发光管与半导体激光器

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1、第八章第八章 发光管与半导体激光器发光管与半导体激光器第八章第八章 发光管与半导体激光器发光管与半导体激光器一名词、概念、术 与问语与问题?LEDs and Lasers?辐射复合：在复合过程中电子多余的能量可以以辐 射的形式（发射光子）释放出来，这种复合称为辐射的形式（发射光子）释放出来，这种复合称为辐 射复合，它是光吸收的逆过程。?非辐射复合在复合过程中电子的多余能量可以以?非辐射复合：在复合过程中电子的多余能量可以以 其它形式释放出来，而不发射光子，这种复合称为 非辐射复合非辐射复合。?带间辐射复合：带间辐射复合是导带中的电子直接 跃迁到价带与价带中的空穴复合发射的光子的能跃迁到价带与价

2、带中的空穴复合。发射的光子的能 量接近等于半导体材料的禁带宽度。带间辐射复合 是本征吸收的逆过程由于半导体材料能带结构的是本征吸收的逆过程。由于半导体材料能带结构的 不同，带间复合又可以分为直接辐射复合和间接辐 射复合种射复合两种。直接辐射复合对于直接带隙半导体导带极小?直接辐射复合：对于直接带隙半导体，导带极小 值和价带极大值发生在布里渊区同一点，从而跃 迁发生在布里渊区同点因此直接辐射复合过迁发生在布里渊区同一点。因此直接辐射复合过 程中的电子跃迁也被称为竖直跃迁。?间接辐射复合：在这种半导体中，导带极小值和 价带极大值不是发生在布里渊区的同一地点而价带极大值不是发生在布里渊区的同地点，而

3、 是具有不同的值。因此这种跃迁不是发生在布 里渊区的同地点也叫非竖直跃迁间接辐射kv里渊区的同一地点，也叫非竖直跃迁。间接辐射 复合的发光效率比直接辐射复合的低得多。?写出直接辐射复合与间接辐射复合准动量守恒与 能量守恒公式：能量守恒公式：直接辐射复合KKvv EEEh直接辐射复合： 间接辐射复合 ：12KK =gEEEh=12qKKvvv=12gpEhEEh=12浅能级与主带间的复合（边缘发光）可以是浅施12gp12浅能级与主带间的复合（边缘发光）：可以是浅施 主与价带空穴或浅受主与导带电子间的的复合。 这种辐射的光子能量总比禁带宽度小这种辐射的光子能量总比禁带宽度小。?施主-受主对（D-A

4、对）复合：?施主 受主对（D A对）复合： 施主受主对复合是施主俘获的电子和受主俘获的空 穴之间的复合在复合过程中发射光子光子的穴之间的复合。在复合过程中发射光子，光子的 能量小于禁带宽度。这种复合也称为D-A对复合。详答对复合模型认为当施主杂质和受主杂?详答：D-A对复合模型认为，当施主杂质和受主杂 质同时以替位原子进入晶格格点并形成近邻时， 这些集结成对的施主和受主系统由于距离较近， 波函数相互交叠使施主和受主各自的定域场消失 而形成偶极势场，从而结合成施主受主对联合发 光中心，称为D-A对。施主俘获电子，受主俘获空 穴之后都呈电中性状态。施主上的电子与受主上 的空穴复合后，施主再带正电，

5、受主再带负电。 所以，D-A对复合过程是中性组态产生电离施主 受主对的过程，故复合是具有库仑作用的。激子如果半导体吸收能量小于禁带宽度?激子：如果半导体吸收能量小于禁带宽度 的光子，电子被从价带激发。但由于库仑的光子，电子被从价带激发。但由于库仑 作用，它仍然和价带中留下的空穴联系在 起形成束缚状态这种被库仑能束缚一起，形成束缚状态。这种被库仑能束缚 在一起的电子-空穴对就称为激子。在起的电子 空穴对就称为激子?自由激子：作为一个整体，可以在晶体中 自由运动的激子自由运动的激子。?束缚激子：激子在晶体中运动的过程中可以受到?束缚激子：激子在晶体中运动的过程中可以受到 束缚，受束缚的激子不能再在

6、晶体中自由运动， 这种激子称为束缚激子。晶体中能束缚激子的中这种激子称为束缚激子。晶体中能束缚激子的中 心有施主、受主、施主受主对和等电子陷阱等。?激子复合 ；激子是一个能量系统，是一种束缚态。?激子复合 ；激子是个能量系统，是种束缚态。 这种束缚态可以把能量以辐射的方式或非辐射的 方式重新释放出来。这种现象称为激子复合?等电子陷阱:由等电子杂质代替晶格基质原子而产 生的束缚态。(等电子杂质是指周期表内与半导体 基质原子同族的原子。因为同族原子的价电子相 等，所以用等电子杂质代替基质原子不会增加电 子或空穴而是形成电中性中心故称为等电子子或空穴，而是形成电中性中心，故称为等电子 杂质。)等电子

7、陷阱复合?等电子陷阱复合: 当等电子陷阱俘获了某一种载流子以后，成为带 电中心，这个带电中心又由库仑作用而俘获带电 符号相反的载流子，形成束缚激子态。这是一个符号相反的载流子，形成束缚激子态。这是个 束缚在等电子杂质上的束缚激子。当激子复合时， 就能以发射光子的形式释放能量就能以发射光子的形式释放能量。解释中的等电子陷阱复合现象?解释GaP:N. GaP:Zn-O中的等电子陷阱复合现象：?答：当中掺入氮时，氮可能取代晶格上的磷答当中掺入氮时氮可能取代晶格的磷 原子。氮和磷都是族元素，它们的价电子数相 同，因此称为等电子杂质。由于氮的原子序数GaP V同，因此称为等电子杂质由于氮的原子序数 为7

8、而磷为15，氮比磷少8个电子，氮取代磷以后， 那里的电子即相对的欠缺，故氮对电子的亲和力N 那里的电子即相对的欠缺，故氮对电子的亲和力 远大于磷的。因而，它可以俘获电子，形成电子 的束缚状态等电子陷阱。氮俘获电子以后，又的束缚状态等电子陷阱。氮俘获电子以后，又 因库仑作用而俘获空穴（氮等电子陷阱俘获空穴 和电子的能量分别是0.037eV和0.01eV左右），和电子的能量分别是0.037eV和0.01eV左右）， 俘获的电子和空穴形成激子。这种激子通过辐射 复合消失时，在室温下发射波长入=570nm绿光。复合消失时，在室温下发射波长入 570nm绿光。?当GaP掺入锌和氧后Zn原子一般占据晶格中

9、的Ga?当GaP掺入锌和氧后，Zn原子般占据晶格中的Ga 位置，而O则占据P的位置。由GaP的晶格结构可以 看出，GaP处于相邻位置。Zn，O取代后必然处于看出，GaP处于相邻位置。Zn，O取代后必然处于 相邻的位置。于是形成了Zn-O对等电子陷阱。它 与掺氮的情况不同。由于Zn比基质Ga的阳性更强， 比 的阴性更此中与 原在最而O比P的阴性更强，因此GaP中Zn与O原子处在最 近邻位置时比分离存在更稳定。由于氧原子是电 子亲合力强的原子即使处于阳性原子Z 的最近子亲合力强的原子，即使处于阳性原子Zn的最近 邻位置也能俘获电子。俘获电子后Zn-O对便带负 电由于库仑力又去俘获空穴从而形成激子电

10、，由于库仑力又去俘获空穴，从而形成激子。 激子复合便发出红色辐射。在GaP中Zn-O对等电子 陷阱俘获电子的能量为30010meV,而俘获空穴的陷阱俘获电子的能量为300 10meV,而俘获空穴的 能量为37meV，因此激子复合发光的波长在红色范 围。围?电致发光；?电致发光；?当正向偏压加于P-N结（或异质结）的两端时，载 流穿越结或质结使得载流浓流子注入穿越P-N结（或异质结），使得载流子浓 度超过热平衡值，形成过量载流子。过量载流子 复合，能量可能以光（光子）的形式释放。在光 子发射过程中，我们从偏压的电能量得到光能量。子发射过程中，我们从偏压的电能量得到光能量。 这种现象称为电致发光。

11、 注射效率可以产生辐射复合的二极管电流在I?注射效率 :可以产生辐射复合的二极管电流在 二极管的总电流中所占的百分比。nI I?辐射效率:发生辐射复合的电子数与注入的总电子 数之比。数之比。?逸出率也叫出光效率定义为P N结辐射复合产?逸出率：也叫出光效率，定义为P-N结辐射复合产 生的光子中出射到晶体外部的百分数。?内量子效率：产生辐射复合的电子数（等于辐射的 总光子数）占总的注入载流子数的百分比。()qI总光子数）占总的注入载流子数的百分比。?外量子效率：出射的光子数与总的注入载流子数之 比()q比。=00rie=?根据外量子效率公式（8-28）指出提高外量子效?根据外量子效率公式（8-2

12、8）指出提高外量子效 率的主要途径。11式说过减过增加来提高()()111 eiijV ATxT =+=+（8-28）公式说明可以通过减少、通过增加来提高 外量子效率：jxT1. 减小结深。但把结深减小到距离表面不足一个扩 散长度，会使更多的少数载流子引到表面，表面散长度会使更多的少数载流子引到表面表面 复合中心会俘获注入载流子的一大部分，这样会 减小内量子效率。 2.产生的发光可以使减小，由于发射的光子 具有低于的能量，因而得到了高效率。hEg Eg3 采用光学窗口比如在G A极管的顶面上生长3.采用光学窗口。比如在GaAs二极管的顶面上生长 一附加的AlGaAs层，因为AlGaAs材料的禁

13、带宽度 大于GaAs的禁带宽度，所以发射的光子不会被附 加层所吸收。与此同时，在AlGaAs - GaAs界面上加层所吸收。与此同时，在AlGaAs GaAs界面上 的复合中心密度显著的低于没有AlGaAs层的表面 的GaAs复合中心密度因而距离界面的结深可的GaAs复合中心密度。因而，距离界面的结深可 以做得很小。 减少内反射采用折射率在空气和半导体之间的光4.减少内反射。采用折射率在空气和半导体之间的光 学介质，浇注成的半球形圆顶，可使外量子效率增 至2-3倍。画出能带图说明PN结LED工作原理?画出能带图说明PN结LED工作原理： 答：图8.10。当正向偏压加于P-N结的两端时，载流答：

14、图当正向偏压加于结的两端时，载流 子注入，使得少数载流子浓度超过热平衡值，形 成过量载流子过量载流子复合能量可能以光成过量载流子。过量载流子复合，能量可能以光 （光子）的形式释放。在光子发射过程中，我们 从偏压的电能量得到光能量这种现象称为注入从偏压的电能量得到光能量。这种现象称为注入 式电致发光。在P侧，注入的非平衡少数载流子电 从带向与价带中的空穴复合发射能子从导带向下跃迁与价带中的空穴复合，发射能 量为的光子。在P-N结的N侧，注入的非平衡少Eg 数载流子空穴与导带电子复合，同样发出能量为 的光子。Eg 的光子。0 EVF0nqEcEFEnq hhVcEvE vEpqhNP V（a）（b

15、）图8-10P-N的电致发光结：（a）零偏压，（b）正向偏压图8 10P-N的电致发光结：（a）零偏压，（b）正向偏压等电子陷阱能够有效地提高的发光效率的物?等电子陷阱能够有效地提高GaP的发光效率的物理 原理是什么？?等电子陷阱能够有效地提高GaP的发光效率的实际 意义在于缓和间接能隙跃迁的选择定则。GaP材料意义在于缓和间接能隙跃迁的选择定则材料 是间接带隙半导体，带间电子跃迁几率是很小，不 能实现有效的发光。当氮原子进入GaP取代磷原子能实现有效的发光当氮原子进入Ga 取代磷原子 形成等电子陷阱时，等电子杂质对电子的束缚是短 程力，因此，被束缚的电子定域在杂质原子附近很程力，因此，被束缚

16、的电子定域在杂质原子附近很 窄的范围内。电子的波函数在位形空间中的定域是 很确定的。根据海森堡测不准关系，电子波函数在很确定的。根据海森堡测不准关系，电子波函数在 动量空间中会扩展到很宽的范围，因而被束缚在等 电子陷阱的电子在空间中从到的几率改变，k电子陷阱的电子在空间中从到的几率改变，k使电子在点的几率密度提高氮等电子陷阱2?使电子在点的几率密度提高。氮等电子陷阱 的引入，使点出现电子的几率比间接跃迁的GaP2 材料提高3个数量级左右，从而使电子通过等电子 陷阱实现跃迁而无需声子参与，大大地提高GaP:N陷阱实现跃迁而无需声子参与，大大地提高GaP:N 的发光效率。重图表三 重要图表图8 10图8.10。四 重要习题四 重要习题8 1 若在G A LED中证明与电子电流?8.1 若在GaAs LED中，证明与电子电流 相比较，空穴扩散电流是可以忽略的。用daNN =30= pn?证明：p明=) 1(exp)0(2 ip pVnqDILDI