、非平衡載流子的復(fù)合過程也像

41、激發(fā)過程一樣受到電場(chǎng)控制；、非平衡載流子的復(fù)合過程也像激發(fā)過程一樣受到電場(chǎng)控制； 5、用交變電場(chǎng)激發(fā)電致發(fā)光時(shí)，由于載流子被周期性地引到、用交變電場(chǎng)激發(fā)電致發(fā)光時(shí)，由于載流子被周期性地引到 表面，因此與光致發(fā)光相比較表面陷阱和復(fù)合中心的作用增大，表面，因此與光致發(fā)光相比較表面陷阱和復(fù)合中心的作用增大， 這將影響到發(fā)光效率。這將影響到發(fā)光效率。 3. 電致發(fā)光的機(jī)理電致發(fā)光的機(jī)理 關(guān)鍵：關(guān)鍵：增加晶體中載流子濃度；增加晶體中載流子濃度； 兩種主要方法兩種主要方法: 1、晶體中已經(jīng)存在的自由載流子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下被、晶體中已經(jīng)存在的自由載流子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下被 加速，使這些高速電子進(jìn)行碰撞電離激發(fā)加速

42、，使這些高速電子進(jìn)行碰撞電離激發(fā); 2、電場(chǎng)向固體中已有的載流子提供勢(shì)能，通過改變、電場(chǎng)向固體中已有的載流子提供勢(shì)能，通過改變 它們的空間分布而激發(fā)。它們的空間分布而激發(fā)。 具體：具體： 1、注入式；、注入式； 2、碰撞電離；、碰撞電離； 3、隧道效應(yīng)；、隧道效應(yīng)； (1) 注入式發(fā)光注入式發(fā)光 正向偏置的正向偏置的p-n結(jié)：結(jié)：通過施加正向電壓使得勢(shì)壘高通過施加正向電壓使得勢(shì)壘高 度降低而導(dǎo)致電流通過；度降低而導(dǎo)致電流通過； 異質(zhì)結(jié)：異質(zhì)結(jié)：利用禁帶寬度不同的兩種半導(dǎo)體構(gòu)成；利用禁帶寬度不同的兩種半導(dǎo)體構(gòu)成； 肖特基勢(shì)壘：肖特基勢(shì)壘：與與p-n結(jié)類似結(jié)類似,在正向電壓下產(chǎn)生注在正向電壓下產(chǎn)生

43、注 入式電致發(fā)光；入式電致發(fā)光； 金屬金屬-絕緣層絕緣層-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)（半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)（MIS或或MOS結(jié)）：結(jié)）：在在 金屬與半導(dǎo)體之間加上一層絕緣體金屬與半導(dǎo)體之間加上一層絕緣體(或氧化物或氧化物)。 異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié) 利用禁帶寬度不同利用禁帶寬度不同 的兩種半導(dǎo)體構(gòu)成的兩種半導(dǎo)體構(gòu)成 正向偏置的正向偏置的p-n結(jié)：結(jié)： 通過施加正向電壓使得勢(shì)壘通過施加正向電壓使得勢(shì)壘 高度降低導(dǎo)致電流通過高度降低導(dǎo)致電流通過 肖特基勢(shì)壘肖特基勢(shì)壘 加上正向電壓勢(shì)壘降低加上正向電壓勢(shì)壘降低, 少數(shù)載流子注入少數(shù)載流子注入, 這時(shí)這時(shí) 注入的少數(shù)載流子注入的少數(shù)載流子, 可可 以與半導(dǎo)體的多數(shù)載流以與半導(dǎo)體的多數(shù)載流

44、 子相復(fù)合而發(fā)光。子相復(fù)合而發(fā)光。 金屬金屬-絕緣層絕緣層-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu) 在在(a)中中, 借助于隧道效應(yīng)電借助于隧道效應(yīng)電 子從金屬注入半導(dǎo)體能帶與子從金屬注入半導(dǎo)體能帶與 價(jià)帶的空穴進(jìn)行輻射復(fù)合價(jià)帶的空穴進(jìn)行輻射復(fù)合; 在在(b)中價(jià)帶電子通過隧道中價(jià)帶電子通過隧道 效應(yīng)進(jìn)入金屬而在半導(dǎo)體中效應(yīng)進(jìn)入金屬而在半導(dǎo)體中 留下空穴留下空穴,它可與導(dǎo)帶的電它可與導(dǎo)帶的電 子進(jìn)行輻射復(fù)合子進(jìn)行輻射復(fù)合. (2)(2)碰撞的電離激發(fā)碰撞的電離激發(fā) 在電場(chǎng)作用下，被加速的電子與晶格原子或發(fā)光中心發(fā)生非彈在電場(chǎng)作用下，被加速的電子與晶格原子或發(fā)光中心發(fā)生非彈 性碰撞作用，失去從電場(chǎng)得到的部分能量，

45、并產(chǎn)生新的載流子，性碰撞作用，失去從電場(chǎng)得到的部分能量，并產(chǎn)生新的載流子， 新的載流子又被電場(chǎng)加速，在足夠強(qiáng)的電場(chǎng)下載流子數(shù)目會(huì)雪新的載流子又被電場(chǎng)加速，在足夠強(qiáng)的電場(chǎng)下載流子數(shù)目會(huì)雪 崩般倍速增加，這時(shí)可能會(huì)有一部分電子崩般倍速增加，這時(shí)可能會(huì)有一部分電子-空穴對(duì)復(fù)合，并發(fā)射空穴對(duì)復(fù)合，并發(fā)射 出光子。出光子。 (3)(3)隧道效應(yīng)隧道效應(yīng) 在足夠強(qiáng)的電場(chǎng)作用下，在足夠強(qiáng)的電場(chǎng)作用下， 半導(dǎo)體能帶發(fā)生強(qiáng)烈傾斜，半導(dǎo)體能帶發(fā)生強(qiáng)烈傾斜， 價(jià)電子有一定幾率穿過勢(shì)價(jià)電子有一定幾率穿過勢(shì) 壘進(jìn)入導(dǎo)帶，而同時(shí)保持壘進(jìn)入導(dǎo)帶，而同時(shí)保持 從其它電場(chǎng)得到的勢(shì)能，從其它電場(chǎng)得到的勢(shì)能， 這就是隧道效應(yīng)。這就

46、是隧道效應(yīng)。 3.3 光電顯示材料和器件的基本特性光電顯示材料和器件的基本特性 信息顯示材料是信息技術(shù)的基礎(chǔ)，其功能就是把人信息顯示材料是信息技術(shù)的基礎(chǔ)，其功能就是把人 眼睛看不到的電學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成可見的光學(xué)信號(hào)。眼睛看不到的電學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成可見的光學(xué)信號(hào)。100 多年前德國布朗發(fā)明了陰極射線管多年前德國布朗發(fā)明了陰極射線管(CRT)，從此開，從此開 始了光電顯示時(shí)代。但由于始了光電顯示時(shí)代。但由于CRT是電真空器件，難是電真空器件，難 以向輕便化、高密度化、節(jié)能化發(fā)展，促進(jìn)了平板以向輕便化、高密度化、節(jié)能化發(fā)展，促進(jìn)了平板 顯示顯示(FPD)技術(shù)的發(fā)展。技術(shù)的發(fā)展。 一、顯示材料特性一、顯示材料

47、特性 顯示材料是指把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成可見光信號(hào)的材顯示材料是指把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成可見光信號(hào)的材 料。從材料工作機(jī)理上，可以將信號(hào)顯示材料分為料。從材料工作機(jī)理上，可以將信號(hào)顯示材料分為 發(fā)光顯示材料和受光顯示材料。發(fā)光顯示材料和受光顯示材料。 發(fā)光顯示材料：發(fā)光顯示材料： 是利用光發(fā)射直接進(jìn)行顯示。物質(zhì)發(fā)光過程有激勵(lì)、能量傳是利用光發(fā)射直接進(jìn)行顯示。物質(zhì)發(fā)光過程有激勵(lì)、能量傳 播、發(fā)光三個(gè)過程。播、發(fā)光三個(gè)過程。 激勵(lì)方式主要有電子束激發(fā)、光激發(fā)、電場(chǎng)激發(fā)等。無論采激勵(lì)方式主要有電子束激發(fā)、光激發(fā)、電場(chǎng)激發(fā)等。無論采 用什么方式激發(fā)，發(fā)光顯示材料要輻射可見光。用什么方式激發(fā)，發(fā)光顯示材料要輻射可見光。

48、 發(fā)光材料禁帶寬度發(fā)光材料禁帶寬度Eg應(yīng)滿足應(yīng)滿足Eg h 的可見光。的可見光。 受光顯示材料：受光顯示材料： 是利用電場(chǎng)下材料光學(xué)性能的變化實(shí)現(xiàn)顯示的，通過反射、是利用電場(chǎng)下材料光學(xué)性能的變化實(shí)現(xiàn)顯示的，通過反射、 散射、干涉等現(xiàn)象，對(duì)其它光源所發(fā)出的入射光進(jìn)行控制，散射、干涉等現(xiàn)象，對(duì)其它光源所發(fā)出的入射光進(jìn)行控制， 即通過光交換進(jìn)行顯示。即通過光交換進(jìn)行顯示。 液晶分子具有各向異性的物理性能和分子之間作用力微弱的液晶分子具有各向異性的物理性能和分子之間作用力微弱的 特點(diǎn)，在低電壓和微小功率的推動(dòng)下會(huì)發(fā)生分子取向改變，特點(diǎn)，在低電壓和微小功率的推動(dòng)下會(huì)發(fā)生分子取向改變， 并引起液晶光學(xué)性能

49、的很大變化。因此，液晶的這些特性可并引起液晶光學(xué)性能的很大變化。因此，液晶的這些特性可 應(yīng)用到顯示技術(shù)中。應(yīng)用到顯示技術(shù)中。 二、光電顯示的分類二、光電顯示的分類 分為投影式、直視式、虛擬式。分為投影式、直視式、虛擬式。 投影式：投影式：CRT和和LCD是主流，投影顯示分為前投影和背投影是主流，投影顯示分為前投影和背投影 CRT亮度亮度有限，投影屏幕尺寸不能太大，投影距離有限，投影屏幕尺寸不能太大，投影距離 可調(diào)性差；可調(diào)性差； LCD則克服則克服CRT的不足。的不足。 直視式：顯示的主體，分為直視式：顯示的主體，分為CRT和和FPD顯示顯示 FPD又分為發(fā)光式和受光式。又分為發(fā)光式和受光式。

50、 發(fā)光式美觀、視角大、暗處顯示效果更好，但對(duì)視發(fā)光式美觀、視角大、暗處顯示效果更好，但對(duì)視 角有刺激，不適合長時(shí)間觀看；角有刺激，不適合長時(shí)間觀看； 受光式：被動(dòng)顯示，以液晶顯示為代表，功耗低、受光式：被動(dòng)顯示，以液晶顯示為代表，功耗低、 亮處顯示清楚、對(duì)肉眼無刺激，但視角小、暗處要亮處顯示清楚、對(duì)肉眼無刺激，但視角小、暗處要 求照明求照明 發(fā)展方向：發(fā)展方向：1 1、大屏幕多媒體化；、大屏幕多媒體化；2 2、便攜式多媒體化；、便攜式多媒體化； 三、顯示器件的基本特性三、顯示器件的基本特性 亮度：垂直于光束傳播方向單位面積上的發(fā)光強(qiáng)度；亮度：垂直于光束傳播方向單位面積上的發(fā)光強(qiáng)度； 發(fā)光效率：

51、顯示器件輻射出單位能量發(fā)光效率：顯示器件輻射出單位能量(W)所發(fā)出的光通所發(fā)出的光通 量；量； 對(duì)比度：顯示部分的亮度和非顯示部分的亮度之比；對(duì)比度：顯示部分的亮度和非顯示部分的亮度之比； 分辨率：像元密度和器件包含的像元總數(shù)；分辨率：像元密度和器件包含的像元總數(shù)； 灰度：屏亮度等級(jí)；灰度：屏亮度等級(jí)； 響應(yīng)時(shí)間和余輝時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間表示從施加電壓到顯示響應(yīng)時(shí)間和余輝時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間表示從施加電壓到顯示 圖像所需要的時(shí)間，又稱上升時(shí)間；余輝時(shí)間指當(dāng)切斷圖像所需要的時(shí)間，又稱上升時(shí)間；余輝時(shí)間指當(dāng)切斷 電源后到圖像消失所需要的時(shí)間；電源后到圖像消失所需要的時(shí)間； 壽命和穩(wěn)定性：初始亮度衰減一半所需時(shí)

52、間；壽命和穩(wěn)定性：初始亮度衰減一半所需時(shí)間； 色彩：從三色到全色！色彩：從三色到全色！ 視角：受光被動(dòng)顯示器件中突出！發(fā)光式中沒有問題！視角：受光被動(dòng)顯示器件中突出！發(fā)光式中沒有問題！ 工作電壓和功耗：工作電壓和功耗： 一、電子束顯示器件的基本特性一、電子束顯示器件的基本特性 在電子束激發(fā)下發(fā)光的材料，又稱陰極射線發(fā)光材料，主要在電子束激發(fā)下發(fā)光的材料，又稱陰極射線發(fā)光材料，主要 用于電子束管、熒光顯示屏的制作。用于電子束管、熒光顯示屏的制作。 陰極射線管陰極射線管CRT（Cathode Ray Tube） （1）CRT熒光粉熒光粉 陰極射線發(fā)光材料具有高的發(fā)光效率和各種各樣的發(fā)射光譜，陰極射

53、線發(fā)光材料具有高的發(fā)光效率和各種各樣的發(fā)射光譜， 光譜包括可見光區(qū)、紫外區(qū)和紅外區(qū)。光譜包括可見光區(qū)、紫外區(qū)和紅外區(qū)。 CRT發(fā)光材料的制備工藝可分為原料的制備、提純、配料、發(fā)光材料的制備工藝可分為原料的制備、提純、配料、 灼燒、后處理等幾個(gè)部分。灼燒、后處理等幾個(gè)部分。 原材料要求有較高的純度，即使有害雜質(zhì)的含量極小，也會(huì)原材料要求有較高的純度，即使有害雜質(zhì)的含量極小，也會(huì) 使發(fā)光性能有明顯變化。使發(fā)光性能有明顯變化。 3.4 發(fā)光顯示材料發(fā)光顯示材料 (2) 納米材料納米材料 1）發(fā)光效率）發(fā)光效率 陰極射線發(fā)光的能量效率陰極射線發(fā)光的能量效率 表示為整個(gè)發(fā)光過程各階段表示為整個(gè)發(fā)光過程各

54、階段 過程效率的乘積，即過程效率的乘積，即 =(1- )(h /E)SQ 背散射因子背散射因子 S 由電子由電子 空穴對(duì)到發(fā)光中心的能量轉(zhuǎn)換成的量子效率空穴對(duì)到發(fā)光中心的能量轉(zhuǎn)換成的量子效率 Q 發(fā)光中心內(nèi)部輻射躍遷的量子效率發(fā)光中心內(nèi)部輻射躍遷的量子效率 E值與材料禁帶寬度有關(guān)，一般取禁帶寬度的值與材料禁帶寬度有關(guān)，一般取禁帶寬度的2-3倍。倍。 主要取決于組成發(fā)光粉元素的相對(duì)原子質(zhì)量和材料結(jié)晶主要取決于組成發(fā)光粉元素的相對(duì)原子質(zhì)量和材料結(jié)晶 狀態(tài)。狀態(tài)。 2）發(fā)光粉表面電荷負(fù)載）發(fā)光粉表面電荷負(fù)載 當(dāng)激發(fā)電壓降至當(dāng)激發(fā)電壓降至“死電壓死電壓”以下時(shí)，發(fā)光消失。以下時(shí)，發(fā)光消失。“死電死電

55、壓壓”一般為一般為12kV。因而，。因而，F(xiàn)ED發(fā)光粉的發(fā)光效率更為突發(fā)光粉的發(fā)光效率更為突 出。由于加速電壓低、電子穿透能力強(qiáng)，只有發(fā)光層淺表出。由于加速電壓低、電子穿透能力強(qiáng)，只有發(fā)光層淺表 面被激發(fā)，增加電流密度，導(dǎo)致發(fā)光容易飽和。面被激發(fā)，增加電流密度，導(dǎo)致發(fā)光容易飽和。 3）納米材料）納米材料 納米材料有望解決發(fā)光粉顆納米材料有望解決發(fā)光粉顆 粒尺寸和發(fā)光粉表面層無輻粒尺寸和發(fā)光粉表面層無輻 射中心的問題。射中心的問題。110nm尺寸尺寸 的納米材料就完全滿足的納米材料就完全滿足 HDTV（高清晰度電視）的（高清晰度電視）的 高分辨顯示要求。如高分辨顯示要求。如ZnS:Mn 納米晶粒

56、含有一個(gè)納米晶粒含有一個(gè)Mn電子時(shí)，電子時(shí)， 量子效率最高量子效率最高(25%)，表明，表明 納米材料是有前途的納米材料是有前途的FED和和 HDTV發(fā)光材料。發(fā)光材料。 （3）CRT的工作原理的工作原理 電子射線在真空中加速和聚焦后照射到熒光體上使其發(fā)光，從而電子射線在真空中加速和聚焦后照射到熒光體上使其發(fā)光，從而 顯示圖像的器件。所謂發(fā)光就是將處于低能量狀態(tài)的電子激顯示圖像的器件。所謂發(fā)光就是將處于低能量狀態(tài)的電子激 發(fā)到高能量狀態(tài)，然后被激發(fā)的電子從高能量狀態(tài)返回到低發(fā)到高能量狀態(tài)，然后被激發(fā)的電子從高能量狀態(tài)返回到低 能量狀態(tài)，將這個(gè)能量差以光的形式釋放的現(xiàn)象。能量狀態(tài)，將這個(gè)能量差以

57、光的形式釋放的現(xiàn)象。 2. FED發(fā)光材料發(fā)光材料 FED(場(chǎng)發(fā)光顯示場(chǎng)發(fā)光顯示, Field Emission Display)，為，為真空微電真空微電 子顯示器件，子顯示器件，1986年發(fā)現(xiàn)，作為新一帶薄型電子顯示年發(fā)現(xiàn)，作為新一帶薄型電子顯示 器件很有前途。器件很有前途。 （1）發(fā)光機(jī)理）發(fā)光機(jī)理 與與CRT基本相同，也是電子射線激發(fā)發(fā)光。不同的是基本相同，也是電子射線激發(fā)發(fā)光。不同的是 CRT是將陰極加熱，而是將陰極加熱，而FED不用熱陰極。另外，不用熱陰極。另外，CRT 的每一個(gè)電子射線源都使用一個(gè)熱陰極，而的每一個(gè)電子射線源都使用一個(gè)熱陰極，而FED是把是把 無數(shù)微米尺寸的微小陰極

58、配置在平面上，陰極和陽極無數(shù)微米尺寸的微小陰極配置在平面上，陰極和陽極 間的間隔為間的間隔為200 m至幾毫米左右，從而實(shí)現(xiàn)了平板顯至幾毫米左右，從而實(shí)現(xiàn)了平板顯 示。示。 （2）發(fā)光材料）發(fā)光材料 在在CRT、FED、VFD三種光點(diǎn)顯示中均使用了電子束激發(fā)三種光點(diǎn)顯示中均使用了電子束激發(fā) 的發(fā)光材料，但加速電壓不同。的發(fā)光材料，但加速電壓不同。CRT加速電壓為加速電壓為1530kV， FED為為300V8kV，VFD為為20100V。CRT采用逐點(diǎn)掃描采用逐點(diǎn)掃描 方式，尋址時(shí)間短，約為納秒量級(jí)。而方式，尋址時(shí)間短，約為納秒量級(jí)。而FED采用矩陣逐行采用矩陣逐行 掃描方式，尋址時(shí)間為幾十微秒

59、。因而，掃描方式，尋址時(shí)間為幾十微秒。因而，F(xiàn)ED大電流并長大電流并長 時(shí)間尋址，使發(fā)光粉庫侖負(fù)載很大，時(shí)間尋址，使發(fā)光粉庫侖負(fù)載很大，F(xiàn)ED粉容易發(fā)光飽和粉容易發(fā)光飽和 并老化。并老化。 開發(fā)新型開發(fā)新型FED發(fā)光粉是發(fā)光粉是FED顯示的當(dāng)務(wù)之急：顯示的當(dāng)務(wù)之急：CRT硫化物硫化物 熒光粉；納米碳管結(jié)構(gòu)等。熒光粉；納米碳管結(jié)構(gòu)等。 （3）冷陰極材料）冷陰極材料 CRT和和FED的主要區(qū)別在于陰極結(jié)構(gòu)和材料。前者采用的主要區(qū)別在于陰極結(jié)構(gòu)和材料。前者采用 熱陰極；后者采用平面陣列的微尖陰極熱陰極；后者采用平面陣列的微尖陰極(FEA)。在室溫下，。在室溫下， 可利用微尖形成強(qiáng)電場(chǎng)并發(fā)射電子。因此

60、，要求微尖材料可利用微尖形成強(qiáng)電場(chǎng)并發(fā)射電子。因此，要求微尖材料 功函數(shù)低、穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率高、擊穿電壓高等。主要冷功函數(shù)低、穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率高、擊穿電壓高等。主要冷 陰極微尖材料有金剛石薄膜、硅單晶及金屬鉬等。陰極微尖材料有金剛石薄膜、硅單晶及金屬鉬等。 3. 真空熒光顯示真空熒光顯示(VFD) VFD(Vacuum Fluorescence Display) 是是1967年由伊勢(shì)電子年由伊勢(shì)電子 公司開發(fā)的光電顯示器件，主要作為文字和數(shù)字的顯示器公司開發(fā)的光電顯示器件，主要作為文字和數(shù)字的顯示器 件。件。VFD顯示的電光特性與顯示的電光特性與CRT一樣，為陰極發(fā)光。只是一樣，為陰極發(fā)光。只