复合发光讲解-PPT.pptx

复合发光讲解复合发光可直接由带间得电子与空穴得复合而产生复合发光可直接由带间得电子与空穴得复合而产生,也可通过发光中心复也可通过发光中心复合而产生合而产生复合发光得发光中心可由晶体自身得缺陷、掺入得杂质以及杂质得复合发光得发光中心可由晶体自身得缺陷、掺入得杂质以及杂质得聚合所形成聚合所形成复合发光得分类复合发光得分类带间复合带间复合边缘发射边缘发射激子复合激子复合通过杂质中心得复合通过杂质中心得复合通过施主通过施主受主对得复合受主对得复合通过等电子陷阱得复合通过等电子陷阱得复合按照电子跃迁得方式分类按照电子跃迁得方式分类 复合发光复合发光直接带直接带间接带间接带简化得能带模型简化得能带模型2、半导体能带结构及光学跃迁、半导体能带结构及光学跃迁本征吸收本征吸收价带电子吸收一个光子跃迁到导带价带电子吸收一个光子跃迁到导带光子得能量应不小于材料得禁带光子得能量应不小于材料得禁带能量守恒能量守恒动量守恒动量守恒忽略光子得动量忽略光子得动量光子得波数大约就是光子得波数大约就是105cm-1电子得波数大约为电子得波数大约为108cm-1直接带半导体直接带半导体价带顶与导带底位于价带顶与导带底位于k=0得位置得位置电子直接从价带跃迁电子直接从价带跃迁到导带到导带,k值不变值不变曲线为直线曲线为直线间接带半导体间接带半导体价带顶与导带底得价带顶与导带底得k值不同值不同电子从价带跃迁到导带不仅电子从价带跃迁到导带不仅能量发生变化能量发生变化,动量也发生动量也发生变化变化声子参与声子参与吸收或发射声吸收或发射声子子跃迁概率低跃迁概率低k:声子得波矢声子得波矢间接跃迁光吸收系数间接跃迁光吸收系数吸收一个声子吸收一个声子发射一个声子发射一个声子3、缺陷及其对发光得影响缺陷及其对发光得影响一、点缺陷一、点缺陷化合物化合物 空位空位 、填隙原子填隙原子 、位错原子位错原子 、同时存在空位或填隙原子同时存在空位或填隙原子杂质原子替位杂质原子替位 、杂质原子填隙杂质原子填隙点缺陷可以形成辐射复合中心点缺陷可以形成辐射复合中心,也就就是发光中心也就就是发光中心 也可以形成无辐射复合中心或陷阱也可以形成无辐射复合中心或陷阱发光中心发光中心结构缺陷型发光中心结构缺陷型发光中心杂质缺陷型发光中心杂质缺陷型发光中心由晶格本身得结构缺陷如空位、填隙原子等形成得由晶格本身得结构缺陷如空位、填隙原子等形成得决定这类发光中心性质得就是晶格本身得结构缺陷决定这类发光中心性质得就是晶格本身得结构缺陷 如如ZnS中得中得VZn(自激活兰色发光带自激活兰色发光带)由激活剂离子或者激活剂离子与其它缺陷组成得缔合缺陷形成由激活剂离子或者激活剂离子与其它缺陷组成得缔合缺陷形成基质在灼烧过程中要加进适当得激活剂杂质基质在灼烧过程中要加进适当得激活剂杂质发光得性质主要由激活剂来决定发光得性质主要由激活剂来决定 如如ZnS:Mn中发光中心为中发光中心为MnZn无辐射复合中心无辐射复合中心结构型缺陷结构型缺陷,如如p-GaAs中中VGa杂质缺陷杂质缺陷,如如ZnS中中Fe、Co、Ni二、线缺陷二、线缺陷(位错位错)形成陷阱能级形成陷阱能级导致杂质得不均匀分布导致杂质得不均匀分布禁带宽度变化禁带宽度变化晶格受压缩得地方晶格受压缩得地方,禁带变宽禁带变宽晶格伸张部分晶格伸张部分,禁带变窄禁带变窄无辐射复合或产生不需要得发射带无辐射复合或产生不需要得发射带无辐射复合或产生不需要得发射带无辐射复合或产生不需要得发射带影响发光效率影响发光效率导致导致PN结击穿结击穿4 带间复合带间复合导带电子与价带空穴直接复合导带电子与价带空穴直接复合产生一个能量等于或大于半导体产生一个能量等于或大于半导体禁带宽度得光子禁带宽度得光子电子与空穴得复合主要发生在能电子与空穴得复合主要发生在能带边缘带边缘载流子得热分布使得发光光谱有载流子得热分布使得发光光谱有一定得宽度一定得宽度通常只能在纯材料中观察到通常只能在纯材料中观察到多声子发射多声子发射 俄歇过程俄歇过程 辐射跃迁辐射跃迁高效得发光二极管大都就是直接带材料高效得发光二极管大都就是直接带材料(1)直接利用直接带材料直接利用直接带材料,如如GaAs、InP、ZnSe等等(2)利用窄禁带得直接带材料与宽禁带得间接带材料利用窄禁带得直接带材料与宽禁带得间接带材料,以得到禁带以得到禁带较宽得直接带材料较宽得直接带材料导带底结构随组分而变导带底结构随组分而变,到达某一组份后到达某一组份后,直接带开始变为间直接带开始变为间接带接带转变点转变点如如:In1-xGaxP,GaAs1-xPx,In1-xAlxP,AlxGa1-xAs等三元化合物等三元化合物直接带材料跃迁过程不需要声子得参与直接带材料跃迁过程不需要声子得参与,具有较具有较高得发光效率高得发光效率材料材料xc(eV)GaAs1-xPx0、461、99 AlxGa1-xAs0、311、90In1-xGaxP0、702、18In1-xAlxP0、402、23几种混晶材料得转变点与禁带宽度几种混晶材料得转变点与禁带宽度当当xxc时为间接带时为间接带,发光效率大大降低发光效率大大降低5 边缘发射边缘发射未激活得未激活得ZnS、ZnO、CdS等材料在低温下受到激发后等材料在低温下受到激发后,在本征吸收边附近出在本征吸收边附近出现得发光就是由许多狭窄得等距离谱线组成。这种发光称为边缘发射现得发光就是由许多狭窄得等距离谱线组成。这种发光称为边缘发射边缘发射得光子能量总比禁带宽度小边缘发射得光子能量总比禁带宽度小被认为就是一个价带中得空穴与一个俘获在浅施主上得电子得复合被认为就是一个价带中得空穴与一个俘获在浅施主上得电子得复合发光过程发光过程导带电子俘获在定域能级导带电子俘获在定域能级上上,然后由这些定域能级然后由这些定域能级上得电子与价带得空穴复上得电子与价带得空穴复合发光合发光定域能级应当就是晶体得物理缺陷定域能级应当就是晶体得物理缺陷(空位或间隙空位或间隙)引起得引起得实验证实实验证实用用115KeV加速电子轰击加速电子轰击CdS,(能量大于在能量大于在CdS中产生中产生S空位得能量阈空位得能量阈值值),在在CdS中产生空位或间隙中产生空位或间隙产生产生520nm得边缘发射得边缘发射立方立方()与六角与六角()ZnS晶体得边缘晶体得边缘发射光谱发射光谱第一级谱峰为电子第一级谱峰为电子空穴复空穴复合发射一个光子而没有声子合发射一个光子而没有声子参与参与第二级谱峰为发射一个光第二级谱峰为发射一个光子得同时发射一个声子子得同时发射一个声子第第(n+1)级谱峰为发射一个级谱峰为发射一个光子得同时发射光子得同时发射n个声子个声子边缘发射通常伴随着声子发射边缘发射通常伴随着声子发射6 激子得复合激子得复合激子就就是束缚在一起得电子激子就就是束缚在一起得电子空穴对空穴对激子得能量小于禁带宽度激子得能量小于禁带宽度,减小得部分能量称为激子得减小得部分能量称为激子得结合能结合能激子在晶体某一部分产生后激子在晶体某一部分产生后,可以在晶体中传播可以在晶体中传播,传输激发能传输激发能,但并但并不传输电荷不传输电荷,对电导率没有贡献对电导率没有贡献能在晶体中运动得激子称为能在晶体中运动得激子称为自由激子自由激子受束缚得激子称为受束缚得激子称为束缚激子束缚激子,不能再在晶体中自由运动不能再在晶体中自由运动束缚激子得能量低于自由激子得能量束缚激子得能量低于自由激子得能量n=1n=2n=激子得类氢能级激子得类氢能级电子与空穴结合成自由激电子与空穴结合成自由激子释放出得结合能为子释放出得结合能为1)运动着得激子通过电子与空穴复合运动着得激子通过电子与空穴复合,辐射出光子与声子辐射出光子与声子,并保持动量并保持动量与能量得守恒与能量得守恒谱线锐、吸收强、效率高等特点谱线锐、吸收强、效率高等特点,有利于产生有利于产生激光激光激发密度足够高激发密度足够高,采用合适得谐振腔采用合适得谐振腔,就可以得到激光就可以得到激光2)通过声子散射、碰撞离化、缺陷散射与场离化等形式通过声子散射、碰撞离化、缺陷散射与场离化等形式,激子离解成一激子离解成一对自由电子与空穴对自由电子与空穴3)发射声子而损失掉能量发射声子而损失掉能量4)激子把能量交给杂质激子把能量交给杂质,而得到能量得杂质以辐射得或无辐射得方式或而得到能量得杂质以辐射得或无辐射得方式或将能量转移给另一个杂质得途径损失能量将能量转移给另一个杂质得途径损失能量激子释放能量得方式激子释放能量得方式7 通过杂质中心得复合通过杂质中心得复合1 激发产生自由电子与空穴激发产生自由电子与空穴,很快驰豫到导带底很快驰豫到导带底(价带顶价带顶)光电导光电导2 导带电子在导带中扩散导带电子在导带中扩散,可以被陷阱可以被陷阱D俘获俘获3 落入陷阱得电子也可以通过热扰动从落入陷阱得电子也可以通过热扰动从D再跃迁再跃迁回到导带回到导带4价带空穴被未电离得发光中心价带空穴被未电离得发光中心A俘获俘获5 俘获在俘获在A上得空穴也可以通过热扰动从上得空穴也可以通过热扰动从A再跃迁再跃迁回到价带回到价带6 导带电子与发光中心导带电子与发光中心A上得空穴复合产生发光上得空穴复合产生发光通过杂质中心得复合模型通过杂质中心得复合模型8 通过施主通过施主受主对得复合受主对得复合若将施主与受主同时掺入同一半导体若将施主与受主同时掺入同一半导体,两者可能通过库仑两者可能通过库仑力作用束缚在一起力作用束缚在一起,形成施主形成施主-受主对受主对(DAP)离化得施主与受主可以分别束缚电子与空穴离化得施主与受主可以分别束缚电子与空穴,跃迁复合产跃迁复合产生施主受主对特征发射光谱生施主受主对特征发射光谱-、-化合物半导体化合物半导体如如ZnS:Cu,Al中中,Cu+替位替位Zn2+,在价带上产生受主能级在价带上产生受主能级,Al3+替位替位Zn2+,在导带下在导带下产生施主能级产生施主能级,它们形成施主它们形成施主受主对受主对能量状态能量状态D+可能从导带俘获一个电可能从导带俘获一个电子子,A-从价带俘获一个空从价带俘获一个空穴穴,形成形成D+A-eh(施主施主-受主受主对联合中心对联合中心,简称施主简称施主-受受主对主对)初态能量为初态能量为 终态能量终态能量跃迁后跃迁后:施主中心留下一个等效正电荷施主中心留下一个等效正电荷,受主中受主中心留下一个等效负电荷心留下一个等效负电荷终态能量即为电势能终态能量即为电势能跃迁辐射能量跃迁辐射能量r:D-A距离距离,取离散值取离散值DA对得跃迁概率与电子与空穴波函数重叠区对得跃迁概率与电子与空穴波函数重叠区域得平方成正比域得平方成正比一般来说一般来说,施主上电子波函数得伸展范围比受施主上电子波函数得伸展范围比受主上空穴得波函数伸展范围要大得多主上空穴得波函数伸展范围要大得多施主上电子波函数随施主上电子波函数随r变化按指数规律衰减变化按指数规律衰减DA对得跃迁概率对得跃迁概率rB:波尔半径波尔半径 r越小越小,发射光得波长越短发射光得波长越短,跃迁得概率越大跃迁得概率越大,寿命越短寿命越短,发光得衰减就越快发光得衰减就越快GaP:S(donor),Si(acceptor)得发射光谱GaP:面心立方晶格面心立方晶格,S、Si替代替代P位置位置a:晶格常数晶格常数激发停止后激发停止后,DA对得发光光谱随时间得延长应逐渐向长波方向移动对得发光光谱随时间得延长应逐渐向长波方向移动GaP:S,Si 得时间分辨发射光谱得时间分辨发射光谱为什么？为什么？等电子中心等电子中心化合物半导体中得杂质中心化合物半导体中得杂质中心,其化合价与其化合价与所替代元素相同所替代元素相同GaP:N;GaP:Bi电子亲与势不同电子亲与势不同,原子半径上有差异原子半径上有差异局域化得等电子中心局域化得等电子中心自由电子或空穴可以吸附到自由电子或空穴可以吸附到等电子原子上等电子原子上对红色与绿色发光二极管得商品化起到了巨大得推动作用对红色与绿色发光二极管得商品化起到了巨大得推动作用10 等电子中心发光等电子中心发光