2022-2023學(xué)年高二物理競賽課件：發(fā)光管與半導(dǎo)體激光器

發(fā)光管與半導(dǎo)體激光器一．名詞、概念、術(shù)語與問題

LEDsandLasers輻射復(fù)合：在復(fù)合過程中電子多余的能量可以以輻射的形式（發(fā)射光子）釋放出來，這種復(fù)合稱為輻射復(fù)合，它是光吸收的逆過程。非輻射復(fù)合：在復(fù)合過程中電子的多余能量可以以其它形式釋放出來，而不發(fā)射光子，這種復(fù)合稱為非輻射復(fù)合。帶間輻射復(fù)合：帶間輻射復(fù)合是導(dǎo)帶中的電子直接躍遷到價帶與價帶中的空穴復(fù)合。發(fā)射的光子的能量接近等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。帶間輻射復(fù)合是本征吸收的逆過程。由于半導(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)的不同，帶間復(fù)合又可以分為直接輻射復(fù)合和間接輻射復(fù)合兩種。直接輻射復(fù)合：對于直接帶隙半導(dǎo)體，導(dǎo)帶極小值和價帶極大值發(fā)生在布里淵區(qū)同一點(diǎn)，從而躍遷發(fā)生在布里淵區(qū)同一點(diǎn)。因此直接輻射復(fù)合過程中的電子躍遷也被稱為豎直躍遷。間接輻射復(fù)合：在這種半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶極小值和價帶極大值不是發(fā)生在布里淵區(qū)的同一地點(diǎn)，而是具有不同的值。因此這種躍遷不是發(fā)生在布里淵區(qū)的同一地點(diǎn)，也叫非豎直躍遷。間接輻射復(fù)合的發(fā)光效率比直接輻射復(fù)合的低得多。寫出直接輻射復(fù)合與間接輻射復(fù)合準(zhǔn)動量守恒與能量守恒公式：

直接輻射復(fù)合：間接輻射復(fù)合：淺能級與主帶間的復(fù)合（邊緣發(fā)光）：可以是淺施主與價帶空穴或淺受主與導(dǎo)帶電子間的的復(fù)合。這種輻射的光子能量總比禁帶寬度小。施主-受主對（D-A對）復(fù)合：施主

受主對復(fù)合是施主俘獲的電子和受主俘獲的空穴之間的復(fù)合。在復(fù)合過程中發(fā)射光子，光子的能量小于禁帶寬度。這種復(fù)合也稱為D-A對復(fù)合。詳答：D-A對復(fù)合模型認(rèn)為，當(dāng)施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)同時以替位原子進(jìn)入晶格格點(diǎn)并形成近鄰時，這些集結(jié)成對的施主和受主系統(tǒng)由于距離較近，波函數(shù)相互交疊使施主和受主各自的定域場消失而形成偶極勢場，從而結(jié)合成施主

受主對聯(lián)合發(fā)光中心，稱為D-A對。施主俘獲電子，受主俘獲空穴之后都呈電中性狀態(tài)。施主上的電子與受主上的空穴復(fù)合后，施主再帶正電，受主再帶負(fù)電。所以，D-A對復(fù)合過程是中性組態(tài)產(chǎn)生電離施主

受主對的過程，故復(fù)合是具有庫侖作用的。激子：如果半導(dǎo)體吸收能量小于禁帶寬度的光子，電子被從價帶激發(fā)。但由于庫侖作用，它仍然和價帶中留下的空穴聯(lián)系在一起，形成束縛狀態(tài)。這種被庫侖能束縛在一起的電子-空穴對就稱為激子。

自由激子：作為一個整體，可以在晶體中自由運(yùn)動的激子。束縛激子：激子在晶體中運(yùn)動的過程中可以受到束縛，受束縛的激子不能再在晶體中自由運(yùn)動，這種激子稱為束縛激子。晶體中能束縛激子的中心有施主、受主、施主—受主對和等電子陷阱等。激子復(fù)合；激子是一個能量系統(tǒng)，是一種束縛態(tài)。這種束縛態(tài)可以把能量以輻射的方式或非輻射的方式重新釋放出來。這種現(xiàn)象稱為激子復(fù)合等電子陷阱:由等電子雜質(zhì)代替晶格基質(zhì)原子而產(chǎn)生的束縛態(tài)。(等電子雜質(zhì)是指周期表內(nèi)與半導(dǎo)體基質(zhì)原子同族的原子。因?yàn)橥逶拥膬r電子相等，所以用等電子雜質(zhì)代替基質(zhì)原子不會增加電子或空穴，而是形成電中性中心，故稱為等電子雜質(zhì)。)

等電子陷阱復(fù)合:

當(dāng)?shù)入娮酉葳宸@了某一種載流子以后，成為帶電中心，這個帶電中心又由庫侖作用而俘獲帶電符號相反的載流子，形成束縛激子態(tài)。這是一個束縛在等電子雜質(zhì)上的束縛激子。當(dāng)激子復(fù)合時，就能以發(fā)射光子的形式釋放能量。解釋GaP:N.GaP:Zn-O中的等電子陷阱復(fù)合現(xiàn)象：答：當(dāng)中摻入氮時，氮可能取代晶格上的磷原子。氮和磷都是族元素，它們的價電子數(shù)相同，因此稱為等電子雜質(zhì)。由于氮的原子序數(shù)為7而磷為15，氮比磷少8個電子，氮取代磷以后，那里的電子即相對的欠缺，故氮對電子的親和力遠(yuǎn)大于磷的。因而，它可以俘獲電子，形成電子的束縛狀態(tài)—等電子陷阱。氮俘獲電子以后，又因庫侖作用而俘獲空穴（氮等電子陷阱俘獲空穴和電子的能量分別是0.037eV和0.01eV左右），俘獲的電子和空穴形成激子。這種激子通過輻射復(fù)合消失時，在室溫下發(fā)射波長入=570nm綠光。當(dāng)GaP摻入鋅和氧后，Zn原子一般占據(jù)晶格中的Ga位置，而O則占據(jù)P的位置。由GaP的晶格結(jié)構(gòu)可以看出，GaP處于相鄰位置。Zn，O取代后必然處于相鄰的位置。于是形成了Zn-O對等電子陷阱。它與摻氮的情況不同。由于Zn比基質(zhì)Ga的陽性更強(qiáng)，而O比P的陰性更強(qiáng)，因此GaP中Zn與O原子處在最近鄰位置時比分離存在更穩(wěn)定。由于氧原子是電子親合力強(qiáng)的原子，即使處于陽性原子Zn的最近鄰位置也能俘獲電子。俘獲電子后Zn-O對便帶負(fù)電，由于庫侖力又去俘獲空穴，從而形成激子。激子復(fù)合便發(fā)出紅色輻射。在GaP中Zn-O對等電子陷阱俘獲電子的能量為30010meV,而俘獲空穴的能量為37meV，因此激子復(fù)合發(fā)光的波長在紅色范圍。電致發(fā)光； 當(dāng)正向偏壓加于P-N結(jié)（或異質(zhì)結(jié)）的兩端時，載流子注入穿越P-N結(jié)（或異質(zhì)結(jié)），使得載流子濃度超過熱平衡值，形成過量載流子。過量載流子復(fù)合，能量可能以光（光子）的形式