09_02_固体中的光发射-杭州电子子科技大学.PDF

固体物理讲义_第九章 固体的光吸收与光发射 09_02 固体中的光发射 1 固体中的光发射过程 固体发光 —— 固体受到外来激发(光照、外加电场或电子束的轰击等)后，物体本身只要不发生化学 变化，总要恢复到原来的平衡状态，一部分能量以光或热的形式释放出来。 光发射分为两种：荧光和磷光 -9 -7 物质受激发光 —— 荧光，持续时间：10 s ~ 10 s -3 2 外来激发停止后物体继续发光 —— 磷光，持续时间：10 s ~ 10 s 研究固体的发光目的是制备优良的新型的发光材料，有助于了解晶体中杂质和缺陷的作用，载流子 的运动以及能量的传递和转化等问题。固体发光学已形成一门新的学科。 发光射的分为激发和发射： 激发 —— 激活系统在吸收光子或在电磁场作用下激发到高 能态 发射 —— 激活系统回到较低的平衡态将能量释放出来 原子激发与发射相应的能级跃迁如图所示。 根据固体的能带结构，光发射大致分为5 个过程。 1) 导带到价带的跃迁 发射出的光子频率满足：h E —— E 为禁带宽度 g g 发光机制：导带的电子跃迁到价带与空穴直接复合产生光子。电子和空穴的复合主要发生在能带的 边缘；由于载流子有一热分布，使得发射光谱有一定的宽度。 导带到价带的跃迁分为两种： 直接跃迁 —— II －VI 族化合物和大多数 III －V 族化合物，无声子吸收和 发射，如图XCH007_028_01 所示 间接跃迁 —— IV 元素半导体，伴随着吸收或发射一个声子，如图 XCH007_028_02 所示 杭州电子科技大学 － 1 － 应用物理系 固体物理讲义_第九章 固体的光吸收与光发射 边缘发射 —— 导带到价带的跃迁中还有一种，即浅能级电子与价带空穴复合而发光，如图 XCH007_029 所示。 如 ZnS 、CdS 等在低温下受激发后，在基本吸收边附近出现一组由许多窄谱线组成的发射光谱，为 边缘发射。 2) 激子复合 一个价带中的电子在受光辐射后，由价带跃迁到导带中，产生电子－空穴对，如图XCH007_030 所 示。电子虽已从价带激发到导带，因库仑作用和价带中的空穴联系在一起，形成激子态。这种束缚 着的电子－空穴对称为激子，激子的能量稍低于导带底能量。自由激子作为一个整体可以在半导体 中运动。这种因静电库仑作用而束缚在一起的电子空穴对是一种电中性的、非导电性的电子激发态。 激子复合( 电子和空穴重新复合)后，就会把能量释放出来产生窄的光谱线。 直接带隙材料：h E E —— 如图XCH007_030_01 所示 g x 间接材料：h E E E —— 如图XCH007_030_02 所示，伴随声子发射 g x p 在一些发光二极管和特殊发光器件的实际应用中,激子发光是一种重要的发光机制，特别是在一些间 接带半导体材料和低维结构半导体材料制成的发光二极管中，激子发光跃迁被证明往往起着关键性 的作用。例如用氮化物材料可制成篮绿光和紫外光发光二极管。氮化物及其合金中一般缺陷浓度是 很大，但发光效率却很高，原因是受到局域化的激子有很高的复合几率，使得载流子在到达非辐射 复合中心之前，就通过激子复合对发光作出贡献。 3) 能带和杂质能级之间的跃迁 半导体掺杂在带隙中引起杂质中心能级，分为受主A 和施主D 。 受主为负电中心，形成发光中心能级；施主为正电中心，形成陷阱能级， 能带和杂质能级之间的跃迁产生的发光有以下六个过程，如图 XCH007_031 所示。 a. 价带的电子吸收光子跃迁到导带，价带有空穴，导带有电子； b. 热平衡后，陷阱D 俘获导带电子； c. D 上的电子由于热扰动，跃迁到导带； d. 热平衡后，价带中的空穴被A 俘获； 杭州电子科技大学 － 2 －