10章 固體中的光吸收和光發(fā)射

1、第第 十十 章章 固體中的光吸收和光發(fā)射固體中的光吸收和光發(fā)射 主要內(nèi)容主要內(nèi)容: : 10.7 10.7 光電導(dǎo)和光生伏特光電導(dǎo)和光生伏特 10.9 10.9 固體發(fā)光的衰減機構(gòu)和陷進效應(yīng)固體發(fā)光的衰減機構(gòu)和陷進效應(yīng) 10.8 10.8 固體中的光發(fā)射過程固體中的光發(fā)射過程 10.10 10.10 電致發(fā)光電致發(fā)光 半導(dǎo)體發(fā)光二級管半導(dǎo)體發(fā)光二級管 10.11 10.11 受激發(fā)射受激發(fā)射 10.7 10.7 光電導(dǎo)和光生伏特光電導(dǎo)和光生伏特 半導(dǎo)體吸收光子后，引起載流子激發(fā)，增加半導(dǎo)體吸收光子后，引起載流子激發(fā)，增加 了電導(dǎo)率，這附加的電導(dǎo)稱為了電導(dǎo)率，這附加的電導(dǎo)稱為光電導(dǎo)光電導(dǎo)，這種現(xiàn)

2、象，這種現(xiàn)象 又稱為半導(dǎo)體的又稱為半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)。其中，附加的載流。其中，附加的載流 子來自子來自帶間躍遷帶間躍遷或者或者雜質(zhì)的激發(fā)雜質(zhì)的激發(fā)。因此，光電導(dǎo)。因此，光電導(dǎo) 有本征光電導(dǎo)和雜質(zhì)光電導(dǎo)之分。有本征光電導(dǎo)和雜質(zhì)光電導(dǎo)之分。 1 1、光電導(dǎo)、光電導(dǎo) 式中式中 ，對于本征光電導(dǎo)，對于本征光電導(dǎo)， 。因此，。因此， 要制成較靈敏的光敏電阻，即要求要制成較靈敏的光敏電阻，即要求 有較大的有較大的 值。所以，降低溫度能提高靈敏度。值。所以，降低溫度能提高靈敏度。 =/ eh b =np 0 / 其中，其中， 和和 代表熱平衡時載流子的濃度。代表熱平衡時載流子的濃度。 0 n 0

3、p 假設(shè)熱平衡時電導(dǎo)率為：假設(shè)熱平衡時電導(dǎo)率為： ，令，令 為附加的光電導(dǎo)，則：為附加的光電導(dǎo)，則： 1.1.對于本征光電導(dǎo)，電導(dǎo)率為：對于本征光電導(dǎo)，電導(dǎo)率為： 0 =- 00 = (+)+ (+) eh e nne pp 00 =+ eh n ep e （一）定態(tài)光電導(dǎo)同光強的關(guān)系（一）定態(tài)光電導(dǎo)同光強的關(guān)系 實際上，實驗發(fā)現(xiàn)光電導(dǎo)的特性和半導(dǎo)體內(nèi)部實際上，實驗發(fā)現(xiàn)光電導(dǎo)的特性和半導(dǎo)體內(nèi)部 的雜質(zhì)有密切的關(guān)系，光電導(dǎo)現(xiàn)象在實驗上主要進的雜質(zhì)有密切的關(guān)系，光電導(dǎo)現(xiàn)象在實驗上主要進 行：定態(tài)光電導(dǎo)同光強的關(guān)系、光電導(dǎo)的弛豫時間、行：定態(tài)光電導(dǎo)同光強的關(guān)系、光電導(dǎo)的弛豫時間、 光電導(dǎo)的光譜分布三

4、個方面進行研究光電導(dǎo)的光譜分布三個方面進行研究。 （1 1）線性光電導(dǎo)）線性光電導(dǎo) 定態(tài)光電導(dǎo)是指定態(tài)光電導(dǎo)是指恒定光照下恒定光照下的光電導(dǎo)數(shù)值。的光電導(dǎo)數(shù)值。 可分為可分為線性線性和和拋物線性拋物線性光電導(dǎo)。光電導(dǎo)。 例如：硅、氧化亞銅等一些半導(dǎo)體材料，在光強例如：硅、氧化亞銅等一些半導(dǎo)體材料，在光強 較低時，定態(tài)光電導(dǎo)同光強有線性關(guān)系。在定態(tài)較低時，定態(tài)光電導(dǎo)同光強有線性關(guān)系。在定態(tài) 情況下有：情況下有： =/In 例如：硫化鉈等一些半導(dǎo)體材料，定態(tài)光電導(dǎo)例如：硫化鉈等一些半導(dǎo)體材料，定態(tài)光電導(dǎo) 同光強的平方根成正比。在定態(tài)情況下有：同光強的平方根成正比。在定態(tài)情況下有： （2 2）拋物線

5、性光電導(dǎo)）拋物線性光電導(dǎo) 式中，式中， 代表單位時間內(nèi)通過單位面積的光子代表單位時間內(nèi)通過單位面積的光子 數(shù)，數(shù)， 代表吸收系數(shù)，代表吸收系數(shù)， 代表量子產(chǎn)額（每個代表量子產(chǎn)額（每個 光子所產(chǎn)生的電子光子所產(chǎn)生的電子- -空穴對）空穴對） 2 () =/nI I （二）光電導(dǎo)的弛豫時間（標志著半導(dǎo)體材料（二）光電導(dǎo)的弛豫時間（標志著半導(dǎo)體材料 對光的反應(yīng)快慢）。在定態(tài)條件的情況下，對對光的反應(yīng)快慢）。在定態(tài)條件的情況下，對 于線性光電導(dǎo)，當光照開始（于線性光電導(dǎo)，當光照開始（t=0t=0）后，）后， () = - dnn I dt 如果如果t t=0, ,=0, ,則：則： 因此，可以定義弛豫

6、時間：因此，可以定義弛豫時間： 。在這個時間。在這個時間t t 內(nèi)，內(nèi)， 上升或下降都達到定態(tài)的一半。上升或下降都達到定態(tài)的一半。 光照取消以后，光照取消以后， =0n =() 1-exp(-) t nI （上升曲線）（上升曲線） =()exp(-) t nI （下降曲線）（下降曲線） = ln2t n 影響復(fù)合率和弛豫時間的因素主要是雜質(zhì)和缺陷（影響復(fù)合率和弛豫時間的因素主要是雜質(zhì)和缺陷（ 起俘獲電子或空穴的作用）。起俘獲電子或空穴的作用）。 （三）光電導(dǎo)的光譜分布（三）光電導(dǎo)的光譜分布 這就是對于不同波長的光、半導(dǎo)體光電導(dǎo)的強弱問題這就是對于不同波長的光、半導(dǎo)體光電導(dǎo)的強弱問題 在最大值的

7、長波在最大值的長波 方面，光電導(dǎo)的下降方面，光電導(dǎo)的下降 是由于當光波長接近是由于當光波長接近 于光吸收的長波限，于光吸收的長波限， 半導(dǎo)體對光的吸收迅半導(dǎo)體對光的吸收迅 速減少；在最大值的速減少；在最大值的 短波方面，光電導(dǎo)的短波方面，光電導(dǎo)的 減少，是由于非平衡減少，是由于非平衡 載流子壽命的降低。載流子壽命的降低。 2 2、光生伏特、光生伏特 在光的照射下，半導(dǎo)體在光的照射下，半導(dǎo)體pnpn結(jié)的二端產(chǎn)生電位差的結(jié)的二端產(chǎn)生電位差的 現(xiàn)象，人們稱為光生伏特效應(yīng)。（半導(dǎo)體吸收光子現(xiàn)象，人們稱為光生伏特效應(yīng)。（半導(dǎo)體吸收光子 后，產(chǎn)生了附加的電子和空穴，這些自由載流子在后，產(chǎn)生了附加的電子和空

8、穴，這些自由載流子在 半導(dǎo)體中的局部電場作用下會各自運動到一定的區(qū)半導(dǎo)體中的局部電場作用下會各自運動到一定的區(qū) 域積累起來，形成凈空間電荷而產(chǎn)生電位差，）域積累起來，形成凈空間電荷而產(chǎn)生電位差，） 經(jīng)計算我們得出光電池的輸經(jīng)計算我們得出光電池的輸 出電壓和電流的關(guān)系：出電壓和電流的關(guān)系： - ln+1 lB s I Ik T V eI 在開路情況下，在開路情況下，I I=0=0，此時光，此時光 電流恰好與電流恰好與P-NP-N結(jié)正向電流相結(jié)正向電流相 消，開路電壓消，開路電壓V V0 0為：為： ln+1 lB s Ik T V eI 短路時，短路時，V=0V=0，這是流經(jīng)外電，這是流經(jīng)外電

9、路的電流為：路的電流為： I I= =I Il l 10.8 10.8 固體中的光發(fā)射過程固體中的光發(fā)射過程 發(fā)光就是物質(zhì)在熱輻射之外以光的形式發(fā)射出發(fā)光就是物質(zhì)在熱輻射之外以光的形式發(fā)射出 多余的能量。常把發(fā)光的全過程分為以下幾個步驟：多余的能量。常把發(fā)光的全過程分為以下幾個步驟： （1）物質(zhì)中的可激活系統(tǒng)在吸收光子后而躍遷到較）物質(zhì)中的可激活系統(tǒng)在吸收光子后而躍遷到較 高的能態(tài)；（高的能態(tài)；（2）激活系統(tǒng)回復(fù)到較低能態(tài)（一般為）激活系統(tǒng)回復(fù)到較低能態(tài)（一般為 基態(tài)）而發(fā)射出光子。前一過程稱為激發(fā)，后一過基態(tài)）而發(fā)射出光子。前一過程稱為激發(fā)，后一過 程稱為發(fā)射。程稱為發(fā)射。 1 1、導(dǎo)帶到價

10、帶的躍遷、導(dǎo)帶到價帶的躍遷 導(dǎo)帶中的電子向價帶躍遷，與價帶中的空穴直導(dǎo)帶中的電子向價帶躍遷，與價帶中的空穴直 接復(fù)合，便產(chǎn)生能量等于或大于禁帶寬度接復(fù)合，便產(chǎn)生能量等于或大于禁帶寬度Eg的光子。的光子。 按能帶結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體材料可分為直接能隙的和按能帶結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體材料可分為直接能隙的和 間接能隙的兩大類。直接能隙材料：允許電子由導(dǎo)間接能隙的兩大類。直接能隙材料：允許電子由導(dǎo) 帶向價帶直接躍遷，其動量不變；間接能隙材料：帶向價帶直接躍遷，其動量不變；間接能隙材料： 由導(dǎo)帶向價帶躍遷時，為了滿足動量守恒，在發(fā)射由導(dǎo)帶向價帶躍遷時，為了滿足動量守恒，在發(fā)射 光子的同時，發(fā)射或者吸收一個聲子。光子的同時

11、，發(fā)射或者吸收一個聲子。 邊緣發(fā)射的光子能量總比禁帶的寬度要小。比如：邊緣發(fā)射的光子能量總比禁帶的寬度要小。比如： ZnS等材料。圖等材料。圖10-23所示，為邊緣發(fā)射的示意圖。所示，為邊緣發(fā)射的示意圖。 2、激子的復(fù)合、激子的復(fù)合 當具有足夠純度的晶體吸收一個能量大于禁帶寬當具有足夠純度的晶體吸收一個能量大于禁帶寬 度度Eg的光子之后，這個光子會使一個電子由價帶的光子之后，這個光子會使一個電子由價帶 躍遷到導(dǎo)帶，而在價帶中留下一個空穴，生成的躍遷到導(dǎo)帶，而在價帶中留下一個空穴，生成的 電子和空穴，可以在晶體中自由地移動，但由于電子和空穴，可以在晶體中自由地移動，但由于 電子和空穴彼此電子和空

12、穴彼此 具有相吸的庫侖互具有相吸的庫侖互 作用，它們會形成作用，它們會形成 某一種穩(wěn)定的束縛某一種穩(wěn)定的束縛 態(tài)。這種束縛著的態(tài)。這種束縛著的 電子電子-空穴對被稱為空穴對被稱為 激子。激子。 3、能帶和雜質(zhì)能級之間的躍遷、能帶和雜質(zhì)能級之間的躍遷 4、施主到受主的躍遷、施主到受主的躍遷 俘獲在施主俘獲在施主D中的電子可以與俘獲在受主中的電子可以與俘獲在受主A 中的空穴復(fù)合而產(chǎn)生發(fā)光。施主中的空穴復(fù)合而產(chǎn)生發(fā)光。施主-受主對內(nèi)電子受主對內(nèi)電子 躍遷所發(fā)射的是不連續(xù)的光譜線。躍遷所發(fā)射的是不連續(xù)的光譜線。 5、在等電子中心的躍遷、在等電子中心的躍遷 當基質(zhì)晶體中的一個原子被具有相同電當基質(zhì)晶體中

13、的一個原子被具有相同電 子價的另一個原子替代時，例如子價的另一個原子替代時，例如N原子替代原子替代 GaP中的中的P原子時就形成等電子中心。等電原子時就形成等電子中心。等電 子中心能夠俘獲一個電子變成帶負點，從而子中心能夠俘獲一個電子變成帶負點，從而 在短程內(nèi)，它能夠吸引一個空穴，構(gòu)成一個在短程內(nèi)，它能夠吸引一個空穴，構(gòu)成一個 束縛激子。束縛激子復(fù)合時，同樣可以發(fā)射束縛激子。束縛激子復(fù)合時，同樣可以發(fā)射 光子。因為束縛在等電子中心的激子是被局光子。因為束縛在等電子中心的激子是被局 限在很小的范圍內(nèi)，具有較大的復(fù)合幾率，限在很小的范圍內(nèi)，具有較大的復(fù)合幾率， 從而具有較高的發(fā)光效率。從而具有較高

14、的發(fā)光效率。 10.9 10.9 固體發(fā)光的衰減機構(gòu)和陷阱效應(yīng)固體發(fā)光的衰減機構(gòu)和陷阱效應(yīng) 1、衰減機構(gòu)及其規(guī)律、衰減機構(gòu)及其規(guī)律 （1）同溫度無關(guān)的指數(shù)衰減）同溫度無關(guān)的指數(shù)衰減 （自發(fā)發(fā)光）（自發(fā)發(fā)光） ( )( ) = - dn tn t dt 從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)的速率為：從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)的速率為： 設(shè)電子從激發(fā)態(tài)回落到基態(tài)時發(fā)設(shè)電子從激發(fā)態(tài)回落到基態(tài)時發(fā) 射一個光子，則光強射一個光子，則光強I（t）為：）為： ( ) ( ) -= dnn t I t dt 0 0 ( )=exp(-)=exp(-) ntt I tI 式中式中I0表示表示t=0時的發(fā)光強度。因此，如果衰減時的發(fā)光強度。因

15、此，如果衰減 機構(gòu)是自發(fā)的，那么衰減規(guī)律便是與溫度無關(guān)機構(gòu)是自發(fā)的，那么衰減規(guī)律便是與溫度無關(guān) 的指數(shù)衰減。的指數(shù)衰減。 （2）同溫度有關(guān)的指數(shù)衰減）同溫度有關(guān)的指數(shù)衰減 發(fā)光中心在受激后，電子不發(fā)光中心在受激后，電子不 能從激發(fā)態(tài)能從激發(fā)態(tài)A直接躍遷到基直接躍遷到基 態(tài)態(tài)G（禁戒的），而是先回（禁戒的），而是先回 到亞穩(wěn)態(tài)到亞穩(wěn)態(tài)M能級上，然后通能級上，然后通 過熱激發(fā)從亞穩(wěn)態(tài)過熱激發(fā)從亞穩(wěn)態(tài)M躍遷到躍遷到 A能級后，最后再回到能級后，最后再回到G， 發(fā)射出光子。發(fā)射出光子。 0 0 ( )=exp(-) exp (-)exp(-) BB nt I t k Tk T 同樣，我們計算出發(fā)光光強

16、為：同樣，我們計算出發(fā)光光強為： 上式表明，溫度較低時，光強很弱；溫度升高后，上式表明，溫度較低時，光強很弱；溫度升高后， M上的電子迅速躍遷到上的電子迅速躍遷到A，光強很快增加，衰減時，光強很快增加，衰減時 間則大為縮短。間則大為縮短。 對于同溫度有關(guān)和同溫度無光的指數(shù)衰減，他對于同溫度有關(guān)和同溫度無光的指數(shù)衰減，他 們的共同點是發(fā)光中心都只有用一種，并且在受激們的共同點是發(fā)光中心都只有用一種，并且在受激 時發(fā)光中心并未被離化，激發(fā)和發(fā)射過程發(fā)生在彼時發(fā)光中心并未被離化，激發(fā)和發(fā)射過程發(fā)生在彼 此獨立的發(fā)光中心內(nèi)部，故稱此獨立的發(fā)光中心內(nèi)部，故稱“有分立發(fā)光中心的有分立發(fā)光中心的 發(fā)光發(fā)光”

17、。因為發(fā)光過程只涉及發(fā)光中心內(nèi)部，又稱。因為發(fā)光過程只涉及發(fā)光中心內(nèi)部，又稱 “單分子過程單分子過程”。因為發(fā)光中心沒有被電離，故在。因為發(fā)光中心沒有被電離，故在 發(fā)光時并不伴隨有特征性的光電導(dǎo)，又稱發(fā)光時并不伴隨有特征性的光電導(dǎo)，又稱“非光電非光電 導(dǎo)導(dǎo)” （3）雙曲線衰減）雙曲線衰減 雙曲線衰減，它的發(fā)光中心在受激時被電離，雙曲線衰減，它的發(fā)光中心在受激時被電離， 被離化出來的電子在發(fā)光物質(zhì)中漂移，從而構(gòu)成被離化出來的電子在發(fā)光物質(zhì)中漂移，從而構(gòu)成 特征的特征的“光電導(dǎo)型光電導(dǎo)型”的發(fā)光。的發(fā)光。 發(fā)光中心從受激回到基態(tài)的速率為：發(fā)光中心從受激回到基態(tài)的速率為： 2( ) = - ( )

18、dn t n t dt 式中式中 為特征常數(shù)。將上式積分得出：為特征常數(shù)。將上式積分得出： -1 00 ( )=(1+)n tnn t 為為t=0時處于激發(fā)態(tài)的發(fā)光中心的數(shù)目。發(fā)時處于激發(fā)態(tài)的發(fā)光中心的數(shù)目。發(fā) 光光強為：光光強為： 0 2 0 ( ) ( )=-= (1+) Idn t I t dtn t 0 n 式中式中 表示表示t=0時的發(fā)光強度。時的發(fā)光強度。 2 00 =In 對于光電導(dǎo)型的發(fā)光體，電子被離化出來對于光電導(dǎo)型的發(fā)光體，電子被離化出來 而在晶格中擴散或漂移，并且可能被俘獲而在晶格中擴散或漂移，并且可能被俘獲 在晶體中的局部能級上，因此衰減過程是在晶體中的局部能級上，因此

19、衰減過程是 很復(fù)雜的，實際發(fā)光體的衰減是這樣的，很復(fù)雜的，實際發(fā)光體的衰減是這樣的， 開始時快，后來變慢，整個衰減過程同晶開始時快，后來變慢，整個衰減過程同晶 格中的缺陷、電子的擴散和被俘獲、電子格中的缺陷、電子的擴散和被俘獲、電子 同發(fā)光中心間的相互作用以及激發(fā)光的強同發(fā)光中心間的相互作用以及激發(fā)光的強 度等復(fù)雜的因素有關(guān)。度等復(fù)雜的因素有關(guān)。 2、陷阱效應(yīng)、陷阱效應(yīng) 對于光電導(dǎo)型發(fā)光體被激發(fā)時，發(fā)光中心被離對于光電導(dǎo)型發(fā)光體被激發(fā)時，發(fā)光中心被離 化，電子進入導(dǎo)帶。部分電子可能立刻同發(fā)光化，電子進入導(dǎo)帶。部分電子可能立刻同發(fā)光 中心復(fù)合而發(fā)光。另一部分的電子，在晶格內(nèi)中心復(fù)合而發(fā)光。另一部

20、分的電子，在晶格內(nèi) 的擴散和漂移過程中，可能被陷阱俘獲而落入的擴散和漂移過程中，可能被陷阱俘獲而落入 深度不同的陷阱能級中，通過熱起伏重新激發(fā)深度不同的陷阱能級中，通過熱起伏重新激發(fā) 到導(dǎo)帶，然后與發(fā)光中心復(fù)合而發(fā)光。在一定到導(dǎo)帶，然后與發(fā)光中心復(fù)合而發(fā)光。在一定 溫度下，處于較深的陷阱能級上的電子被重新溫度下，處于較深的陷阱能級上的電子被重新 激發(fā)到導(dǎo)帶的幾率較小，或者電子進入導(dǎo)帶后激發(fā)到導(dǎo)帶的幾率較小，或者電子進入導(dǎo)帶后 又落入其他陷阱（發(fā)生多次俘獲），這些情況又落入其他陷阱（發(fā)生多次俘獲），這些情況 發(fā)光的衰減很慢。發(fā)光的衰減很慢。 上面的討論可知，如果提高發(fā)光體的溫度，可上面的討論可知

21、，如果提高發(fā)光體的溫度，可 以使儲存在其中的光能加速釋放出來，這種現(xiàn)以使儲存在其中的光能加速釋放出來，這種現(xiàn) 象稱為象稱為“熱釋發(fā)光熱釋發(fā)光”。不同的溫度釋放出陷于。不同的溫度釋放出陷于 不同深度能級上的電子，故光強峰值所對應(yīng)的不同深度能級上的電子，故光強峰值所對應(yīng)的 溫度近似地反應(yīng)這陷進的深度。溫度近似地反應(yīng)這陷進的深度。 通常的方法是對通常的方法是對P-NP-N結(jié)結(jié) 施加正向偏壓，通過載施加正向偏壓，通過載 流子的電注入，形成非流子的電注入，形成非 平衡載流子而實現(xiàn)復(fù)合平衡載流子而實現(xiàn)復(fù)合 發(fā)光。發(fā)光。 10.10 10.10 電致發(fā)光電致發(fā)光 半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體發(fā)光二極管 半導(dǎo)體發(fā)光二極管是目前研究最多和應(yīng)用最廣的半導(dǎo)體發(fā)光二極管是目前研究最多和應(yīng)用最廣的 一種電致發(fā)光器件。由于半導(dǎo)體