第五章 固体结构及能带理论.pptxVIP

第五章 固体结构及能带理论5.1 晶体的结构回顾这些概念点阵晶体结构的周期性晶格晶胞晶系（七个）（1）三斜晶系（2）单斜晶系（5）正交晶系（3）六角（或六方）晶系（6）四方（或正方）晶系（7）立方晶系（4）三角（或菱形）晶系5.2 晶体的对称性镜面（m）反映转动反演转动反演转动对称轴（1，2，3，4，6）宏观对称操作晶体的对称操作对称中心（Z）可归结为9种宏观对称元素转动-反演对称轴（ 、 、 、 、 ）平移轴平移转动一平移反映—平移螺旋轴微观对称操作滑动面9种宏观对称元素a）一次转动—反演对称轴（ ）布喇菲格子中晶胞选取规则可以得到七大晶系及14种晶胞。各种宏观对称元素在一起组合排列，一共可以得出32种对称组合，称为点群、晶类或对称类型引入微观结构对称性及其对称元素使晶体的32种点群扩展为230种空间群。b）二次转动对称轴（2）c）二次转动—反演对称轴（ ）d）三次转动对称轴（3）e）三次转动—反演对称轴（ ）f）四次转动对称轴（4）g）四次转动—反演对称轴（ ）h）六次转动对称轴（6）i）六次转动—反演对称轴（ ）5.3 固体中电子的能量状态电子的共有化运动使能级变为能带禁带直接带间接带简化的能带模型本征吸收价带电子吸收一个光子跃迁到导带光子的能量应不小于材料的禁带能量守恒动量守恒光子的波数大约是105cm-1电子的波数大约为108cm-1忽略光子的动量直接带半导体价带顶与导带底位于k=0的位置电子直接从价带跃迁到导带，k值不变当k=0 的跃迁禁戒时曲线为直线间接带半导体价带顶和导带底的k值不同电子从价带跃迁到导带不仅能量发生变化，动量也发生变化声子参与——吸收或发射声子跃迁概率低k：声子的波矢间接跃迁光吸收系数吸收一个声子发射一个声子5.4 晶格振动对电子跃迁的影响位形坐标模型的量子力学解释定域中心的状态可以用波函数Ψ来描述Ψ是电子坐标r和原子核坐标R的函数在绝热近似条件下Ψ可分为与电子有关的部分和与原子核有关的部分，即n 、k 分别为表示电子和原子核能量状态的量子数简谐振动的振动能量为分立的能量值ω 为谐振子的本征角频率当m (or n) = 0, 波函数分布为高斯分布当m (or n)≠0, 在抛物线的边缘达到最大值，在两个最大振幅之间振荡m次，但振幅较小n和m间电偶极跃迁概率Wnm为：当为允许跃迁时， Meg可看做一个常数——康登近似弗兰克-康登系数，决定了光学跃迁的强度光谱形状低温下，基态原子大部分处于m=0的振动能级，激发态大部分处于n=0的振动能级光吸收的跃迁主要从最低振动能级开始跃迁在Q=0具有最大值，因为此时激发态的振动能级具有最大的振幅，该跃迁对应吸收带的最大值。跃迁也有可能从比Q=0大或小的Q值开始，但粒子数目逐渐减少，故吸收的强度逐渐减弱。跃迁在激发态的边缘结束Q0越大，吸收带越宽。同理，可解释发射带发光中心吸收一个光子从基态跃迁到激发态抛物线的高振动能级，然后快速弛豫到激发态抛物线的最低振动能级（n=0），发射S个声子损失能量，斯托克斯位移为 S表示了电子-晶格的偶合强度S1 弱偶合1S5中等偶合S5 强偶合温度较高时，初始态可能是m0（或n0）的振动能级，使吸收带（发射带）更宽当Q0=0，两抛物线几乎重合在一起，带宽消失，吸收（发射）谱带变成了线状谱峰Q0=0的跃迁不产生声子发射，故称为零声子振动跃迁或无声子跃迁5.6 缺陷及其对发光的影响一、点缺陷空位 、填隙原子 、位错原子 、化合物 同时存在空位或填隙原子杂质原子替位 、杂质原子填隙点缺陷可以形成辐射复合中心，也就是发光中心 也可以形成无辐射复合中心或陷阱结构缺陷型发光中心由晶格本身的结构缺陷如空位、填隙原子等形成的决定这类发光中心性质的是晶格本身的结构缺陷 如ZnS中的VZn（自激活兰色发光带）发光中心杂质缺陷型发光中心由激活剂离子或者激活剂离子与其它缺陷组成的缔合缺陷形成基质在灼烧过程中要加进适当的激活剂杂质发光的性质主要由激活剂来决定 如ZnS: Mn中发光中心为MnZn结构型缺陷，如p-GaAs中VGa杂质缺陷，如ZnS中Fe、Co、Ni无辐射复合中心二、线缺陷（位错）形成陷阱能级导致杂质的不均匀分布禁带宽度变化晶格受压缩的地方，禁带变宽晶格伸张部分，禁带变窄影响发光效率无辐射复合或产生不需要的发射带导致PN结击穿思考题 试用位形坐标模型解释发光材料发射光谱和吸收光谱带宽的成因用位形坐标模型说明发光材料从吸收到发射循环的全过程，并解释斯托克斯位移的成因用位形坐标模型解释发光材料的温度猝灭现象