光电器件基础·第二讲 半导体发光器件.pdf

光电器件基础·第二章 半导体发光器件 §2.1 半导体发光机理 §2.2 半导体发光二极管 §2.3 超辐射发光二极管 任何物体的发光过程都伴随着物体内部能量的变化。从微观上看，物体中的原子（尤 其原子中的电子）可以有各种不同的能量状态，当原子从高能态过渡到低能态时，就会释 放出能量，如果这种能量是以光辐射的形式释放出来，物体就发光。当然，要维持物体持 续发光，就必须由外界不断地向物体提供能量使原子重新激发到高能态，这个过程称为激 励。激励所需要的能量可以是电能、化学能、核能、热能，也可以是光能。图2.1(a)示出了 位于 E 1 能级上的电子，在受到某一种激励作用下，接受外界的能量，从较低的能级E 1 跃迁 到较高的能级 E2 。受到激励后处于高能态上的电子可以自发地放出能量回到低能态，这个 跃迁过程称为辐射跃迁，如图2.1(b)所示，所放出的能量等于两个能级能量之差，ħω = E - 2 E 。另外，处于高能态上的电子也可能在外界一个光子（能量为ħω = E - E ）的诱导下跃 1 2 1 迁到低能态 E 1，并且释放出能量相同的另一个光子，这个过程称为受激辐射，如图 2.1(c) 所示。这一章和下一章我们着重研究的是半导体材料的辐射跃迁和受激辐射跃迁过程，研 究的器件是半导体发光二极管和半导体激光二极管。 (a) (b) (c) 图2.1 三种基本的跃迁过程示意图 §2.1 半导体发光机理 半导体中的电子可以吸收一定能量的光子而被激发。处于激发态的电子也可以向较低 的能级跃迁，以辐射的形式释放能量。这种电子从高能级向低能级跃迁并伴随着发射光子 的过程，称为半导体发光。产生光子发射的主要条件是系统必须处于非平衡状态，即在半 导体内需要有某种激发过程，通过非平衡载 流子的复合才能形成发光。半导体的发光过 程多是场致发光过程，这种发光是由电流 （电 场）激发载流子，是电能转化为光能的过程。 2.1.1 辐射复合 半导体材料受某种激励，电子发生由低 能态到高能态的跃迁，形成非平衡载流子。 这种处于激发态的电子在半导体中运动一段 时间后，又回复到较低的能态，并发生电子 和空穴的复合。复合过程中以不同的形式释 放多余的能量。如图 2.2 所示，从高能态到低 图2.2 半导体中电子的跃迁过程 能态的跃迁过程，主要有以下几种， 17 ①有杂质和缺陷参与的跃迁：导带电子跃迁到未电离的受主能级，与受主能级上的空 穴复合，如过程 a ；中性施主能级上的电子跃迁到价带，与价带中空穴复合，如过程b ；中 性施主能级上的电子跃迁到中性受主能级，与受主能级上的空穴复合，如过程 c 。 ②带与带之间的跃迁：导带底的电子直接跃迁到价带顶部，与空穴复合，如过程 d ；导 带热电子跃迁到价带顶与空穴复合，或导带底的电子跃迁到价带与热空穴复合，如过程 e 。 ③热载流子在带内的复合，如过程f 。 上面提到，电子从高能级向低能级跃迁时，必然释放一定的能量。如跃迁过程伴随着 放出光子，这种跃迁称为辐射跃迁。必须指出，以上列举的各种跃迁过程并非都能在同一 材料和在相同条件下同时发生，更不是每一种跃迁过程都辐射光子（不发射光子的称为无 辐射跃迁）。但作为半导体发光材料，必须是辐射跃迁占优势。 本征跃迁（带与带之间的跃迁） 导带的电子跃迁到价带，与价带空穴相复合，伴随着发射光子的过程，称为本征跃迁。 显然，这种带与带之间的电子跃迁所引起的发光过程，是本征吸收的逆过程。对于直接带 隙半导体，导带和价带极值都在k 空间原点，本征跃迁为直接跃迁，如图 2.3(a)所示。由于 直接跃迁的发光过程只涉及一个电子-空穴对和一个光子，其辐射效率较高。直接带隙半导 体，包括部分 II-VI 族和 III-V 族化合物，都是常用的发光材料。 间接带隙半导体，导带和价带极值 对应于