光电子学第一章.ppt

*********************************深能级态复合——失配位错对发光器件的影响失配位错：两层薄膜材料由于晶格常数和热膨胀系数的不匹配而产生的位错。限制层有源区限制层由于晶格常数和热膨胀系数的不匹配而产生失配位错失配位错三、半导体中的光吸收和光发射非辐射跃迁复合：深能级态复合深能级态复合——失配位错对发光器件的影响失配位错的影响：失配位错的存在将在半导体禁带中产生深能级态。这些深能级态的位置和密度由位错的结构和杂质分凝决定。深能级态的存在将形成载流子陷阱，增大?rad，从而降低发光效率。CBVB???????深能级态，电子被陷住三、半导体中的光吸收和光发射非辐射跃迁复合：深能级态复合深能级态复合——失配位错对发光器件的影响异质界面上非辐射复合速率S与晶格常数失配的关系：结论：制备高效率的异质结发光器件，必须选择晶格常数尽可能匹配的材料，否则器件效率就很低。a：薄膜的晶格常数?a：与另一层薄膜的晶格常数差三、半导体中的光吸收和光发射非辐射跃迁复合：深能级态复合光电有源器件的物理基础是光和物质的相互作用。光与物质的相互作用有三种不同的基本过程：受激吸收自发发射受激发射四、自发发射、受激吸收和受激发射这三种过程总是同时存在，紧密联系当外界入射光子能量hv近似等于E1与E2能级能量差，即hv=E2-E1，电子会吸收光子，由E1能级跃迁到E2能级。四、自发发射、受激吸收和受激发射半导体光电探测器的基本过程受激吸收受激吸收在高能级E2上的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自发地跃迁到低能级E1上，并释放出一个能量为hv=E2-E1的光子。特点：复合过程随机，电子－空穴对复合时产生的光在波长、相位等特性上彼此互不关联，无规律可循，是一种自发性的行为。四、自发发射、受激吸收和受激发射自发发射发光二极管的发光过程自发发射在高能级E2上的电子，受到入射光的作用，由高能级跃迁到低能级E1上，释放出一个能量为hv=E2-E1的光子。特点：受激发射产生的光子与入射光子特性一样。四、自发发射、受激吸收和受激发射受激发射受激发射激光二极管的发光过程受激发射：产生的光子：能量、相位、偏振和传播方向等均与入射光子相同。被激发的原子、分子或电子的能态是一致的。特点：光谱窄，相位一致，有偏振方向，光输出功率大。自发发射：产生的光子：在相位、偏振和传播方向上是随机的。被激发的原子、分子间毫无关联。特点：光谱较宽，相位不一致，无偏振性，输出光功率较弱。四、自发发射、受激吸收和受激发射自发发射、受激发射二过程并存四、自发发射、受激吸收和受激发射***********************半导体材料基本特征电阻率特性导电特性电阻温度系数整流特性光电特性光生电压特性电阻率在杂质、光、电、磁等作用下可以大范围变动，使电学性能可控。有两种导电载流子，即带负电的电子和带正电的空穴。随温度升高电阻率下降，即具有负的电阻温度系数。n型半导体和p型半导体形成pn结，可以实现单向导电。光照射下产生光生载流子，即光电导效应。光照射产生光生电动势，即光电伏特效应。三、半导体中的光吸收和光发射本征半导体光吸收过程当光照射半导体时，光子可以被半导体吸收，也有可能穿透半导体。当hυ≥Eg，光子被吸收。否则光会透过物质，此时半导体表现为透明状。三、半导体中的光吸收和光发射假定半导体的禁带中同时存在：施主能级(n)、受主能级(p)、陷阱能级(T)、激子能级(I)。掺杂半导体光吸收三、半导体中的光吸收和光发射本征吸收—A过程：价带电子?导带光子能量h?≥Eg光吸收需要满足：能量守恒：Ec-Ev=h?Ec：跃迁后处于CB中的电子的能量Ev：跃迁前处于VB中的电子的能量动量守恒：Pc-Pv=但是：半导体的能带结构不同，吸收过程也不同。（电子动量）=光子动量三、半导体中的光吸收和光发射直接带隙（DG—directgap）材料导带底和价带顶位于K空间的原点?kc=kv?所有垂直的跃迁均允许=光子动量直接带隙跃迁三、半导体中的光吸收和光发射间接带隙（IDG—indirectgap）材料价带顶和导带底不在同一k值动量守恒：即吸收一个光子的同时，还要吸收或发射一个声子kp表示声子波矢间接带隙跃迁三、半导体中的光吸收和光发射Ec-Ev?Ep=h?能