半导体器件物理第8章资料下载.pdf

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发射的光子的能量接近于于半导体材料的禁带宽度。

由于半导体材料能带结构的不同，带间辐射复合又可以分为直接辐射复合和间接辐射合两种:

半导体材料的禁带宽度。

导带价带导带价带图图8-1带间复合：

（带间复合：

（a）直接能隙复合（）直接能隙复合（b）间接能隙复合）间接能隙复合8.1.1辐射复合8.1.1辐射复合直接辐射复合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如图8.1a所示。

电子在跃迁过程中必须遵守能量守恒和准动量守恒准动量守恒要求（8-1）=跃迁前电子的波矢量=跃迁后电子的波矢量=跃迁过程中辐射的光子的波矢量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如图8.1a所示。

电子在跃迁过程中必须遵守能量守恒和准动量守恒准动量守恒要求（8-1）=跃迁前电子的波矢量=跃迁后电子的波矢量=跃迁过程中辐射的光子的波矢量（82）光子KKK122K1K光子K8.1.1辐射复合8.1.1辐射复合（8-2）（8-2）（8-2（8-2）式说明这种跃迁发生在空间的同一地点，因此也被称为竖直跃迁。

能量守恒要求（8-3）式中=跃迁前电子的能量=跃迁后电子的能量=辐射光子的能量）式说明这种跃迁发生在空间的同一地点，因此也被称为竖直跃迁。

能量守恒要求（8-3）式中=跃迁前电子的能量=跃迁后电子的能量=辐射光子的能量12KKkgEEEh122E1Eh8.1.1辐射复合8.1.1辐射复合间接辐射复合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，因此这种跃迁是非竖直跃迁。

准动量守恒要求在跃进过程中必须伴随声子的吸收或放出。

即在这种半导体中，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，因此这种跃迁是非竖直跃迁。

即qKK12qphEEh12gEpph（8-4）为声子的波矢，正号表示放出声子，负号表示吸收声子，相应能量守恒的条件为为声子的波矢，正号表示放出声子，负号表示吸收声子，相应能量守恒的条件为（8-5）为声子频率。

为声子频率。

一般比电子能量小得多，可以略去。

为声子的能量，为声子的能量，8.1.1辐射复合8.1.1辐射复合2.浅能级和主带之间的复合2.浅能级和主带之间的复合它可以是浅施主与价带空穴或浅受主与导带电子之间的的复合，如图8-2所示。

它可以是浅施主与价带空穴或浅受主与导带电子之间的的复合，如图8-2所示。

图图8-2浅能级杂质与主带的复合浅能级杂质与主带的复合8.1.1辐射复合8.1.1辐射复合3.施主受主对（D-A对）复合3.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能量小于禁带宽度。

这是辐射能量小于禁带宽度的一种重要的复合发光机制，这种复合也称为D-A对复合。

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。

D-A对发光中心的能级如图8-3所示。

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。

图图8-3DA对复合能级图对复合能级图8.1.1辐射复合8.1.1辐射复合3.施主受主对复合3.施主受主对复合施主俘获电子，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，受主再带负电。

所以DA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。

跃迁中库仑作用的强弱取决于施主与受主之间的距离的大小。

粗略地以类氢原子模型处理DA对中心。

在没有声子参与复合的情况下，发射的光子能量为施主俘获电子，受主俘获空穴之后都呈电中性状态。

在没有声子参与复合的情况下，发射的光子能量为rkqEEErhadgAD024（8-6）8.1辐射复合3.施主受主对复合对于材料，不同杂质原子和它们的替位状态会造成对的电离能不同。

例如：

氧施主和碳受主杂质替代磷的位置，在温度为时，；

而氧施主杂质是磷替位和锌受主杂质是镓替位，在温度为时，。

D-A对的发光在室温下由于与声子相互作用较强，很难发现DA对复合的线光谱。

但是，在低温下可以明显地观察到对发射的线光谱系列。

这种发光机构已为实验证实并对发光光谱作出了合理的解释。

3.施主受主对复合对于材料，不同杂质原子和它们的替位状态会造成对的电离能不同。

GaPK6.1meVEEda9411.6KmeVEEda6.9568.1辐射复合8.1辐射复合4.通过深能级的复合4.通过深能级的复合电子和空穴通过深能级复合时，辐射的光子能量远小于禁带宽度，发射光的波长远离吸收边。

对于窄禁带材料，要得到可见光是困难的，但对于宽禁带材料，这类发光还是有实际意义的，例如中的红色发光，便是属于这类复合。

电子和空穴通过深能级复合时，辐射的光子能量远小于禁带宽度，发射光的波长远离吸收边。

深能级杂质除了对辐射复合有影响外，往往是造成非辐射复合的根源，特别是在直接带隙材料中更是如此。

所以在实际工作中，往往需要尽量减少深能级，以提高发光效率。

GaP8.1辐射复合8.1辐射复合5.激子复合5.激子复合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。

但由于库仑作用，它仍然和价带中留下的空穴联系在一起，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。

如果激子复合以辐射方式释放能量，就可以形成发光过程。

自由激子：

对于直接带隙半导体材料，自由激子复合发射光子的能量为式中为激子能级。

对于间接带隙半导体材料，自由激子复合发射光子的能量为式中表示吸收或放出能量为的个声子。

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。

nexcgEEh（8-7）nexcEpnexcgNEEEh（8-8）pNEpEN8.1.1辐射复合5.激子复合5.激子复合束缚激子：

若激子对杂质的结合能为，则其发射光谱的峰值为是材料和束缚激子的中心的电离能的函数。

近年来，在发光材料的研究中，发现束缚激子的发光起重要作用，而且有很高的发光效率。

如材料中对产生的束缚激子引起红色发光。

氮等电子陷阱产生的束缚激子引起绿色发光。

这两种发光机制使发光二极管的发光效率大大提高，成为发光二极管的主要发光机制。

激子发光的研究越来越受到人们的重视。

束缚激子：

bxEbxnexcgEEEh（8-9）bxEiEGaPOZn8.1.1辐射复合8.1.1辐射复合6、等电子陷阱复合6、等电子陷阱复合等电子杂质：

周期表内与半导体基质原子同族的原子。

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。

由于等电子杂质与被替位的原子之间的电负性和原子半径等方面是不同的，因而引起晶格势场畸变，可以束缚电子或空穴形成带电中心，就象在等电子杂质的位置形成陷阱，将电子或空穴陷着，故称为等电子陷阱。

如果等电子杂质的电负性比晶格原子的电负性大，则可以形成电子的束缚态，这样的等电子陷阱也可称为等电子的电子陷阱，这样的杂质称为等电子受主（如氮原子取代中Gap磷原子）。

如果等电子杂质的电负性比晶格原子的电负性小，则形成空穴的束缚态，称为等电子的空穴陷阱，产生这种束缚态的杂质称为等电子施主（如铋原子取代Gap中磷原子）。

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。

当激子复合时，就能以发射光子的形式释放能量。

等电子杂质：

由于等电子杂质与被替位的原子之间的电负性和原子半径等方面是不同的