帶-雜質中心之間的躍遷

1、15.3 帶帶-雜質中心之間的躍遷雜質中心之間的躍遷v施主和受主雜質中心的能量狀態(tài)施主和受主雜質中心的能量狀態(tài)v施主和受主雜質中心的紅外吸收施主和受主雜質中心的紅外吸收v帶帶-施主（受主）中心的復合發(fā)光施主（受主）中心的復合發(fā)光2v施主和受主雜質中心的能量狀態(tài)施主和受主雜質中心的能量狀態(tài)半導體摻雜半導體摻雜 n-Si(Ge) N, P, As, Sb, Bi等等 p-Si(Ge) B, Al, Ga, In等等 在禁帶中形成施主或受主能級，電離能在禁帶中形成施主或受主能級，電離能emVCVDAEDEA電子（或空穴）在雜質中心附近受到庫侖勢電子（或空穴）在雜質中心附近受到庫侖勢20( )4eU

2、rr 其中其中 r 為電子或空穴的位置坐標為電子或空穴的位置坐標采用弱束縛近似方法采用弱束縛近似方法-類氫原子模型類氫原子模型3解薛定諤方程，可得雜質能級（分別以導帶底或價帶頂為解薛定諤方程，可得雜質能級（分別以導帶底或價帶頂為0點）點）*2(1,2,3,.)nREnn 其中其中R*為雜質態(tài)得里德伯常數(shù)為雜質態(tài)得里德伯常數(shù)4*222200*(4) 2m emRRm 其中其中m*為電子或為電子或空穴德有效質量空穴德有效質量.Wannier激子？激子？雜質中心上的電子（空穴）的等效半徑為雜質中心上的電子（空穴）的等效半徑為2*220024*nBmrnn am em 其中其中 aB=0.53x10-

3、8cm,為氫原子波爾半徑為氫原子波爾半徑例如例如 GaAs：r1*=90.9x10-8cm(半導體半導體: Si : r1*=20 x10-8cm 大大,m*/m0小小) Ge : r1*=45x10-8cm注意有效質量的各向異性！注意有效質量的各向異性！4v施主和受主雜質中心的紅外吸收施主和受主雜質中心的紅外吸收(a)和和(b)：中性施主：中性施主(受主受主)與導與導(價價)帶間的躍遷帶間的躍遷-淺躍遷淺躍遷(c)和和(d)：離化施主：離化施主(受主受主)與價與價(導導)帶間的躍遷帶間的躍遷-深躍遷深躍遷5eV單晶單晶Si受主雜質淺躍遷吸收譜受主雜質淺躍遷吸收譜吸收峰位位于紅外區(qū)吸收峰位位于

4、紅外區(qū)與帶間吸收不同，吸收強度與帶間吸收不同，吸收強度隨光子強度增加而下降隨光子強度增加而下降吸收系數(shù)吸收系數(shù)幾十個幾十個cm-1,低溫下低溫下觀察。觀察。吸收（相對值）吸收（相對值）EiEiD0A06InSb中雜質中心到帶中雜質中心到帶間的深躍遷吸收譜間的深躍遷吸收譜T=10K，Zn或或Cd在吸收邊低能方在吸收邊低能方向，臺階結構向，臺階結構EiEiD+A-7v帶帶-施主（受主）中心的復合發(fā)光施主（受主）中心的復合發(fā)光(a)和和(b)：淺躍遷：淺躍遷-導帶電子導帶電子(價帶空穴價帶空穴)到電離施主到電離施主(受主受主)間間 的躍遷，的躍遷，eD+, A-h , 面臨發(fā)射聲子的競爭面臨發(fā)射聲子

5、的競爭(c)和和(d)：深躍遷：深躍遷-中性施主與價帶或導帶與中性受主間的中性施主與價帶或導帶與中性受主間的 躍遷，躍遷，D0h, eA0，面臨帶間復合的競爭，面臨帶間復合的競爭85.4 施主施主-受主對聯(lián)合中心受主對聯(lián)合中心的吸收與發(fā)光的吸收與發(fā)光v施主施主-受主對的能量狀態(tài)受主對的能量狀態(tài)v施主施主-受主對的吸收與發(fā)光光譜受主對的吸收與發(fā)光光譜9v施主施主-受主對的能量狀態(tài)受主對的能量狀態(tài)考慮施主和受主雜質同時摻入的情況：考慮施主和受主雜質同時摻入的情況：施主施主-受主對聯(lián)合中心受主對聯(lián)合中心：D+可能俘獲一個電子，可能俘獲一個電子，A-可能可能俘獲一個空穴，形成俘獲一個空穴，形成D+A-

6、eh或或D+A-X中心，簡稱中心，簡稱施主施主-受主對受主對（D-A對）對）施主施主-受主對聯(lián)合中心相當于束縛在受主對聯(lián)合中心相當于束縛在D-A對上的一個束縛激子。對上的一個束縛激子。 ND/NA 1 過補償過補償 受主態(tài)會被部分的占據(jù)，而施主態(tài)會部分的空出，形成受主態(tài)會被部分的占據(jù)，而施主態(tài)會部分的空出，形成D+A-自補償態(tài)。自補償態(tài)。其初態(tài)能量其初態(tài)能量:()igDAEEEE 其終態(tài)能量其終態(tài)能量:20( )( )4feErU rr (其中其中EA和和ED分別代表分別代表受主和施主的電離能，受主和施主的電離能，r 表示表示D-A之間的距離之間的距離)10弱束縛情況下光躍遷的能量條件：弱束縛

7、情況下光躍遷的能量條件：2020()4( )4figADeEEEEErer 其中其中 ( () ) 表示表示r時時D-A對吸收和發(fā)射的光子能量。對吸收和發(fā)射的光子能量。rEDEA CVED+EAr Eg11v施主施主-受主對的吸收與發(fā)光光譜受主對的吸收與發(fā)光光譜施主施主-受主對的吸收光譜受主對的吸收光譜 銳線系結構銳線系結構？由上述公式可得施主由上述公式可得施主-受主對受主對的吸收與發(fā)光光譜特點：的吸收與發(fā)光光譜特點：(1)銳線系銳線系(高能邊高能邊) 較小較小r 的的D-A對的貢獻對的貢獻(2)帶譜帶譜(低能邊低能邊) 較大較大r 的的D-A對的貢獻對的貢獻12施主施主-受主對的發(fā)光光譜受主對的發(fā)光光譜銳線系銳線系帶譜帶譜發(fā)光低能截止邊發(fā)光低能截止邊發(fā)光高能截止邊發(fā)光高能截止邊雜質替代格位的確立雜質替代格位的確立D-A對發(fā)光強度對發(fā)光強度激發(fā)密度提高，發(fā)光藍移激發(fā)密度提高，發(fā)光藍移時間分辨光譜，時間延遲，時間分辨光譜，時