半导体器件物理课件第八章.pptVIP

第一页，共33页 8.1 辐射复合与非辐射 第二页，共33页 8.1辐射复合和非辐射复合 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。 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。 第三页，共33页 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: 导带 价带 导带 价带 图8-1 带间复合：（a）直接能隙复合（b）间接能隙复合 第四页，共33页 8.1.1 辐射复合 直接辐射复合 对于直接带隙半导体，导带极小值和价带极大值发生在布里渊区同一点如图8.1a所示。 电子在跃迁过程中必须遵守能量守恒和准动量守恒 准动量守恒要求 （8-1） =跃迁前电子的波矢量 =跃迁后电子的波矢量 =跃迁过程中辐射的光子的波矢量 第五页，共33页 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 第六页，共33页 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 （8-4） 为声子的波矢，正号表示放出声子，负号表示吸收声子，相应能量守恒的条件为 （8-5） 为声子频率。 一般比电子能量小得多，可以略去。 为声子的能量， 第七页，共33页 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。 ? 图8-2 浅能级杂质与主带的复合 ? 第八页，共33页 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。 ? 图8-3D－A 对复合能级图 ? 第九页，共33页 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 （8-6） 第十页，共33页 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位置，在温度为 时， ；而氧施主 杂质是磷替位和锌受主杂质是镓替位，在温度为 时， 。 D-A对的发光在室温下由于与声子相互作用较强，很难发现D－A对复合的线光 谱。但是，在低温下可以明显地观察到