1、第八章第八章 發光二極管和半導體發光二極管和半導體激光器激光器1907.Round發現電流通過硅檢波器時有黃光發生發現電流通過硅檢波器時有黃光發生1923.Lossev在碳化硅檢波器中觀察到類似現象在碳化硅檢波器中觀察到類似現象1955.Braunstein首次在三首次在三-五族化合物中觀察到輻射復合五族化合物中觀察到輻射復合1961.Gershenzon觀察到磷化鎵觀察到磷化鎵PN結發光結發光1962年砷化鎵發光二極管和激光器研制成功年砷化鎵發光二極管和激光器研制成功1970年砷化鎵年砷化鎵-鋁鎵砷激光器實現室溫連續鋁鎵砷激光器實現室溫連續8.1 8.1 輻射復合與非輻射輻射復合與非輻射8.

2、1輻射復合和非輻射復合輻射復合和非輻射復合 在復合過程中電子多余的能量可以以輻射的形式（發射光子）釋放出來，在復合過程中電子多余的能量可以以輻射的形式（發射光子）釋放出來，這種復合稱為輻射復合，它是光吸收的逆過程。這種復合稱為輻射復合，它是光吸收的逆過程。 在復合過程中電子的多余能量也可以以其它形式釋放出來，而不發射光在復合過程中電子的多余能量也可以以其它形式釋放出來，而不發射光子，這種復合稱為非輻射復合。子，這種復合稱為非輻射復合。 光電器件利用的是輻射復合過程，非輻射復合過程則是不利的。了解半光電器件利用的是輻射復合過程，非輻射復合過程則是不利的。了解半導導體中輻射復合過程和非輻射復合過程

3、是了解光電器件的工作機制和進行器件體中輻射復合過程和非輻射復合過程是了解光電器件的工作機制和進行器件設計的基礎。設計的基礎。 8.1.1輻射復合輻射復合 1.帶間輻射復合帶間輻射復合 帶間輻射復合是導帶中的電子直接躍遷到價帶與價帶中的空穴復合。發射的光子的能量接近等帶間輻射復合是導帶中的電子直接躍遷到價帶與價帶中的空穴復合。發射的光子的能量接近等于半于半 導體材料的禁帶寬度。導體材料的禁帶寬度。 由于半導體材料能帶結構的不同，帶間輻射復合又可以分為直接輻射復合和間接輻射合兩種由于半導體材料能帶結構的不同，帶間輻射復合又可以分為直接輻射復合和間接輻射合兩種:導帶價帶導帶價帶圖圖8-1 帶間復合：

4、（帶間復合：（a）直接）直接能隙復合（能隙復合（b）間接能隙復合）間接能隙復合8.1.1 輻射復合輻射復合直接輻射復合直接輻射復合對于直接帶隙半導體，導帶極小值和價帶極大值發生在布里淵區同一對于直接帶隙半導體，導帶極小值和價帶極大值發生在布里淵區同一點點如圖如圖8.1a8.1a所示。所示。電子在躍遷過電子在躍遷過程中必須遵守能量守恒和準動量守恒程中必須遵守能量守恒和準動量守恒準動量守恒要求準動量守恒要求 （8-18-1） = =躍遷前電子的波矢量躍遷前電子的波矢量= =躍遷后電子的波矢量躍遷后電子的波矢量 = =躍遷過程中輻射的光子的波矢量躍遷過程中輻射的光子的波矢量 （8-2）(8-2)式說

5、明這種躍遷發生在光子KKK122K1K光子K8.1.1輻射復合輻射復合 （8-2）(8-2)式說明這種躍遷發生在式說明這種躍遷發生在 空間的同一地點，因此也被稱為豎直躍遷。空間的同一地點，因此也被稱為豎直躍遷。 能量守恒要求能量守恒要求 （8-3）式中式中 = 躍遷前電子的能量躍遷前電子的能量 = 躍遷后電子的能量躍遷后電子的能量 = 輻射光子的能量輻射光子的能量12KKkgEEEh122E1Eh8.1.1輻射復合輻射復合間接輻射復合間接輻射復合 在這種半導體中，導帶極小值和價帶極大值不是發生在布里淵區的同一地點，因此這種躍遷是非在這種半導體中，導帶極小值和價帶極大值不是發生在布里淵區的同一地

6、點，因此這種躍遷是非豎直躍遷。準動量守恒要求在躍進過程中必須伴隨聲子的吸收或放出。即豎直躍遷。準動量守恒要求在躍進過程中必須伴隨聲子的吸收或放出。即qKK12qphEEh12gEpph （8-4）為聲子的波矢，正號表示放出聲子，負號表示吸收聲子，相應能量守為聲子的波矢，正號表示放出聲子，負號表示吸收聲子，相應能量守恒的條件為恒的條件為 （8-5）為聲子頻率。為聲子頻率。一般比電子能量小得多，可以略去。一般比電子能量小得多，可以略去。為聲子的能量，為聲子的能量，8.1.1輻射復合輻射復合 2.淺能級和主帶之間的復合淺能級和主帶之間的復合 它可以是淺施主與價帶空穴或淺受主與導帶電子之間的的復合，如

7、圖它可以是淺施主與價帶空穴或淺受主與導帶電子之間的的復合，如圖8-2所示。所示。圖圖8-2 淺能級雜質與主帶的復合淺能級雜質與主帶的復合8.1.1輻射復合輻射復合3.施主施主 受主對（受主對（D-A對）復合對）復合 施主施主 受主對復合是施主俘獲的電子和受主俘獲的空穴之間的復合。在復合過程中發射光受主對復合是施主俘獲的電子和受主俘獲的空穴之間的復合。在復合過程中發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合發光機制，這種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合發光機制，這種復合也稱為復合也稱為D-A對復合。對復合。 D-A對復合模型認為，當施

8、主雜質和受主雜質同時以替位原子進對復合模型認為，當施主雜質和受主雜質同時以替位原子進入晶格格點并形成近鄰時，這些集結成對的施主和受主系統由于距離較近，波函數相互交疊入晶格格點并形成近鄰時，這些集結成對的施主和受主系統由于距離較近，波函數相互交疊使施主和受主各自的定域場消失而形成偶極勢場，從而結合成施主使施主和受主各自的定域場消失而形成偶極勢場，從而結合成施主 受主對聯合發光中心，受主對聯合發光中心，稱為稱為D-A對。對。 D-A對發光中心的能級如圖對發光中心的能級如圖8-3所示。所示。圖圖8-3DA 對復合能級圖對復合能級圖8.1.1輻射復合輻射復合 3.施主受主對復合施主受主對復合 施主俘獲

9、電子，受主俘獲空穴之后都呈電中性狀態。施主上的電子與受主上的空施主俘獲電子，受主俘獲空穴之后都呈電中性狀態。施主上的電子與受主上的空穴復合后，施主再帶正電，受主再帶負電。所以穴復合后，施主再帶正電，受主再帶負電。所以DA對復合過程是中性組態產生對復合過程是中性組態產生電離施主電離施主 受主對的過程，故復合是具有庫侖作用的。躍遷中庫侖作用的強弱取決受主對的過程，故復合是具有庫侖作用的。躍遷中庫侖作用的強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DA對中心。在沒對中心。在沒有聲子參與復合的情況下，發射的光子能量為有聲子參與復合

10、的情況下，發射的光子能量為 rkqEEErhadgAD024 （8-6）8.1輻射復合3.施主受主對復合施主受主對復合 對于對于 材料，不同雜質原子和它們的替位狀態會造成對的電離能不同。例如：材料，不同雜質原子和它們的替位狀態會造成對的電離能不同。例如：氧施主和碳受主雜質替代磷的位置，在溫度為氧施主和碳受主雜質替代磷的位置，在溫度為 時，時， ；而；而氧施主氧施主雜質是磷替位和鋅受主雜質是鎵替位，在溫度為雜質是磷替位和鋅受主雜質是鎵替位，在溫度為 時，時， 。D-A對的發光在室溫下由于與聲子相互作用較強，很難發現對的發光在室溫下由于與聲子相互作用較強，很難發現DA對復合的線光對復合的線光譜。但

11、是，在低溫下可以明顯地觀察到對發射的線光譜系列。這種發光機構已為實譜。但是，在低溫下可以明顯地觀察到對發射的線光譜系列。這種發光機構已為實驗證實并對發光光譜作出了合理的解釋。驗證實并對發光光譜作出了合理的解釋。GaPK6 . 1meVEEda9411.6KmeVEEda6 .9568.1輻射復合輻射復合4.通過深能級的復合通過深能級的復合電子和空穴通過深能級復合時，輻射的光子能量遠小于禁帶寬度，發電子和空穴通過深能級復合時，輻射的光子能量遠小于禁帶寬度，發射光的波長遠離吸收邊。對于窄禁帶材料，要得到可見光是困難的，射光的波長遠離吸收邊。對于窄禁帶材料，要得到可見光是困難的，但對于寬禁帶材料，這

12、類發光還是有實際意義的，例如但對于寬禁帶材料，這類發光還是有實際意義的，例如 中的紅中的紅色發光，便是屬于這類復合。色發光，便是屬于這類復合。深能級雜質除了對輻射復合有影響外，往往是造成非輻射復合的根源，深能級雜質除了對輻射復合有影響外，往往是造成非輻射復合的根源，特別是在直接帶隙材料中更是如此。所以在實際工作中，往往需要盡特別是在直接帶隙材料中更是如此。所以在實際工作中，往往需要盡量減少深能級，以提高發光效率。量減少深能級，以提高發光效率。GaP8.1輻射復合輻射復合5.激子復合激子復合 如果半導體吸收能量小于禁帶寬度的光子，電子被從價帶激發。但由于庫侖作用，如果半導體吸收能量小于禁帶寬度的

13、光子，電子被從價帶激發。但由于庫侖作用，它仍然和價帶中留下的空穴聯系在一起，形成束縛狀態。這種被庫侖能束縛在一它仍然和價帶中留下的空穴聯系在一起，形成束縛狀態。這種被庫侖能束縛在一起的電子起的電子-空穴對就稱為激子。如果激子復合以輻射方式釋放能量，就可以形成發空穴對就稱為激子。如果激子復合以輻射方式釋放能量，就可以形成發光過程。光過程。 自由激子：自由激子： 對于直接帶隙半導體材料，自由激子復合發射光子的能量為對于直接帶隙半導體材料，自由激子復合發射光子的能量為 式中式中 為激子能級。為激子能級。 對于間接帶隙半導體材料，自由激子復合發射光子的能量為對于間接帶隙半導體材料，自由激子復合發射光子

14、的能量為式中式中 表示吸收或放出能量為表示吸收或放出能量為 的的 個聲子。個聲子。nexcgEEh（8-7）nexcEpnexcgNEEEh（8-8） pNEpEN8.1.1輻射復合5.激子復合激子復合束縛激子：束縛激子：若激子對雜質的結合能為若激子對雜質的結合能為 ，則其發射光譜的峰值為，則其發射光譜的峰值為 是材料和束縛激子的中心的電離能是材料和束縛激子的中心的電離能 的函數。近年來，在發光材料的研究中，的函數。近年來，在發光材料的研究中，發發現束縛激子的發光起重要作用，而且有很高的發光效率。如現束縛激子的發光起重要作用，而且有很高的發光效率。如 材料中材料中 對對 產生的束縛激子引起紅色

15、發光。氮等電子陷阱產生的束縛激子引起綠色發光。這兩種產生的束縛激子引起紅色發光。氮等電子陷阱產生的束縛激子引起綠色發光。這兩種發光機制使發光二極管的發光效率大大提高，成為發光二極管的主要發光機制。激子發光機制使發光二極管的發光效率大大提高，成為發光二極管的主要發光機制。激子發光的研究越來越受到人們的重視。發光的研究越來越受到人們的重視。bxEbxnexcgEEEh（8-9） bxEiEGaPOZn8.1.1 輻射復合輻射復合6 6、等電子陷阱復合、等電子陷阱復合 等電子雜質等電子雜質：周期表內與半導體基質原子同族的原子。：周期表內與半導體基質原子同族的原子。等電子陷阱等電子陷阱：由等電子雜質代

16、替晶格基質原子而產生的束縛態。由于等電子雜質與被替位的原子：由等電子雜質代替晶格基質原子而產生的束縛態。由于等電子雜質與被替位的原子 之間的電負性和原子半徑等方面是不同的，因而引起晶格勢場畸變，可以束縛電子或空穴之間的電負性和原子半徑等方面是不同的，因而引起晶格勢場畸變，可以束縛電子或空穴 形成帶電中心，就象在等電子雜質的位置形成陷阱，將電子或空穴陷著，故稱為等電子陷阱。形成帶電中心，就象在等電子雜質的位置形成陷阱，將電子或空穴陷著，故稱為等電子陷阱。 如果等電子雜質的電負性比晶格原子的電負性大，則可以形成電子的束縛態，這樣如果等電子雜質的電負性比晶格原子的電負性大，則可以形成電子的束縛態，這

17、樣的等電子陷阱也可稱為等電子的電子陷阱，這樣的雜質稱為等電子受主的等電子陷阱也可稱為等電子的電子陷阱，這樣的雜質稱為等電子受主( (如氮原子取代中如氮原子取代中GapGap磷原子磷原子) )。 如果等電子雜質的電負性比晶格原子的電負性小，則形成空穴的束縛態，稱為等電子的如果等電子雜質的電負性比晶格原子的電負性小，則形成空穴的束縛態，稱為等電子的空穴陷阱，產生這種束縛態的雜質稱為等電子施主空穴陷阱，產生這種束縛態的雜質稱為等電子施主( (如鉍原子取代如鉍原子取代GapGap中磷中磷原子原子) ) 。 當等電子陷阱俘獲了某一種載流子以后，成為帶電中心，這個帶電中心又由庫侖作用而俘獲當等電子陷阱俘獲

18、了某一種載流子以后，成為帶電中心，這個帶電中心又由庫侖作用而俘獲帶電符號相反的載流子，形成束縛激子。當激子復合時，就能以發射光子的形式釋放能量。帶電符號相反的載流子，形成束縛激子。當激子復合時，就能以發射光子的形式釋放能量。8.1.1輻射復合輻射復合 6.等電子陷阱復合等電子陷阱復合 等電子雜質對電子的束縛是短程力，因此，被束縛的電子定域在雜質等電子雜質對電子的束縛是短程力，因此，被束縛的電子定域在雜質原子附近很窄的范圍內。電子的波函數在位形空間中的定域是很確定原子附近很窄的范圍內。電子的波函數在位形空間中的定域是很確定的。根據海森堡測不準關系，電子波函數在動量空間中會擴展到很寬的。根據海森堡

19、測不準關系，電子波函數在動量空間中會擴展到很寬的范圍，因而被束縛在等電子陷阱的電子在的范圍，因而被束縛在等電子陷阱的電子在 空間中從空間中從 到到X的幾率改的幾率改變，使電子在變，使電子在 點的幾率密度點的幾率密度 提高，如圖提高，如圖8-5所示。氮等電子陷阱所示。氮等電子陷阱的引入，使的引入，使 點出現電子的幾率比間接躍遷的點出現電子的幾率比間接躍遷的 材料提高材料提高3個數量個數量級左右，從而使電子通過等電子陷阱實現躍遷而無需聲子參與，大大級左右，從而使電子通過等電子陷阱實現躍遷而無需聲子參與，大大地提高地提高 的發光效率的發光效率 。k2GaPNGaP :8.1.1輻射復合輻射復合圖圖8

20、-5 8-5 ， 和和的等電子陷阱束縛電子的幾率密度在空間的分布的等電子陷阱束縛電子的幾率密度在空間的分布 Ln|2 （任意單位） 1 6 2 3 4 5 7 0 K 55. 0GaAs NNP:45. 0 NGaP : GaP GaPNGaP:NNPGaAs:45. 055. 0 8.1.2非輻射復合非輻射復合1.多聲子過程多聲子過程非輻射復合非輻射復合 圖圖8-6 多聲子躍遷多聲子躍遷 0125102050100200300400500600光子能量 （meV）8.1.2非輻射復合非輻射復合2.2.俄歇俄歇( (Auger)Auger)過程過程 圖圖8-7俄歇過程俄歇過程（a） （b） （

21、c） N型 8.1.2非輻射復合非輻射復合2.2.俄歇俄歇( (Auger)Auger)過程過程 圖圖8-7俄歇過程俄歇過程（d） （e） （f） P型 8.1.2非輻射復合非輻射復合2.2.俄歇俄歇( (Auger)Auger)過程過程 圖圖8-7俄歇過程俄歇過程 （g） （h） （ i） 雜質帶 激子 電子 激子 空穴 8.1.2非輻射復合非輻射復合3.表面復合表面復合晶體表面處晶格的中斷，產生能從周圍吸附雜質的懸掛鍵。晶體表面處晶格的中斷，產生能從周圍吸附雜質的懸掛鍵。因而能夠產生高濃度的深的和淺的能級，它們可以充當復合中心。因而能夠產生高濃度的深的和淺的能級，它們可以充當復合中心。雖然

22、對這些表面態的均勻分布沒有確定的論據，當假定是均勻分布雖然對這些表面態的均勻分布沒有確定的論據，當假定是均勻分布時，表面態的分布為時，表面態的分布為 ，與實驗的估計良，與實驗的估計良好地一致。好地一致。 14214 10Ns EcmeV8.1 輻射復合與非輻射復合輻射復合與非輻射復合教學要求教學要求掌握輻射復合和非輻射復合的概念和機制。掌握輻射復合和非輻射復合的概念和機制。什么是等電子陷阱復合？為什么等電子陷阱復合能提高半導體材料的發光效率？什么是等電子陷阱復合？為什么等電子陷阱復合能提高半導體材料的發光效率？解釋解釋圖圖8-7 8-7 中各種俄歇過程。中各種俄歇過程。 8.2 8.2 LED

23、LED的基本結構和工作過程的基本結構和工作過程8.2 8.2 LEDLED的基本結構和工作過程的基本結構和工作過程 平面結構鎵砷磷紅光二極管的結構示意圖平面結構鎵砷磷紅光二極管的結構示意圖 圖圖8-9 8-9 磷化鎵發光二極管磷化鎵發光二極管 （a a）磷化鎵發光二極管管芯截面圖磷化鎵發光二極管管芯截面圖 （b b）封裝后的磷化鎵發光二極管封裝后的磷化鎵發光二極管 8.2 8.2 LEDLED的基本結構和工作過程的基本結構和工作過程 PNPN結的電致發光結的電致發光圖圖8-10 8-10 P-NP-N的電致發光結：（的電致發光結：（a a）零偏壓，（零偏壓，（b b）正向偏壓正向偏壓V8.2

24、8.2 LEDLED的基本結構和工作過程的基本結構和工作過程 教學要求教學要求畫出能帶圖說明畫出能帶圖說明LEDLED的發光機制。的發光機制。作業：作業：8-18-1、8-38-3、8-48-4、8-58-5名詞解釋及問題名詞解釋及問題8.3 LED的特性參數的特性參數 8.3.1 V-I特性 發光二極管的電流電壓特性和普通二極管大體一致。發光二極管的開啟電壓很低， 是1.0伏， 、 大約1.5伏。 （紅光）大約1.8伏， （綠光）大約2.0伏。工作電流約為10 。工作電壓和工作電流低，使得可以把它們做的很小，以至于看作點光源，這使得LED極適宜用于光顯示。GaAsxxPGaAs1AsAlGa

25、xx1GaPGaPmA8.3.2 量子效率量子效率 量子效率是發光二極管特性中一個與輻射量有關的量子效率是發光二極管特性中一個與輻射量有關的重要參數。它反映了注入載流子復合產生光量子的重要參數。它反映了注入載流子復合產生光量子的率。量子效率又有內量子效率和外量子效率兩個概率。量子效率又有內量子效率和外量子效率兩個概念念: 外量子效率：單位時間內輸出二極管外的光子數目外量子效率：單位時間內輸出二極管外的光子數目與注入的載流子數目之比。與注入的載流子數目之比。 內量子效率：單位時間內半導體的輻射復合產生的內量子效率：單位時間內半導體的輻射復合產生的光子數與注入的載流子數目之比。光子數與注入的載流子

26、數目之比。8.3.2量子效率量子效率 1.注射效率注射效率圖圖8-128-12 帶尾對帶帶尾對帶 帶復合的影帶復合的影響；（響；（a）型，（）型，（b） 型型 （a）（b）nnprecIrIIIgEgEhhhgEgE8.3.2量子效率量子效率注射效率就是可以產生輻射復合的二極管電流在二極管的總電流中所占的百注射效率就是可以產生輻射復合的二極管電流在二極管的總電流中所占的百分比。分比。根據（根據（8-15）式提高注射效率的途徑是：）式提高注射效率的途徑是：(a) P區受主濃度要小于區受主濃度要小于 N 區施主濃度，即區施主濃度，即 結。結。(b)減小耗盡層中的復合電流。這就要求減小耗盡層中的復合

27、電流。這就要求LED所用的材料和制造工藝盡可所用的材料和制造工藝盡可能保證晶體完整，盡量避免有害雜質的摻入。能保證晶體完整，盡量避免有害雜質的摻入。(c)選用電子遷移率比空穴遷移率大的材料。由于選用電子遷移率比空穴遷移率大的材料。由于 族化合物半導族化合物半導體的電子遷移率比空穴遷移率大很多，例如體的電子遷移率比空穴遷移率大很多，例如 ，所，所以它們是制造以它們是制造LED的上選材料。的上選材料。PNVIII 30,pnGaAs8.3.2量子效率量子效率 2.輻輻射效率 發生輻射復合的電子數與總的注入電子數比：發生輻射復合的電子數與總的注入電子數比： nrrrrUUUrrnUnrnrnU（8-18）（8-17）（8-16）rnrrr11（8-19）8.3.2量子效率量子效率三種可能的復合過程三種可能的復合過程圖8-13三種可能的復合過程淺施主能級淺施