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半导体发光与光吸收. 辐射跃迁. 半导体光吸收. 1 、辐射跃迁. 辐射跃迁:处于激发态的电子向较低的能级跃迁,同时发射 光子的过程。 半导体处于非平衡状态,通过一些外加的激发手段达到。 电致发光:电流激发。 阴极射线发光:电子束激发。 光致发光:光激发,入射光子能量要大于材料禁带宽度。 发光波长与能量的关系: λ =c/v=hc/E=1240/E ( nm ), E 单位为电子伏特( eV ). 1 、辐射跃迁. 带 - 带跃迁: 导带的电子跃迁到价带,与空穴复合。
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半导体发光与光吸收 • 辐射跃迁 • 半导体光吸收
1、辐射跃迁 • 辐射跃迁:处于激发态的电子向较低的能级跃迁,同时发射 光子的过程。 半导体处于非平衡状态,通过一些外加的激发手段达到。 电致发光:电流激发。 阴极射线发光:电子束激发。 光致发光:光激发,入射光子能量要大于材料禁带宽度。 • 发光波长与能量的关系: λ=c/v=hc/E=1240/E(nm),E单位为电子伏特(eV)
1、辐射跃迁 • 带-带跃迁:导带的电子跃迁到价带,与空穴复合。 自由载流子复合。 F(hv )∝( hv )2(hv-Eg)1/2 exp[-(hv-Eg)/K0T ] 特征:发光峰在Eg附近。发光峰具有一个高能量尾部在hv=Eg处,低能量边缘突然截止。在低激发情况,发射峰的半峰宽近似等于0.7kT。随掺杂浓度增加,发光峰位置和高能边缘均向高能量方向移动。增加激发强度也可导致发光向高能方移动。自吸收导致实验观测的发光光谱向低能方向漂移。 300K时,KT约26meV。77K时,KT约6.6meV。
1、辐射跃迁 • 自由激子发光:自由激子 中的电子和空穴复合发光 自由激子:自由电子和自由空穴由与库仑力作用而束缚在一起所形成的系统,可在晶体中运动。 发光峰能量:hv=Eg-Eex ,Eex为自由激子束缚能 为电子和空穴的折合质量。n=1,2 特征:发光峰能量略低于Eg,发光峰尖锐,半峰宽在几个meV 以内,一般在低温下才可观察到。
1、辐射跃迁 • 自由激子的声子伴线:自由激子在复合时,发射了一个或多 个声子,同时发出的光子。 发光峰能量:hv=Eg-Eex-mEp 特征:发光峰一般伴随自由激子峰出现。其与自由激子的能量差 为声子能量。出现多声子伴线时,发射峰之间的能量差相等。 横向光学声子(TO),横向声学声子(TA),纵向光学声子 (LO),纵向声学声子(LA)一般最易观察到纵向光学声子(LO声子)伴线。
1、辐射跃迁 • 束缚激子发光:束缚激子 中的电子和空穴复合发光 束缚激子:束缚在杂质或缺陷上的激子,不能在晶体中自由运动。 激子可束缚在中性施主,中性受主,电离施主,电离受主上。 中性施主束缚激子:D0X 电离施主束缚激子:D+X 中性受主束缚激子:A0X 电离受主束缚激子:A+X 发光峰能量:hv= Eg-Ex-Eb 束缚能:Ex+Eb其中,Ex为自由激子束缚能,Eb是将自由激子 束缚到杂质中心的附加能。
1、辐射跃迁 • 特征:发光峰能量略低于自由激子,发射谱线很窄,半峰宽一般低 • 于1meV。 • 判定:低温观察KT/ EDx﹤0.3。有效质量比,σ:me*/mh*,对于电离施主,σ小于0.71,系统能量下降,也有认为,σ小于0.2时,束缚激子(D+X)才是稳定的。对于电离受主束缚激子,只有当σ大于1.4时,才可能存在,因此一般电离受主束缚激子很难观察到。 • 束缚激子的声子伴线:束缚激子在复合时,发射了一个或多个声子,同时发出的光子。
1、辐射跃迁 • 深跃迁:电子从导带跃迁到受主能级,或从施主能级跃迁到价带。 • 发光能量:hv= Eg-Ei • Ei (EA受主束缚能,ED施主束缚能) • mn*: 电导有效质量,m0: 电子惯性质量。εr: 相对介电常数。 • 特征:发光峰能量低于激子峰,一般谱线较宽。当杂质浓度增加时,发光峰展宽,峰位能量漂移。
1、辐射跃迁 • 施主-受主对复合发光:施主离子及其束缚的电子和受主离子及其束缚的空穴可以构成施主-受主对(D-A对)。 • 发光峰能量:hv=Eg-(EA+ED)+e2/(4πεr)。r为施主-受主对的间距。 • 特征:当r不是很大(10-50晶格常数)可显示为一系列分立的谱线,但在r较大时,形成一个连续的宽发射谱。随激发密度增大,激发近距离的D-A对数目增多,发光峰向高能方移动。
2、半导体光吸收 1、光吸收:光子将电子由低能态激发到更高能态的过程。 I=I0exp(-αd), d:光穿过半导体材料的距离, α:吸收系数 对于直接带隙半导体: α:104—105/cm 2、本征吸收:价带电子吸收能量跃迁到导带的过程。 吸收条件:hv≥Eg 特点:在10-100meV的能量范围内α下降3-4个数量级。直接带隙半导体的吸收系数与光子能量的关系为: α(hv)=A(hv-Eg)1/2,hv ≥Eg =0 ,hv<Eg 禁带宽度的判断: α2=A2(hv-Eg)
2、半导体光吸收 实际情况:低能方向的吸收系数并不按理论预期下降,存在吸收带尾,一般是指数下降,与材料的杂质和缺陷,生长质量,声子参与有关。(1)声子参与,(2)莫脱效应:施主间的平均距离:r=(1/ND)1/3 ,当r小于2a*,施主电子云交叠。 高掺杂杂的情况下,吸收边向高能方向移动。
2、半导体光吸收 3、激子吸收 吸收峰能量:hv=Eg-Eex ,Eex为自由激子束缚能 特点:在半导体吸收边的低能侧附近具有一些窄吸收峰,在低温时出现的可能性大。一般只在较纯的样品中才了观察到,理论上,当自由电子浓度大于5×10-2a*-3时,激子波函数相互交叠,分立的激子态不在存在。a*:激子的等效玻尔半径,一般在100埃数量级。
2、半导体光吸收 4、杂质吸收: 两类吸收:(1)施主到导带,价带到受主;(2)价带到 施主,受主到导带。 特点:(1)施主到导带,价带到受主,吸收限为杂质电离 能,在红外区。 (2)价带到施主,受主到导带,吸收在Eg-ΔEi, 吸收表现为在吸收低能处有一台阶。 5、自由载流子吸收:发生在红外。 6、晶格振动吸收:杂质振动吸收,电子从施主到受主吸收。