75热释光和光释光.docVIP

7.5 热释光和光释光 半导体中的杂质和缺陷，在带隙中形成局域能级。如上一节讨论的，它们能够对带间复合进行某种程度上的调制。本小节要讨论的是某些较深，且为亚稳态的局域能级，在一定温度范围内处在这种能级上的载子可以长期稳定地处在这样的状态。这意味著这类陷阱将成为储存激发信息（电子或空穴）的场所。如果对材料进行某种刺激，例如加热或光照，陷阱中俘获的电子或空穴可以被重新释放出来，并复合发光。对于已经储存了电子（或空穴）的材料，借助于加热使陷阱中的电子（或空穴）获释并复合发光，被称为热释光(简记为TL)，或热激励发光(TSL)；借助于光的刺激使陷阱中的电子（或空穴）获释并复合发光，被称为光释光或光激励发光(OSL)。 图7.5-1给出了完整的TSL和OSL）T俘获，同时价带中的空穴被发光中心L俘获。这种状况也常被称为电子陷阱被填充,发光中心被电离；(b) 显示了发光中心和电子陷阱上积累了一定量的空穴和电子（常称之为光和），它们与激发的历史有关；(c)描述了激励过程：在加热或光照的刺激下，电子从陷阱中被释放到导带，然后与发光中心上的空穴复合发光，形成热释光或光释光。可以看出，释光现象涉及的跃迁元过程就是前面讨论过的两类过程：由电声子相互作用决定的无辐射跃迁过程和光子-电子-声子间相互作用引起的光跃迁过程。特殊之处在于材料具有合适的亚稳能态。 TSL和OSL与PLTSL和OSLTSL和OSL 热释光（TSL）实验通常是以恒定的升温速率对样品加热，同时记录发光强度随温度的变化，这样得到的热释光曲线，会呈现一个（或一些）峰，称为热释光峰。不同深度的陷阱，相应的热释光峰的位置（温度或时间）原则上是不同的。如果材料中存在深度差异较大的陷阱， 热释光现象的实验研究常遇到的另一个问题是发光的热猝灭。它也将影响热释光峰出现的发光太弱， 1. 热释光过程的动力学方程 为便于讨论热释光过程的基本特点，考察7.4.1中讨论的那种最基本的情形：半导体只有一种电子陷阱和一种发光中心。那里考虑的是恒定温度下的过程，而现在的情形，温度是随时间变化的，因而电子从陷阱释放的几率也随时间变化。 那里已给出的陷阱电子（或发光中心上的空穴）数的速率方程（7.4-9）： （7.5-1） 现在依然有效，只是P不再是常数，而是随温度（或时间）变化的。 （7.5-2） 其中为陷阱深度，系数s常称之为热跳跃频率，它与晶格振动频率相当，量级为1010到1014/s。 热释光实验时，先将样品降到足够低的温度，以至电子从陷阱释放的几率可视为零。在这样的温度下，对样品进行第一次激发，使价带中的电子被激发到导带。导带中的这些自由电子，除了参与发光或其它退激发过程，有一部分会被电子陷阱俘获。激发过程结束后，陷阱中储存了一定量的电子，而导带电子浓度几乎为零，也即，热释光的初始条件为陷阱电子浓度和导带电子浓度。接着开始加热，使样品温度以一定的速率线性上升： （7.5-3） 样品的发光（热释光）强度将随之变化。下面将具体讨论两种极限情况下，热释光过程的动力学。 1）一次规律的热释光过程 第一种情形，导带电子与发光中心的复合速率远大于被陷阱俘获的速率，。这时，参数，方程（7.5-1）简化为 (7.5-4) 这时陷阱中电子（或发光中心的空穴）浓度随时间的变化与浓度的一次方成比例，称之为一次规律情形。其解为 (7.5-5) 它随温度升高而降低。热释光强度就等于它在单位时间里的降低数，是温度的函数，这一依赖关系也就是热释光曲线： (7.5-6) 其中随材料温度升高而降低，由初始值n0降低到零。而指数因子P在低温下几乎为零，随着温度的升高而变大。热释光强度与它们的乘积成比例，就随着温度的升高，先增大，在一定温度下达到极大，随后逐渐下降直到变为零。 2） 二次规律的热释光过程 在上面讨论的一次规律模型中忽略了导带电子被陷阱的再俘获，现在考虑另一种极端情况，即导带电子被陷阱俘获的速率远大于它与发光中心上的空穴复合的速率，。这相应于俘获速率常数大，空的陷阱能级多（）的情况。此时发光中心上空穴数变化的速率方程可以被简化为： (7.5-7) 其中，。这种陷阱电子浓度随时间的变化与浓度平方成比例的情形，常称之为二次规律的过程。由上述方程可解得 （7.5-8） 于是得二次过程情形，热释光强度与温度的关系为 (7.5-9) 它与一次规律过程不同，但也是先增长，再变弱。 上面讨论的两种情形，都是单一陷阱能级的情况，会在某个温度下出现单一的热释光峰。可以预期，当材料具有多种陷阱，它们的深度是分立的，热释光曲线将出现多个发光峰。描述这种情形