1、第八章第八章 發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器1907.Round發(fā)現(xiàn)電流通過(guò)硅檢波器時(shí)有黃光發(fā)生發(fā)現(xiàn)電流通過(guò)硅檢波器時(shí)有黃光發(fā)生1923.Lossev在碳化硅檢波器中觀察到類似現(xiàn)象在碳化硅檢波器中觀察到類似現(xiàn)象1955.Braunstein首次在三首次在三-五族化合物中觀察到輻射復(fù)合五族化合物中觀察到輻射復(fù)合1961.Gershenzon觀察到磷化鎵觀察到磷化鎵PN結(jié)發(fā)光結(jié)發(fā)光1962年砷化鎵發(fā)光二極管和激光器研制成功年砷化鎵發(fā)光二極管和激光器研制成功1970年砷化鎵年砷化鎵-鋁鎵砷激光器實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)鋁鎵砷激光器實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)8.1 8.1 輻射復(fù)合與非輻射輻射復(fù)合與非輻射8.

2、1輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合 在復(fù)合過(guò)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(lái)，在復(fù)合過(guò)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(lái)，這種復(fù)合稱為輻射復(fù)合，它是光吸收的逆過(guò)程。這種復(fù)合稱為輻射復(fù)合，它是光吸收的逆過(guò)程。 在復(fù)合過(guò)程中電子的多余能量也可以以其它形式釋放出來(lái)，而不發(fā)射光在復(fù)合過(guò)程中電子的多余能量也可以以其它形式釋放出來(lái)，而不發(fā)射光子，這種復(fù)合稱為非輻射復(fù)合。子，這種復(fù)合稱為非輻射復(fù)合。 光電器件利用的是輻射復(fù)合過(guò)程，非輻射復(fù)合過(guò)程則是不利的。了解半導(dǎo)光電器件利用的是輻射復(fù)合過(guò)程，非輻射復(fù)合過(guò)程則是不利的。了解半導(dǎo)體中輻射復(fù)合過(guò)程和非輻射復(fù)合過(guò)程

3、是了解光電器件的工作機(jī)制和進(jìn)行器件體中輻射復(fù)合過(guò)程和非輻射復(fù)合過(guò)程是了解光電器件的工作機(jī)制和進(jìn)行器件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。 8.1.1輻射復(fù)合輻射復(fù)合 1.帶間輻射復(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(jià)帶與價(jià)帶中的空穴復(fù)合。發(fā)射的光子的能帶間輻射復(fù)合是導(dǎo)帶中的電子直接躍遷到價(jià)帶與價(jià)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。量接近等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。 由于半導(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)的不同，帶間輻射復(fù)合又可以分為直接輻射復(fù)合和間接輻射由于半導(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)的不同，帶間輻射復(fù)合又可以分為直接輻射復(fù)合和間接輻射合兩種合兩種:導(dǎo)帶價(jià)帶導(dǎo)帶價(jià)帶圖圖8-1 帶間復(fù)合：（

4、帶間復(fù)合：（a）直接）直接能隙復(fù)合（能隙復(fù)合（b）間接能隙復(fù)合）間接能隙復(fù)合8.1.1 輻射復(fù)合輻射復(fù)合直接輻射復(fù)合直接輻射復(fù)合對(duì)于直接帶隙半導(dǎo)體，導(dǎo)帶極小值和價(jià)帶極大值發(fā)生在布里淵區(qū)同一對(duì)于直接帶隙半導(dǎo)體，導(dǎo)帶極小值和價(jià)帶極大值發(fā)生在布里淵區(qū)同一點(diǎn)點(diǎn)如圖如圖8.1a8.1a所示。所示。電子在躍遷過(guò)電子在躍遷過(guò)程中必須遵守能量守恒和準(zhǔn)動(dòng)量守恒程中必須遵守能量守恒和準(zhǔn)動(dòng)量守恒準(zhǔn)動(dòng)量守恒要求準(zhǔn)動(dòng)量守恒要求 （8-18-1） = =躍遷前電子的波矢量躍遷前電子的波矢量= =躍遷后電子的波矢量躍遷后電子的波矢量 = =躍遷過(guò)程中輻射的光子的波矢量躍遷過(guò)程中輻射的光子的波矢量光子KKK122K1K光子K

5、8.1.1輻射復(fù)合輻射復(fù)合 （8-2）(8-2)式說(shuō)明這種躍遷發(fā)生在式說(shuō)明這種躍遷發(fā)生在 空間的同一地點(diǎn)，因此也被稱為豎直躍遷?？臻g的同一地點(diǎn)，因此也被稱為豎直躍遷。 能量守恒要求能量守恒要求 （8-3）式中式中 = 躍遷前電子的能量躍遷前電子的能量 = 躍遷后電子的能量躍遷后電子的能量 = 輻射光子的能量輻射光子的能量12KKkgEEEh122E1Eh8.1.1輻射復(fù)合輻射復(fù)合間接輻射復(fù)合間接輻射復(fù)合 在這種半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶極小值和價(jià)帶極大值不是發(fā)生在布里淵區(qū)的同一地點(diǎn)，因此這種躍遷是非在這種半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶極小值和價(jià)帶極大值不是發(fā)生在布里淵區(qū)的同一地點(diǎn)，因此這種躍遷是非豎直躍遷。準(zhǔn)動(dòng)量守恒要求

6、在躍進(jìn)過(guò)程中必須伴隨聲子的吸收或放出。即豎直躍遷。準(zhǔn)動(dòng)量守恒要求在躍進(jìn)過(guò)程中必須伴隨聲子的吸收或放出。即qKK12qphEEh12gEpph （8-4）為聲子的波矢，正號(hào)表示放出聲子，負(fù)號(hào)表示吸收聲子，相應(yīng)能量守為聲子的波矢，正號(hào)表示放出聲子，負(fù)號(hào)表示吸收聲子，相應(yīng)能量守恒的條件為恒的條件為 （8-5）為聲子頻率。為聲子頻率。一般比電子能量小得多，可以略去。一般比電子能量小得多，可以略去。為聲子的能量，為聲子的能量，8.1.1輻射復(fù)合輻射復(fù)合 2.淺能級(jí)和主帶之間的復(fù)合淺能級(jí)和主帶之間的復(fù)合 它可以是淺施主與價(jià)帶空穴或淺受主與導(dǎo)帶電子之間的的復(fù)合，如圖它可以是淺施主與價(jià)帶空穴或淺受主與導(dǎo)帶電子

7、之間的的復(fù)合，如圖8-2所示。所示。圖圖8-2 淺能級(jí)雜質(zhì)與主帶的復(fù)合淺能級(jí)雜質(zhì)與主帶的復(fù)合8.1.1輻射復(fù)合輻射復(fù)合3.施主施主 受主對(duì)（受主對(duì)（D-A對(duì)）復(fù)合對(duì)）復(fù)合 施主施主 受主對(duì)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(guò)程中發(fā)射光子受主對(duì)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(guò)程中發(fā)射光子光子的能量小于禁帶寬度。這是輻射能量小于禁帶寬度的一種重要的復(fù)合發(fā)光機(jī)制，這種復(fù)光子的能量小于禁帶寬度。這是輻射能量小于禁帶寬度的一種重要的復(fù)合發(fā)光機(jī)制，這種復(fù)合也稱為合也稱為D-A對(duì)復(fù)合。對(duì)復(fù)合。 D-A對(duì)復(fù)合模型認(rèn)為，當(dāng)施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)同時(shí)以替位原子進(jìn)入晶對(duì)復(fù)合模

8、型認(rèn)為，當(dāng)施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)同時(shí)以替位原子進(jìn)入晶格格點(diǎn)并形成近鄰時(shí)，這些集結(jié)成對(duì)的施主和受主系統(tǒng)由于距離較近，波函數(shù)相互交疊使施格格點(diǎn)并形成近鄰時(shí)，這些集結(jié)成對(duì)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(chǎng)消失而形成偶極勢(shì)場(chǎng)，從而結(jié)合成施主主和受主各自的定域場(chǎng)消失而形成偶極勢(shì)場(chǎng)，從而結(jié)合成施主 受主對(duì)聯(lián)合發(fā)光中心，稱為受主對(duì)聯(lián)合發(fā)光中心，稱為D-A對(duì)。對(duì)。 D-A對(duì)發(fā)光中心的能級(jí)如圖對(duì)發(fā)光中心的能級(jí)如圖8-3所示。所示。圖圖8-3DA 對(duì)復(fù)合能級(jí)圖對(duì)復(fù)合能級(jí)圖8.1.1輻射復(fù)合輻射復(fù)合 3.施主受主對(duì)復(fù)合施主受主對(duì)復(fù)合 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

9、的電子與受主上的空穴施主俘獲電子，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。所以復(fù)合后，施主再帶正電，受主再帶負(fù)電。所以DA對(duì)復(fù)合過(guò)程是中性組態(tài)產(chǎn)生電對(duì)復(fù)合過(guò)程是中性組態(tài)產(chǎn)生電離施主離施主 受主對(duì)的過(guò)程，故復(fù)合是具有庫(kù)侖作用的。躍遷中庫(kù)侖作用的強(qiáng)弱取決于受主對(duì)的過(guò)程，故復(fù)合是具有庫(kù)侖作用的。躍遷中庫(kù)侖作用的強(qiáng)弱取決于施主與受主之間的距離的大小。粗略地以類氫原子模型處理施主與受主之間的距離的大小。粗略地以類氫原子模型處理DA對(duì)中心。在沒(méi)有對(duì)中心。在沒(méi)有聲子參與復(fù)合的情況下，發(fā)射的光子能量為聲子參與復(fù)合的情況下，發(fā)射的光子能量為 rkqEEErh

10、adgAD024 （8-6）8.1輻射復(fù)合3.施主受主對(duì)復(fù)合施主受主對(duì)復(fù)合 對(duì)于對(duì)于 材料，不同雜質(zhì)原子和它們的替位狀態(tài)會(huì)造成對(duì)的電離能不同。例如：材料，不同雜質(zhì)原子和它們的替位狀態(tài)會(huì)造成對(duì)的電離能不同。例如：氧施主和碳受主雜質(zhì)替代磷的位置，在溫度為氧施主和碳受主雜質(zhì)替代磷的位置，在溫度為 時(shí)，時(shí)， ；而氧施主；而氧施主雜質(zhì)是磷替位和鋅受主雜質(zhì)是鎵替位，在溫度為雜質(zhì)是磷替位和鋅受主雜質(zhì)是鎵替位，在溫度為 時(shí)，時(shí)， 。D-A對(duì)的發(fā)光在室溫下由于與聲子相互作用較強(qiáng)，很難發(fā)現(xiàn)對(duì)的發(fā)光在室溫下由于與聲子相互作用較強(qiáng)，很難發(fā)現(xiàn)DA對(duì)復(fù)合的線光對(duì)復(fù)合的線光譜。但是，在低溫下可以明顯地觀察到對(duì)發(fā)射的線光譜系

11、列。這種發(fā)光機(jī)構(gòu)已為實(shí)譜。但是，在低溫下可以明顯地觀察到對(duì)發(fā)射的線光譜系列。這種發(fā)光機(jī)構(gòu)已為實(shí)驗(yàn)證實(shí)并對(duì)發(fā)光光譜作出了合理的解釋。驗(yàn)證實(shí)并對(duì)發(fā)光光譜作出了合理的解釋。GaPK6 . 1meVEEda9411.6KmeVEEda6 .9568.1輻射復(fù)合輻射復(fù)合n4.通過(guò)深能級(jí)的復(fù)合通過(guò)深能級(jí)的復(fù)合n電子和空穴通過(guò)深能級(jí)復(fù)合時(shí)，輻射的光子能量遠(yuǎn)小于禁帶寬度，發(fā)電子和空穴通過(guò)深能級(jí)復(fù)合時(shí)，輻射的光子能量遠(yuǎn)小于禁帶寬度，發(fā)射光的波長(zhǎng)遠(yuǎn)離吸收邊。對(duì)于窄禁帶材料，要得到可見光是困難的，射光的波長(zhǎng)遠(yuǎn)離吸收邊。對(duì)于窄禁帶材料，要得到可見光是困難的，但對(duì)于寬禁帶材料，這類發(fā)光還是有實(shí)際意義的，例如但對(duì)于寬禁帶

12、材料，這類發(fā)光還是有實(shí)際意義的，例如 中的紅色中的紅色發(fā)光，便是屬于這類復(fù)合。發(fā)光，便是屬于這類復(fù)合。n深能級(jí)雜質(zhì)除了對(duì)輻射復(fù)合有影響外，往往是造成非輻射復(fù)合的根源，深能級(jí)雜質(zhì)除了對(duì)輻射復(fù)合有影響外，往往是造成非輻射復(fù)合的根源，特別是在直接帶隙材料中更是如此。所以在實(shí)際工作中，往往需要盡特別是在直接帶隙材料中更是如此。所以在實(shí)際工作中，往往需要盡量減少深能級(jí)，以提高發(fā)光效率。量減少深能級(jí)，以提高發(fā)光效率。GaP8.1輻射復(fù)合輻射復(fù)合5.激子復(fù)合激子復(fù)合 如果半導(dǎo)體吸收能量小于禁帶寬度的光子，電子被從價(jià)帶激發(fā)。但由于庫(kù)侖作用，如果半導(dǎo)體吸收能量小于禁帶寬度的光子，電子被從價(jià)帶激發(fā)。但由于庫(kù)侖作用

13、，它仍然和價(jià)帶中留下的空穴聯(lián)系在一起，形成束縛狀態(tài)。這種被庫(kù)侖能束縛在一它仍然和價(jià)帶中留下的空穴聯(lián)系在一起，形成束縛狀態(tài)。這種被庫(kù)侖能束縛在一起的電子起的電子-空穴對(duì)就稱為激子。如果激子復(fù)合以輻射方式釋放能量，就可以形成發(fā)空穴對(duì)就稱為激子。如果激子復(fù)合以輻射方式釋放能量，就可以形成發(fā)光過(guò)程。光過(guò)程。 自由激子：自由激子： 對(duì)于直接帶隙半導(dǎo)體材料，自由激子復(fù)合發(fā)射光子的能量為對(duì)于直接帶隙半導(dǎo)體材料，自由激子復(fù)合發(fā)射光子的能量為 式中式中 為激子能級(jí)。為激子能級(jí)。 對(duì)于間接帶隙半導(dǎo)體材料，自由激子復(fù)合發(fā)射光子的能量為對(duì)于間接帶隙半導(dǎo)體材料，自由激子復(fù)合發(fā)射光子的能量為式中式中 表示吸收或放出能量為

14、表示吸收或放出能量為 的的 個(gè)聲子。個(gè)聲子。nexcgEEh（8-7）nexcEpnexcgNEEEh（8-8） pNEpEN8.1.1輻射復(fù)合5.激子復(fù)合激子復(fù)合束縛激子：束縛激子：若激子對(duì)雜質(zhì)的結(jié)合能為若激子對(duì)雜質(zhì)的結(jié)合能為 ，則其發(fā)射光譜的峰值為，則其發(fā)射光譜的峰值為 是材料和束縛激子的中心的電離能是材料和束縛激子的中心的電離能 的函數(shù)。近年來(lái)，在發(fā)光材料的研究中，發(fā)的函數(shù)。近年來(lái)，在發(fā)光材料的研究中，發(fā)現(xiàn)束縛激子的發(fā)光起重要作用，而且有很高的發(fā)光效率。如現(xiàn)束縛激子的發(fā)光起重要作用，而且有很高的發(fā)光效率。如 材料中材料中 對(duì)對(duì) 產(chǎn)生的束縛激子引起紅色發(fā)光。氮等電子陷阱產(chǎn)生的束縛激子引起綠

15、色發(fā)光。這兩種產(chǎn)生的束縛激子引起紅色發(fā)光。氮等電子陷阱產(chǎn)生的束縛激子引起綠色發(fā)光。這兩種發(fā)光機(jī)制使發(fā)光二極管的發(fā)光效率大大提高，成為發(fā)光二極管的主要發(fā)光機(jī)制。激子發(fā)光機(jī)制使發(fā)光二極管的發(fā)光效率大大提高，成為發(fā)光二極管的主要發(fā)光機(jī)制。激子發(fā)光的研究越來(lái)越受到人們的重視。發(fā)光的研究越來(lái)越受到人們的重視。bxEbxnexcgEEEh（8-9） bxEiEGaPOZn8.1.1 輻射復(fù)合輻射復(fù)合6 6、等電子陷阱復(fù)合、等電子陷阱復(fù)合 等電子雜質(zhì)等電子雜質(zhì)：周期表內(nèi)與半導(dǎo)體基質(zhì)原子同族的原子。：周期表內(nèi)與半導(dǎo)體基質(zhì)原子同族的原子。等電子陷阱等電子陷阱：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)。由于等電

16、子雜質(zhì)與被替位的原子：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)。由于等電子雜質(zhì)與被替位的原子 之間的電負(fù)性和原子半徑等方面是不同的，因而引起晶格勢(shì)場(chǎng)畸變，可以束縛電子或空穴之間的電負(fù)性和原子半徑等方面是不同的，因而引起晶格勢(shì)場(chǎng)畸變，可以束縛電子或空穴 形成帶電中心，就象在等電子雜質(zhì)的位置形成陷阱，將電子或空穴陷著，故稱為等電子陷阱。形成帶電中心，就象在等電子雜質(zhì)的位置形成陷阱，將電子或空穴陷著，故稱為等電子陷阱。 如果等電子雜質(zhì)的電負(fù)性比晶格原子的電負(fù)性大，則可以形成電子的束縛態(tài)，這樣如果等電子雜質(zhì)的電負(fù)性比晶格原子的電負(fù)性大，則可以形成電子的束縛態(tài)，這樣的等電子陷阱也可稱為等電子的電子陷阱

17、，這樣的雜質(zhì)稱為等電子受主的等電子陷阱也可稱為等電子的電子陷阱，這樣的雜質(zhì)稱為等電子受主( (如氮原子取代中如氮原子取代中GapGap磷原子磷原子) )。 如果等電子雜質(zhì)的電負(fù)性比晶格原子的電負(fù)性小，則形成空穴的束縛態(tài)，稱為等電子的如果等電子雜質(zhì)的電負(fù)性比晶格原子的電負(fù)性小，則形成空穴的束縛態(tài)，稱為等電子的空穴陷阱，產(chǎn)生這種束縛態(tài)的雜質(zhì)稱為等電子施主空穴陷阱，產(chǎn)生這種束縛態(tài)的雜質(zhì)稱為等電子施主( (如鉍原子取代如鉍原子取代GapGap中磷中磷原子原子) ) 。 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(gè)帶電中心又由庫(kù)侖作用而俘獲當(dāng)?shù)入娮酉葳宸@了某一種載流子以后，成為帶電中心，這個(gè)

18、帶電中心又由庫(kù)侖作用而俘獲帶電符號(hào)相反的載流子，形成束縛激子。當(dāng)激子復(fù)合時(shí)，就能以發(fā)射光子的形式釋放能量。帶電符號(hào)相反的載流子，形成束縛激子。當(dāng)激子復(fù)合時(shí)，就能以發(fā)射光子的形式釋放能量。8.1.1輻射復(fù)合輻射復(fù)合 6.等電子陷阱復(fù)合等電子陷阱復(fù)合 等電子雜質(zhì)對(duì)電子的束縛是短程力，因此，被束縛的電子定域在雜質(zhì)原等電子雜質(zhì)對(duì)電子的束縛是短程力，因此，被束縛的電子定域在雜質(zhì)原子附近很窄的范圍內(nèi)。電子的波函數(shù)在位形空間中的定域是很確定的。子附近很窄的范圍內(nèi)。電子的波函數(shù)在位形空間中的定域是很確定的。根據(jù)海森堡測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系，電子波函數(shù)在動(dòng)量空間中會(huì)擴(kuò)展到很寬的范根據(jù)海森堡測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系，電子波函數(shù)在動(dòng)量空間中

19、會(huì)擴(kuò)展到很寬的范圍，因而被束縛在等電子陷阱的電子在圍，因而被束縛在等電子陷阱的電子在 空間中從空間中從 到到X的幾率改變，的幾率改變，使電子在使電子在 點(diǎn)的幾率密度點(diǎn)的幾率密度 提高，如圖提高，如圖8-5所示。氮等電子陷阱的引入，所示。氮等電子陷阱的引入，使使 點(diǎn)出現(xiàn)電子的幾率比間接躍遷的點(diǎn)出現(xiàn)電子的幾率比間接躍遷的 材料提高材料提高3個(gè)數(shù)量級(jí)左右，從個(gè)數(shù)量級(jí)左右，從而使電子通過(guò)等電子陷阱實(shí)現(xiàn)躍遷而無(wú)需聲子參與，大大地提高而使電子通過(guò)等電子陷阱實(shí)現(xiàn)躍遷而無(wú)需聲子參與，大大地提高 的發(fā)光效率的發(fā)光效率 。k2GaPNGaP :8.1.1輻射復(fù)合輻射復(fù)合圖圖8-5 8-5 ， 和和的等電子陷阱束縛

20、電子的幾率密度在空間的分布的等電子陷阱束縛電子的幾率密度在空間的分布 Ln|2 （任意單位） 1 6 2 3 4 5 7 0 K 55. 0GaAs NNP:45. 0 NGaP : GaP GaPNGaP :NNPGaAs:45. 055. 0 8.1.2非輻射復(fù)合非輻射復(fù)合1.多聲子過(guò)程多聲子過(guò)程非輻射復(fù)合非輻射復(fù)合 圖圖8-6 多聲子躍遷多聲子躍遷 0125102050100200300400500600光子能量 （meV）8.1.2非輻射復(fù)合非輻射復(fù)合2.2.俄歇俄歇( (Auger)Auger)過(guò)程過(guò)程 圖圖8-7俄歇過(guò)程俄歇過(guò)程（a） （b） （c） N型 8.1.2非輻射復(fù)合非輻

21、射復(fù)合2.2.俄歇俄歇( (Auger)Auger)過(guò)程過(guò)程 圖圖8-7俄歇過(guò)程俄歇過(guò)程（d） （e） （f） P型 8.1.2非輻射復(fù)合非輻射復(fù)合2.2.俄歇俄歇( (Auger)Auger)過(guò)程過(guò)程 圖圖8-7俄歇過(guò)程俄歇過(guò)程 （g） （h） （i） 雜質(zhì)帶 激子 電子 激子 空穴 8.1.2非輻射復(fù)合非輻射復(fù)合3.表面復(fù)合晶體表面處晶格的中斷，產(chǎn)生能從周圍吸附雜質(zhì)的懸掛鍵。表面復(fù)合晶體表面處晶格的中斷，產(chǎn)生能從周圍吸附雜質(zhì)的懸掛鍵。因而能夠產(chǎn)生高濃度的深的和淺的能級(jí)，它們可以充當(dāng)復(fù)合中心。因而能夠產(chǎn)生高濃度的深的和淺的能級(jí)，它們可以充當(dāng)復(fù)合中心。雖然對(duì)這些表面態(tài)的均勻分布沒(méi)有確定的論據(jù)，

22、當(dāng)假定是均勻分布雖然對(duì)這些表面態(tài)的均勻分布沒(méi)有確定的論據(jù)，當(dāng)假定是均勻分布時(shí)，表面態(tài)的分布為時(shí)，表面態(tài)的分布為 ，與實(shí)驗(yàn)的估計(jì)良好地一致。，與實(shí)驗(yàn)的估計(jì)良好地一致。 14214 10Ns EcmeV8.2 8.2 LEDLED的基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程的基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程8.2 8.2 LEDLED的基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程的基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程 平面結(jié)構(gòu)鎵砷磷紅光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖平面結(jié)構(gòu)鎵砷磷紅光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖 圖圖8-9 8-9 磷化鎵發(fā)光二極管磷化鎵發(fā)光二極管 （a a）磷化鎵發(fā)光二極管管芯截面圖磷化鎵發(fā)光二極管管芯截面圖 （b b）封裝后的磷化鎵發(fā)光二極管封裝后的磷化鎵發(fā)光二極管 8.2 8.

23、2 LEDLED的基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程的基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程 PNPN結(jié)的電致發(fā)光結(jié)的電致發(fā)光圖圖8-10 8-10 P-NP-N的電致發(fā)光結(jié)：（的電致發(fā)光結(jié)：（a a）零偏壓，（零偏壓，（b b）正向偏壓正向偏壓V8.3 LED的特性參數(shù)的特性參數(shù)n8.3.1 V-I特性n發(fā)光二極管的電流電壓特性和普通二極管大體一致。發(fā)光二極管的開啟電壓很低， 是1.0伏， 、 大約1.5伏。 （紅光）大約1.8伏， （綠光）大約2.0伏。工作電流約為10 。工作電壓和工作電流低，使得可以把它們做的很小，以至于看作點(diǎn)光源，這使得LED極適宜用于光顯示。GaAsxxPGaAs1AsAlGaxx1GaPGaPmA8

24、.3.2 量子效率量子效率n量子效率是發(fā)光二極管特性中一個(gè)與輻射量有量子效率是發(fā)光二極管特性中一個(gè)與輻射量有關(guān)的重要參數(shù)。它反映了注入載流子復(fù)合產(chǎn)生關(guān)的重要參數(shù)。它反映了注入載流子復(fù)合產(chǎn)生光量子的率。量子效率又有內(nèi)量子效率和外量光量子的率。量子效率又有內(nèi)量子效率和外量子效率兩個(gè)概念子效率兩個(gè)概念:n外量子效率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)輸出二極管外的光子外量子效率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)輸出二極管外的光子數(shù)目與注入的載流子數(shù)目之比。數(shù)目與注入的載流子數(shù)目之比。n內(nèi)量子效率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)半導(dǎo)體的輻射復(fù)合產(chǎn)內(nèi)量子效率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)半導(dǎo)體的輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子數(shù)與注入的載流子數(shù)目之比。生的光子數(shù)與注入的載流子數(shù)目之比。8.3.2量子

25、效率量子效率n1.注射效率注射效率圖圖8-128-12 帶尾對(duì)帶帶尾對(duì)帶 帶復(fù)合的影帶復(fù)合的影響；（響；（a）型，（）型，（b） 型型 （a）（b）nnprecIrIIIgEgEhhhgEgE8.3.2量子效率量子效率注射效率就是可以產(chǎn)生輻射復(fù)合的二極管電流在二極管的總電流中所占的百注射效率就是可以產(chǎn)生輻射復(fù)合的二極管電流在二極管的總電流中所占的百分比。分比。n根據(jù)（根據(jù)（8-15）式提高注射效率的途徑是：）式提高注射效率的途徑是：n(a) P區(qū)受主濃度要小于區(qū)受主濃度要小于 N 區(qū)施主濃度，即區(qū)施主濃度，即 結(jié)。結(jié)。n(b)減小耗盡層中的復(fù)合電流。這就要求減小耗盡層中的復(fù)合電流。這就要求LE

26、D所用的材料和制造工藝盡可所用的材料和制造工藝盡可能保證晶體完整，盡量避免有害雜質(zhì)的摻入。能保證晶體完整，盡量避免有害雜質(zhì)的摻入。n(c)選用電子遷移率比空穴遷移率大的材料。由于選用電子遷移率比空穴遷移率大的材料。由于 族化合物半導(dǎo)體族化合物半導(dǎo)體的電子遷移率比空穴遷移率大很多，例如的電子遷移率比空穴遷移率大很多，例如 ，所以它們是，所以它們是制造制造LED的上選材料。的上選材料。PNVIII 30,pnGaAs8.3.2量子效率量子效率 2.輻射效率輻射效率n發(fā)生輻射復(fù)合的電子數(shù)與總的注入電子數(shù)比：發(fā)生輻射復(fù)合的電子數(shù)與總的注入電子數(shù)比： rnrrr11nrrrrUUUrrnUnrnrnU（8-18）（8-17）（8-16）（8-19）8.3.2量子效率量子效率三種可能的復(fù)合過(guò)程三種可能的復(fù)合過(guò)程圖8-13三種可能的復(fù)合過(guò)程淺施主能級(jí)淺