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1、病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程第五章第五章 复合发光复合发光5.1 半导体中的缺陷半导体中的缺陷5.2 直接带与间接带半导体直接带与间接带半导体5.3 半导体中复合发光的分类及各自的特点半导体中复合发光的分类及各自的特点病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程复合发光可直接由带间的电子和空穴的复合而产生，也可通过发光中心复合发光可直接由带间的电子和空穴的复合而产生，也可通过发光中心复合而产生复合而产生复合发光的发光中心可由晶体自身的缺陷、掺入的杂
2、质以及杂质的复合发光的发光中心可由晶体自身的缺陷、掺入的杂质以及杂质的聚合所形成聚合所形成复合发光的分类复合发光的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的复合通过杂质中心的复合通过施主通过施主受主对的复合受主对的复合通过等电子陷阱的复合通过等电子陷阱的复合按照电子跃迁的方式分类按照电子跃迁的方式分类 复合发光复合发光病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程直接带直接带间接带间接带简化的能带模型简化的能带模型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病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机
3、体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程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的能量应不小于材料的禁带光子的能量应不小于材料的禁带能量守恒能量守恒动量守恒动量守恒忽略光子的动量忽略光子的动量光子的波数大约是光子的波数大约是105cm-1电子的波数大约为电子的波数大约为108cm-1病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程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的位置的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
4、变值不变曲线为直线曲线为直线病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程间接带半导体间接带半导体价带顶和导带底的价带顶和导带底的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，动量也发生能量发生变化，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：声子的波矢：声子的波矢病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程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病原
5、体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程3、 缺陷及其对发光的影响缺陷及其对发光的影响一、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病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程点缺陷可以形成辐射复合中心，也就是发光中心点缺陷可以形成辐射复合中心，也就是发光中心 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
6、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的结构缺陷如空位、填隙原子等形成的由晶格本身的结构缺陷如空位、填隙原子等形成的决定这类发光中心性质的是晶格本身的结构缺陷决定这类发光中心性质的是晶格本身的结构缺陷 如如ZnS中的中的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的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的缔合缺陷形成基质在灼烧过程中要加进适当的激活剂杂质基质在灼烧过程中要加进适当的激活剂杂质发光的性质主要由激活剂来决定发光的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
7、MnZn无辐射复合中心无辐射复合中心结构型缺陷，如结构型缺陷，如p-GaAs中中VGa杂质缺陷，如杂质缺陷，如ZnS中中Fe、Co、Ni病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程二、线缺陷（位错）二、线缺陷（位错）形成陷阱能级形成陷阱能级导致杂质的不均匀分布导致杂质的不均匀分布禁带宽度变化禁带宽度变化晶格受压缩的地方，禁带变宽晶格受压缩的地方，禁带变宽晶格伸张部分，禁带变窄晶格伸张部分，禁带变窄无辐射复合或产生不需要的发射带无辐射复合或产生不需要的发射带影响发光效率影响发光效率导致导致PN结击穿结击穿病原体侵入机体，消弱机体防
8、御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程4 带间复合带间复合导带电子和价带空穴直接复合导带电子和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的光子禁带宽度的光子电子和空穴的复合主要发生在能电子和空穴的复合主要发生在能带边缘带边缘载流子的热分布使得发光光谱有载流子的热分布使得发光光谱有一定的宽度一定的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多声声子子发发射射 俄俄歇歇过过程程 辐辐射射跃跃迁迁病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程高
9、效的发光二极管大都是直接带材料高效的发光二极管大都是直接带材料（1）直接利用直接带材料，如）直接利用直接带材料，如GaAs、InP、ZnSe等等（2）利用窄禁带的直接带材料和宽禁带的间接带材料，以得到）利用窄禁带的直接带材料和宽禁带的间接带材料，以得到禁带较宽的直接带材料禁带较宽的直接带材料导带底结构随组分而变，到达某一组份后，直接带开始变为导带底结构随组分而变，到达某一组份后，直接带开始变为间接带间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的参与，具有直接带材料跃迁过程不需要声
10、子的参与，具有较高的发光效率较高的发光效率病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程材料材料xc （eV）GaAs1-xPx0.461.99 AlxGa1-xAs0.311.90In1-xGaxP0.702.18In1-xAlxP0.402.23几种混晶材料的转变点与禁带宽度几种混晶材料的转变点与禁带宽度当当xxc时为间接带，发光效率大大降低时为间接带，发光效率大大降低病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程5 边缘发射边缘发射未激活的未激活的ZnS、ZnO
11、、CdS等材料在低温下受到激发后，在本征吸收边附近等材料在低温下受到激发后，在本征吸收边附近出现的发光是由许多狭窄的等距离谱线组成。这种发光称为边缘发射出现的发光是由许多狭窄的等距离谱线组成。这种发光称为边缘发射边缘发射的光子能量总比禁带宽度小边缘发射的光子能量总比禁带宽度小被认为是一个价带中的空穴和一个俘获在浅施主上的电子的复合被认为是一个价带中的空穴和一个俘获在浅施主上的电子的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，然后由这些定域能级上，然后由这些定域能级上的电子和价带的空穴复上的电子和价带的空穴复合发光合发光病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相
12、对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程定域能级应当是晶体的物理缺陷（空位或间隙）引起的定域能级应当是晶体的物理缺陷（空位或间隙）引起的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空位的能量空位的能量阈值），在阈值），在CdS中产生空位或间隙中产生空位或间隙产生产生520nm的边缘发射的边缘发射病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程立方（立方（）和六角（）和六角（）ZnS晶体的边晶体的边缘发射光谱缘发射光谱第一级谱峰为电子第一级谱峰为电子空
13、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的同时发射一个声子子的同时发射一个声子第（第（n+1）级谱峰为发射一）级谱峰为发射一个光子的同时发射个光子的同时发射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病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程6 激子的复合激子的复合激子就是束缚在一起的电子激子就是束缚在一起的电子空穴对空穴对激子的能量小于禁带宽度，减小的部分能量称为激子的激子的能量小于禁带宽度，减小的部分能量称为激子的结合能结合能激子
14、在晶体某一部分产生后，可以在晶体中传播，传输激发能，激子在晶体某一部分产生后，可以在晶体中传播，传输激发能，但并不传输电荷，对电导率没有贡献但并不传输电荷，对电导率没有贡献能在晶体中运动的激子称为能在晶体中运动的激子称为自由激子自由激子受束缚的激子称为受束缚的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的能量低于自由激子的能量束缚激子的能量低于自由激子的能量病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程n=1n=2n=激子的类氢能级激子的类氢能级电子和空穴结合成自由激电子和空穴结合成自由激子释放
15、出的结合能为子释放出的结合能为病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程1）运动着的激子通过电子和空穴复合，辐射出光子和声子，并保持动）运动着的激子通过电子和空穴复合，辐射出光子和声子，并保持动量和能量的守恒量和能量的守恒谱线锐、吸收强、效率高等特点，有利于产生谱线锐、吸收强、效率高等特点，有利于产生激光激光激发密度足够高，采用合适的谐振腔，就可以得到激光激发密度足够高，采用合适的谐振腔，就可以得到激光2）通过声子散射、碰撞离化、缺陷散射和场离化等形式，激子离解成）通过声子散射、碰撞离化、缺陷散射和场离化等形式，激子离解成一对
16、自由电子和空穴一对自由电子和空穴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，而得到能量的杂质以辐射的或无辐射的方式）激子把能量交给杂质，而得到能量的杂质以辐射的或无辐射的方式或将能量转移给另一个杂质的途径损失能量或将能量转移给另一个杂质的途径损失能量激子释放能量的方式激子释放能量的方式病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程7 通过杂质中心的复合通过杂质中心的复合1 激发产生自由电子和空穴，很快驰豫到导带底激发产生自由电子和空穴，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
17、散，可以被陷阱导带电子在导带中扩散，可以被陷阱D俘获俘获3 落入陷阱的电子也可以通过热扰动从落入陷阱的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价带空穴被未电离的发光中心价带空穴被未电离的发光中心A俘获俘获5 俘获在俘获在A上的空穴也可以通过热扰动从上的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 导带电子和发光中心导带电子和发光中心A上的空穴复合产生发光上的空穴复合产生发光通过杂质中心的复合模型通过杂质中心的复合模型病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程8 通过施主通过施主受主对的复合受主对的复合若
18、将施主和受主同时掺入同一半导体，两者可能通过库仑若将施主和受主同时掺入同一半导体，两者可能通过库仑力作用束缚在一起，形成施主力作用束缚在一起，形成施主-受主对（受主对（DAP）离化的施主和受主可以分别束缚电子和空穴，跃迁复合产离化的施主和受主可以分别束缚电子和空穴，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，在导带下产生施主能级，它们形成施主带下产生施主能级，它们形成施主受主对受主对病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机
19、体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程能量状态能量状态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，形成穴，形成D+A-eh（施主（施主-受受主对联合中心，简称施主主对联合中心，简称施主-受主对）受主对）初态能量为初态能量为 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程终态能量终态能量跃迁后：施主中心留下一个等效正电荷，受主跃迁后：施主中心留下一个等效正电荷，受主中心留下一个等效负电荷中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
20、量跃迁辐射能量r： D-A距离，取离散值距离，取离散值病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程DA对的跃迁概率与电子和空穴波函数重叠区对的跃迁概率与电子和空穴波函数重叠区域的平方成正比域的平方成正比一般来说，施主上电子波函数的伸展范围比受一般来说，施主上电子波函数的伸展范围比受主上空穴的波函数伸展范围要大得多主上空穴的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对的跃迁概率对的跃迁概率rB：波尔半径：波尔半径 r越小，发射光的波长越短，跃迁得概率越大，寿命越短，发光的衰
21、减就越快越小，发射光的波长越短，跃迁得概率越大，寿命越短，发光的衰减就越快病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程GaP:S(donor),Si(acceptor)的发射光谱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： 晶格常数晶格常数病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程激发停止后，激发停止后，DA对的发光光谱随时间的延长应逐渐向长波方向移动对的发光光谱随时间的延长应逐渐向长波方向移动GaP:S,Si 的时间分辨发射光谱的时间分
22、辨发射光谱为什么？为什么？病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程等电子中心等电子中心化合物半导体中的杂质中心，其化合价与化合物半导体中的杂质中心，其化合价与所替代元素相同所替代元素相同GaP:N；GaP:Bi电子亲和势不同，原子半径上有差异电子亲和势不同，原子半径上有差异局域化的等电子中心局域化的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和绿色发光二极管的商品化起到了巨大的推动作用对红色和绿色发光二极管的商品化起到了巨大的推动作用10 等电子中心发光等电子中心发光病原体侵入机体
23、，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程一个电子被等电子中心一个电子被等电子中心俘获俘获库仑力作用再吸附一个库仑力作用再吸附一个空穴形成激子空穴形成激子电子和空穴被高度定域电子和空穴被高度定域化，化，K空间范围延伸空间范围延伸GaP:N的辐射跃迁概率是的辐射跃迁概率是GaP:S的的100倍以上倍以上GaP:N 的能带结构的能带结构病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程思考题半导体中存在哪些种类的缺陷，对发光性能有何影响？为什么发光二极管需要采用直接带半导体材料？什么是等电子中心？DA对的发光有何特点？何为激子，激子发光有何特点？
