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电致发光((EL))原理及在太阳电池 缺陷检测中的应用 姚骞 金井升朱生宾 2009/11/19 11. 电致发光原理电致发光原理 电致发光是一种直接将电能转换为光能的现象。 按照原理可分为低场电致发光和高场电致发光。 低场电致发光又称为注人式发光低场电致发光又称为注人式发光 ，半导体发光二极管半导体发光二极管(LED)(LED)就是这种发光方式就是这种发光方式。 当PN结两端加正向偏压时，载流子注入穿越PN结，使得载流子浓度超过热平衡值，形 成过量载流子。过量载流子复合，能量以热(声子)或光(光子)的形式释放。在光子发射 过程中过程中，偏压的电能转化为光能偏压的电能转化为光能 ，这一过程称为注入式电致发光这一过程称为注入式电致发光。其原理如图其原理如图1a1a、1b1b ：： 图1 PN结能带图(左：热平衡状态；右：加正向偏压) 在P侧，注入的非平衡少数载流子电子从导带向下跃迁与价带中的空穴复合，发射能量 为Eg的光子。在N侧，注入的非平衡少数载流子空穴与导带电子复合，同样发射出能 量为Eg的光子。上述发光方式称为带间复合发光。对于Si，该方式发光的波长为: hc λ 1110 nm Eg 在掺杂的Si晶体中存在施主、受主能级，其它杂质能级，缺陷能级等，注入的非平衡载 流子也可在上述能级间复合发光，因为上述能级间能量小于Eg，因此辐射的光波长大于 1110nm1110nm。。 图2 Si电注入发光谱图 图2为Si电注入发光谱。可以看到，左侧有个峰值，对应于1110nm，为Si的带间复合 发射峰发射峰 ，由于载流子的热分布由于载流子的热分布，电子并不完全处于导带底电子并不完全处于导带底，空穴也不完全出于价带空穴也不完全出于价带 顶，因此带间复合的发射光谱有一定的宽度。对于Si，其带间复合宽度在 1000nm~1300nm之间。 在图2右侧1300nm~1700nm间也存在发光光谱，该光谱主要为缺陷能级复合的发光 光谱。 电致发光的亮度正比于总的非平衡少数载流子数量，正比于少子扩散长度，正比于电流密 度，如图3所示： J f J 0 exp(eVf / nKT ) ~ p n Diode Current/Voltage ExcessExcess MinorityMinority CarrierCarrier DensityDensity Total Carrier Number n n exp(−x / L ) p (x ） p (0) e N n L p ( 0 ) e x ∞ EdgeEdge ofof DepletionDepletion layer(x=0) EL Density eV f I ∝N ∝n L L