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第八章 发光二极管和半导体激光器 8.1 辐射复合与非辐射复合 8.1辐射复合和非辐射复合 辐射复合：在复合过程中电子多余的能量可以以辐射的形式（发射光子）释放出来，这种复合称为辐射复合，它是光吸收的逆过程。 非辐射复合：在复合过程中电子的多余能量也可以以其它形式释放出来，而不发射光子，这种复合称为非辐射复合。 光电器件利用的是辐射复合过程，非辐射复合过程则是不利的。了解半导 体中辐射复合过程和非辐射复合过程是了解光电器件的工作机制和进行器件 设计的基础。 8.1.1辐射复合 1.带间辐射复合 带间辐射复合是导带中的电子直接跃迁到价带与价带中的空穴复合。发射的光子的能量接近等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: 8.1.1 辐射复合 布里渊区??Brillouin zone 固体的能带理论中，各种电子态按照它们波矢的分类。在波矢空间中取某一倒易阵点为原点，作所有倒易点阵矢量的垂直平分面，这些面波矢空间划分为一系列的区域：其中最靠近原点的一组面所围的闭合区称为第一布里渊区；在第一布里渊区之外，由于一组平面所包围的波矢区叫第二布里渊区；依次类推可得第三、四、…等布里渊区。各布里渊区体积相等，都等于倒易点阵的元胞体积。周期结构中的一切波在布里渊区界面上产生布喇格反射,对于电子德布罗意波,这一反射可能使电子能量在布里渊区界面上（即倒易点阵矢量的中垂面）产生不连续变化。根据这一特点,1930年L.-N.布里渊首先提出用倒易点阵矢量的中垂面来划分波矢空间的区域，从此被称为布里渊区。  倒易点阵 将空间点阵（真点阵或实点阵)经过倒易变换，就得到倒易点阵.倒易点阵的外形也很象点阵，但其上的节点是对应着真点阵的一组晶面。倒易点阵的空间称为倒易空间. 倒易点阵与正点阵的关系 真点阵中的一组晶面（hkl），在倒易空间中将用一个点Ｐhkl表示（如图所示），点子与晶面有倒易关系，关系为： 点子取在（hkl）的法面上，且Ｐhkl点到倒易点阵原点的距离与（hkl）面间距反比。从原点到Ｐhkl点矢量Ｈ hkl称为倒易矢量，其大小Ｈ hkl=k/ d hkl式中k为比例常数，在多数场合下取作１，但很多时候亦可令之等于Ｘ射线的波长． 　 倒易点阵的性质 １.倒易矢量r垂直于正点阵的HKL晶面２.倒易矢量长度r等于HKL晶面的面间距d HKL的倒数 8.1.1辐射复合 （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 8.1.1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 8.1.1辐射复合 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。 8.1.1辐射复合 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。 8.1.1辐射复合 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D－A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D－A对中心。在没有声子参与复合的情况下，发射的光子能量为 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