1、第三章第三章 带间跃迁的吸收与发射光谱带间跃迁的吸收与发射光谱v固体中的电子态固体中的电子态v带间直接跃迁的光吸收带间直接跃迁的光吸收v带间间接跃迁的光吸收带间间接跃迁的光吸收v量子力学处理量子力学处理联合态密度与临界点联合态密度与临界点v带间复合发光带间复合发光1PPT课件引言引言固体中的电子态固体中的电子态v固体能带论固体能带论绝热近似绝热近似单电子近似单电子近似表示方法表示方法K空间，空间，E(K)实空间实空间, E(x)2PPT课件一、固体能带论一、固体能带论1.1.电子共有化电子共有化由于晶体中原子的周期性由于晶体中原子的周期性排列而使价电子不再为单排列而使价电子不再为单个原子所有的
2、现象，称为个原子所有的现象，称为电子的共有化电子的共有化。3PPT课件2 2、能带的形成、能带的形成 电子的共有化使原先每个原子中电子的共有化使原先每个原子中具有相同能级具有相同能级的电子能级的电子能级，因各原子间的相互影响而，因各原子间的相互影响而分裂成一系分裂成一系列和原来能级很接近的新能级列和原来能级很接近的新能级，形成，形成能带能带。4PPT课件v能带的一般规律：能带的一般规律：原子间距越小，能带越宽，原子间距越小，能带越宽，E越大；越大；越是外层电子，能带越宽，越是外层电子，能带越宽，E越大；越大；两个能带有可能重叠。两个能带有可能重叠。禁带禁带：两个相邻能带间可：两个相邻能带间可能
3、有一个不被允许的能量能有一个不被允许的能量间隔。间隔。5PPT课件锗和硅的能带结构锗和硅的能带结构EK 图（间接带半导体）图（间接带半导体）6PPT课件v电子在能带中的分布：电子在能带中的分布：每个能带可以容纳的电子数等于与该能带相应每个能带可以容纳的电子数等于与该能带相应的原子能级所能容纳的电子数的的原子能级所能容纳的电子数的N倍（倍（N是组成晶是组成晶体的原胞个数）。体的原胞个数）。正常情况下，总是优先填能量较低的能级。正常情况下，总是优先填能量较低的能级。满带满带：各能级都被电子填满的能带。：各能级都被电子填满的能带。 满带中电子不参与导电过程。满带中电子不参与导电过程。价带价带：由价电
4、子能级分裂而形成的能带。：由价电子能级分裂而形成的能带。 价带能量最高，可能被填满，也可不满。价带能量最高，可能被填满，也可不满。空带空带：与各原子的激发态能级相应的能带。：与各原子的激发态能级相应的能带。正常情况下没有电子填入。正常情况下没有电子填入。7PPT课件3 3、导体和绝缘体、导体和绝缘体 当温度接近热力学温度零度时，半导体和绝缘当温度接近热力学温度零度时，半导体和绝缘体都具有满带和隔离满带与空带的禁带。体都具有满带和隔离满带与空带的禁带。8PPT课件金属导体金属导体：它最上面的能带或是：它最上面的能带或是未被电子填满，或虽被填满但填未被电子填满，或虽被填满但填满的能带却与空带相重叠
5、。满的能带却与空带相重叠。9PPT课件v电子与空穴电子与空穴波包波包-准经典粒子准经典粒子群速度群速度准动量准动量有效质量有效质量空穴空穴未充满带，未充满带，外场改变电外场改变电子的对称分子的对称分布布抵消部分抵消部分 未抵消部分未抵消部分充满带，外充满带，外场不改变电场不改变电子的对称分子的对称分布，即满带布，即满带电子不导电电子不导电001()kkkvE()dkFdt 外外力力*2*21(, , )dvFdtmEmx y zk + 能带底能带底- 能带顶能带顶10PPT课件v态密度函数态密度函数32()(2 )()KVdsEE K 32()(2 )()KVdsN EE K 等等能能面面0(
6、)limEZN EE 32(2 )VZdsdk 取决与取决与E(K )关系，对于自由电子关系，对于自由电子3/21/2222()()2VmN EE 定义：定义：kE km22( )2 。11PPT课件3.1 带间光吸收的实验规律带间光吸收的实验规律v吸收边吸收边幂指数区幂指数区(1/2, 3/2, 2)e指数区指数区弱吸收区弱吸收区半导体半导体GaAs的吸收光谱的吸收光谱cm46110 10 cm21 10 cm2110 12PPT课件v直接带结构半导体直接带结构半导体(GaAs)v能量守恒能量守恒v动量守恒动量守恒 Ki + k = Kf 直接跃迁直接跃迁 Ki Kf =K（竖直跃迁）（竖直
7、跃迁）带边跃迁带边跃迁:取跃迁几率为常数取跃迁几率为常数抛物线能带结构近似抛物线能带结构近似 （自由电子近似）（自由电子近似）fiEE Eg022*22*222*()22()22222iiihhfffggeefiggehKKE KmmKKEKEEmmKKKEEEEEmm2222222 E=0Eg3.2 3.2 允许的直接跃迁允许的直接跃迁13PPT课件直接跃迁吸收直接跃迁吸收光谱的计算光谱的计算v联合态密度联合态密度v吸收光谱吸收光谱v光学带隙光学带隙: : Egabifiiffi fAWN E NE,()() VCiiffgi fkJN E NEdsEEE k31*22322,2112()(
8、)() ()(2 )( )2 1*2()()ifgEAWAE3/223(2 *)2 ( (次幂！次幂！) )abifiiffi fAWn E nE,( )()() ( )2 Eg14PPT课件3.3 禁戒的直接跃迁禁戒的直接跃迁(0)0(0)0ififWKWK (3/2(3/2次幂！次幂！) ) 对于某些直接带半导体材料对于某些直接带半导体材料, ,由于结由于结构对称性不同构对称性不同, ,在在K=0的跃迁是禁戒的的跃迁是禁戒的, ,而而K 0的跃迁仍然是允许的的跃迁仍然是允许的, ,即即3/2()()gAE 而而22,(0)()()ifV CgWKMKKE 可得可得其中其中5/2*2*2*4
9、3hehehem memmAnch m m 15PPT课件3.4 声子伴随的间接跃迁声子伴随的间接跃迁 v间接带结构半导体间接带结构半导体(Si)v跃迁的最低能量原则跃迁的最低能量原则v动量守恒动量守恒v能量守恒能量守恒发射一个声子发射一个声子吸收一个声子吸收一个声子22*22CVeefiPgpehKKEEEEEEmm 22*22CVaafiPgpehKKEEEEEEmm ififKqkKKkqK0,0, 0EfEiEf-Ei+EPEf-Ei-EP导带导带价带价带EK16PPT课件间接跃迁吸收光谱的计算间接跃迁吸收光谱的计算v温度温度T 下的平均声子数（声子布居数）下的平均声子数（声子布居数）
10、发射一个声子发射一个声子吸收一个声子吸收一个声子带边跃迁，跃迁几率为常数的假设带边跃迁，跃迁几率为常数的假设吸收光谱的表达吸收光谱的表达,( )()()()abifiiffpifPiiffi fififPiiffifAWn E nEF EAW F En E nEAW F EN E NE()()()()()() ()ePPBF EnTEk T1( ,)11exp(/) 1()(/)1aPpBFEnTE k T( ,)exp ,()()iiffgPi fNE NEBEE2() 态密度卷积态密度卷积电子态跃迁电子态跃迁+ + 单声子单声子n( ,T)n( ,T)+1FeFaE iE f讨论讨论1 1
11、：联合态密度：联合态密度( (次幂次幂!)!)与态密度的卷积与态密度的卷积(2(2次幂次幂!)!)17PPT课件讨论讨论2：间接跃迁吸收光谱的温度依赖：间接跃迁吸收光谱的温度依赖v若若 吸收一个声子吸收一个声子v若若 发射、吸收发射、吸收 其中发射一个声子其中发射一个声子总吸收总吸收:v确定确定 EP 和和 EgvEg的温度依赖的温度依赖, 吸收边蓝移吸收边蓝移v直接带中声子伴随的间接跃迁直接带中声子伴随的间接跃迁gPEE gPaPBCEEEk T2()( )exp(/)1 gPEE 2()( )(-/)gPePBCEEEk T1exp ( )1/2Eg-EPEg+EP2次幂！次幂！( )+(
12、 )( )ae 18PPT课件3.5 杂质参与的间接跃迁的光吸收杂质参与的间接跃迁的光吸收v掺杂对声子伴随间接跃迁光吸收的影响掺杂对声子伴随间接跃迁光吸收的影响 吸收边蓝移吸收边蓝移(Burstein-Moss效应）效应）2( )()()PgPnAF EEE 导带导带禁带禁带价带价带19PPT课件2( )()gnANE gggpgnpnEEEEEE()() v通过杂质散射的间接跃迁通过杂质散射的间接跃迁 吸收边红移，带隙收缩吸收边红移，带隙收缩 20PPT课件3. 6 带间跃迁的量子力学处理带间跃迁的量子力学处理 v基础：含时间的微扰理论基础：含时间的微扰理论体系体系（微扰）（微扰）有效质量近
13、似有效质量近似(EMA)绝热近似，绝热近似，单电子近似单电子近似 吸收光谱及所有光吸收光谱及所有光学函数的量子力学的学函数的量子力学的表达；表达； 动量选择定则动量选择定则 布里渊区临界点及布里渊区临界点及其在光跃迁中的作用；其在光跃迁中的作用； 电偶极与电四极跃电偶极与电四极跃迁选择定则迁选择定则给出：给出：光光21PPT课件相互作用哈密顿量相互作用哈密顿量v辐射场辐射场(光场光场) 矢量势矢量势 标量势标量势 v哈密顿量哈密顿量电子动量电子动量:在光场作用下为在光场作用下为 相互作用哈密顿量相互作用哈密顿量(. )(. )0i t k rit k rAA a ee (1)1( , ).NI
14、iiieHHA r t Pm AAEtt 2222(1)(2)01()( )2( )22IIHpeAU rmpeeU rA PAmmmHHH注释：注释：PeA 其中利用横波条件其中利用横波条件和和 0AP AA PiA 22PPT课件跃迁几率跃迁几率v跃迁几率跃迁几率积分形式积分形式微分形式微分形式(黄金法则）黄金法则）波函数，单电子近似波函数，单电子近似220,2()()()i fffiieWAa MEKE Km *,()fiik ri ff Ki Ka Mea Pd 22( )IWf Hig 22()IfiWf HiEE EfEi吸收吸收EfEi发射发射g( )为终态态密度为终态态密度“-
15、”代表光吸收代表光吸收 “+”代表光发射代表光发射“+”代表代表光光吸收吸收 “-”代表代表光光发射发射含时微扰项为含时微扰项为( , )( )i tIIHr tHr e （空间指数因子）（空间指数因子）（时间指数因子）（时间指数因子）23PPT课件v讨论：布洛赫函数的周期性与动量守恒定律讨论：布洛赫函数的周期性与动量守恒定律ffiiiKrf KfiK ri Kieu Kreu K r*,(, )(, ) 晶体中的电子波函数：布洛赫函数晶体中的电子波函数：布洛赫函数其中周期性函数其中周期性函数u K rTu K r(,)(, ) 偶极跃迁矩阵元满足平移对称性，即要求下式保持不变偶极跃迁矩阵元满
16、足平移对称性，即要求下式保持不变i ffia MiKkKT,exp ()所以所以fiKkK0 或或fiKKKk(0) 光光子子：对应直接跃迁（竖直跃迁）。对应直接跃迁（竖直跃迁）。24PPT课件直接跃迁吸收谱的量子力学计算直接跃迁吸收谱的量子力学计算v单位时间、单位体积中的跃迁数单位时间、单位体积中的跃迁数v介电函数虚部的量子力学表示介电函数虚部的量子力学表示 其它光学响应函数的量子力学表示其它光学响应函数的量子力学表示 220,3,22()()()(2 )V CCVV CBZedKZAa MEKEKm 2232320000( )( )2( )iiiZEEAA 22,3,02( )()()()
17、(2 )iV CCVV CBZea MEKEKm V CrV CCVBZCVa MKedkmEKEKEKEK22,23,0222()22( )1(2 ) ()()1()() / 对对K求和求和对对S求和求和对对V和和C求和求和25PPT课件联合态密度和临界点联合态密度和临界点v联合态密度联合态密度v临界点方程临界点方程布区高对称点布区高对称点 KEC(K) = KEV(K)=0 布区高对称线布区高对称线 KEc(K)KEv(K)=0 V CCVBZdKJEKEK,32()()(2 ) cvV CKCVEEdsJEKEK,2()() 3 3（2 ）2 ）d3k= ds d K = ds dE /
18、 KE(K) 在在K空间中，跃迁矩阵元可近似处理为常量，所以有空间中，跃迁矩阵元可近似处理为常量，所以有iV CV CV CV CMJMJn2,22,1( )1( ) ()()0KCVEKEK满足满足 条件条件的点称为布里渊区的临界点的点称为布里渊区的临界点,或或Van Hove奇点奇点26PPT课件ri( )( ) Eg27PPT课件临界点的性质临界点的性质v有效质量的各向异性：在临界点附近展开有效质量的各向异性：在临界点附近展开(k0 x,k0y,k0z)yyzzxxcvxyzxyzkkkkkkEKEKEmmm22220000()()()()()2 M0 : 二次项系数皆为正数二次项系数皆
19、为正数(极小极小);M1 : 二次项系数中二次项系数中, 两个正两个正, 一个负一个负(鞍点鞍点);M2 : 二次项系数中二次项系数中, 一个正一个正, 两个负两个负(鞍点鞍点);M3 : 二次项系数皆为负数二次项系数皆为负数(极大极大).001/2000()()()0()oBEEEEJ EBA EEEEEE 1/200000()0()()0()BA EEEEEEJ EBEEEE 一维体系联合态密度在临界点附近的解析行为及图示一维体系联合态密度在临界点附近的解析行为及图示. A=(4 /ab)h-1(mz)1/2, B为与能带结构有关的一个常数为与能带结构有关的一个常数临界点临界点联合态密度联
20、合态密度图示图示Q0极小极小 Q1极大极大28PPT课件001/200()()()0()oBEEEEJ EBA EEEEEE 1/200000()0()()0()BA EEEEEEJ EBEEEE 001/2000()()()0()oBEEEEJ EBA EEEEEE 1/200000()0()()0()BA EEEEEEJ EBEEEE 临界点临界点联合态密度联合态密度图示图示M0极小极小 M1鞍点鞍点M2鞍点鞍点 M3极大极大三维体系联合态密度在临界点附近的解析行为及图示三维体系联合态密度在临界点附近的解析行为及图示. A= 25/2h-3(mxmymz)1/2，B与能带结构有关的常数与能
21、带结构有关的常数29PPT课件 00000()()0()BEEEEJ EBAEEEE 00000()()0()BAEEEEJ EBEEEE 二维体系临界点与联合态密度二维体系临界点与联合态密度. 其中其中A=(8 /c)h-2(mxmy)1/2， B为与能带结构有关的常数为与能带结构有关的常数临界点临界点联合态密度联合态密度图示图示P0极小极小 P1鞍点鞍点P2极大极大00()10()AEJ EBLnEEE 30PPT课件31PPT课件宇称选择定则宇称选择定则v跃迁矩阵元跃迁矩阵元取取 长波近似）长波近似） 电偶极跃迁矩阵元及选择定则电偶极跃迁矩阵元及选择定则ik rek r.1(1 ，*,(
22、)ik rV CCVa Mea Pd CVcvmiEEr Ka rr K d*()( ,)()( ,)0 CVr Kxr K d*( ,)( )( ,)0 CVr Kyr K d*( ,)( )( ,)0 CVr Kzr K d*( ,)( )( ,)0 其中利用其中利用baib P amb r Hamib r a0 , 即即例，对反演对称体系，若价带波函数为偶函数，则导带波函数为例，对反演对称体系，若价带波函数为偶函数，则导带波函数为奇函数，允许奇函数，允许偶函数，禁戒偶函数，禁戒*,()V CCVa Ma Pd 32PPT课件.1ik reik r 取取 电四极跃迁矩阵元及选择定则电四极跃
23、迁矩阵元及选择定则CVr Kxr K d*2( ,)()( ,)0 CVr Kyr K d*2( ,)()( ,)0 CVr Kzr K d*2( ,)()( ,)0 V CVCa Mr Krr K d2,( ,)()( ,)0 即即33PPT课件3.9 激发态载流子的可能运动方式激发态载流子的可能运动方式 v带内跃迁带内跃迁v子带间跃迁子带间跃迁v晶格驰豫晶格驰豫(Relaxation)电子电子声子相互作用声子相互作用 导带电子热均化导带电子热均化(Thermalization)v无辐射复合无辐射复合 (Non-radiative Recombination)多声子发射，电子回到基态多声子发
24、射，电子回到基态俄歇（俄歇（Auger)过程过程通过杂质与缺陷态的无辐射复合通过杂质与缺陷态的无辐射复合v辐射复合辐射复合(Radiative Recombination)34PPT课件带内跃迁带内跃迁v导带自由电子的吸收（激发）导带自由电子的吸收（激发） p :1.5到到3.5 特点特点:随随l l单调上升单调上升,无精细结构无精细结构vDrude 模型模型( )pA ll ll pnc2223( )4 ll ll 1.22.53.5( )ABC llll llll35PPT课件带内子能谷之间的跃迁带内子能谷之间的跃迁vP型半导体价带内的跃迁型半导体价带内的跃迁 (a) V2 V1 (b)
25、V3 V1 (c) V3 V2 v导带子能谷间的跃迁导带子能谷间的跃迁K 相同子能谷之间的跃迁相同子能谷之间的跃迁K 不同子能谷之间的跃迁不同子能谷之间的跃迁q声子的参与声子的参与 p价带内的跃迁价带内的跃迁K 相同子能谷相同子能谷间跃迁间跃迁KE n nX 不同不同K子能谷间跃迁子能谷间跃迁N-GaP导带中能导带中能谷间的跃迁谷间的跃迁特点特点: :吸收强度与吸收强度与掺杂浓度成正比掺杂浓度成正比, ,峰位也相应改变峰位也相应改变36PPT课件弛豫（弛豫（Relaxation）v弛豫：弛豫：非平衡态非平衡态平衡态的过渡平衡态的过渡晶格弛豫：电子晶格弛豫：电子声子相互作用声子相互作用 热均化热
26、均化(Thermalization), 速率：速率：1010/s(声学声子声学声子)1013/s (光学声子光学声子) 声子参与的无辐射跃迁声子参与的无辐射跃迁 EK2*22ihKm 2*22fgeKEm 0Eg37PPT课件无辐射跃迁无辐射跃迁v位型坐标模型位型坐标模型(Configuration Coordinate)ABD位型坐标模型位型坐标模型激发态位型激发态位型基态位型基态位型激活能激活能AEAA吸收吸收(激发激发) AB 弛豫弛豫 BD辐射复合辐射复合 DA 弛豫弛豫 ABCD 无辐射无辐射多声子弛豫多声子弛豫v多声子弛豫多声子弛豫电子和离子晶格振动总能量与电子和离子晶格振动总能量
27、与离子平均位置的物理模型离子平均位置的物理模型38PPT课件无辐射跃迁无辐射跃迁Auger过程过程(a), (b)-本征半导体本征半导体(c),(d), (e)- N-型半导体型半导体(f), (g), (h)-P-型半导体型半导体(i), (j), (k),(l),39PPT课件3.10 带间复合发光带间复合发光v发光按激发方式的分类发光按激发方式的分类 光致发光光致发光(Photoluminescence, 简称简称PL) 电致发光电致发光(Electroluminescence 简称简称EL也叫做场致发光也叫做场致发光)v荧光：荧光：物质受激发时的发光物质受激发时的发光 磷光：磷光：激发
28、停止后的发光激发停止后的发光阴极射线发光阴极射线发光(Chathodoluminescence, CL)X射线及高能粒子发光射线及高能粒子发光生物发光生物发光(Bioluminescence)化学发光化学发光(Chemiluminescence)热释光热释光(Thermoluminescence, TL)机械发光机械发光(Mechanoluminescence),摩擦发光摩擦发光(Triboluminescence)溶剂发光溶剂发光(Lyoluminescence)本征型本征型注入式注入式(p-n节节)10-8s目前，已无本质区别目前，已无本质区别说明物质激发到发光说明物质激发到发光存在一系列
29、中间过程存在一系列中间过程40PPT课件PL-带间复合发光的带间复合发光的Van Roosbrck-Shockley关系关系v带间复合速率带间复合速率v吸收与发射间的细致平衡吸收与发射间的细致平衡v普郎克辐射定律普郎克辐射定律v发射速率的发射速率的R-S关系关系 ( )ulemLn nW ( )( ) ( )abLdWd 2338( )exp()1Bnddhck T ( )( )( )abcWun 222222( )88( )( )exp(/)exp(/1BBnnLhk Tchk Tc 任何元过程与其元反过程相抵消任何元过程与其元反过程相抵消温度温度T 下光下光子分布函数子分布函数统计力学统计
30、力学细致平衡细致平衡由由Ge的吸收光谱到发射光谱的吸收光谱到发射光谱41PPT课件PL-带间发光的自吸收带间发光的自吸收v距距(反射率为反射率为R)出射面为出射面为x某点的发射光谱某点的发射光谱v厚度为厚度为t的均匀发光材料，出射面的平均发光光谱的均匀发光材料，出射面的平均发光光谱vGe的发光光谱及其自吸收校正的发光光谱及其自吸收校正()0( )(1)( )xxLR Le ()0()0( )(1)( )/1(1)( )( )txotLR Lt edxeR Lt t tL L0 0( ( ) )R RL L( ( ) )x x0( )( )LL 42PPT课件带间带间直接吸收与发光光谱直接吸收与
31、发光光谱的的R-S关系关系v量子力学结果量子力学结果CVcvnpcvcvBggBgBLn n WEKEKA a MKJK TEAEk TEBk T21/2( )()()().() .exp()()exp()( )exp() 222222( )88( )( )exp(/)exp(/1BBnnLhk Tchk Tc 比较比较细致平衡原理细致平衡原理i fffiieWAa MEKE Km220,2()()() EiEf重空穴态重空穴态轻空穴态轻空穴态K带尾态、杂质态带尾态、杂质态43PPT课件77K下下GaAs带间复合发光光谱实验与计算光谱的比较。计算利带间复合发光光谱实验与计算光谱的比较。计算利用
32、吸收光谱的实验数据，二者相符。计算光谱的高能和低能部用吸收光谱的实验数据，二者相符。计算光谱的高能和低能部分与实验的偏离由分与实验的偏离由Boltzmann因子决定，它反映载流子在带中因子决定，它反映载流子在带中的热分布。的热分布。44PPT课件77K时，时，N-InAs的发光光谱与掺杂浓度的关系的发光光谱与掺杂浓度的关系45PPT课件带间间接带间间接复合发光复合发光Eg-Ep Eg 吸吸收收或或发发光光直接直接间接间接间接发光主要伴随声子的发射间接发光主要伴随声子的发射带间间接发光与直接发光光谱带间间接发光与直接发光光谱ggBELAEk T1/2( )()exp() gpgpBELBEk T
33、2( )() exp() 间接发光光谱间接发光光谱直接发光光谱直接发光光谱46PPT课件PL-带间直接复合与间接复合发光带间直接复合与间接复合发光v单位体积，单位时间内的总复合速率单位体积，单位时间内的总复合速率双分子规律双分子规律n = p = ni , 光生本征载流子电荷平衡光生本征载流子电荷平衡Wem复合几率复合几率 GaAs, GaSb: 1-10 x 10-10 cm3 s-1 Si, Ge, GaP:0.2-5x10-14 cm3 s-1v 复合截面复合截面2( )emCVememiLLdW n nW npW n 2/iemL n uWu 直接半导体：直接半导体：GaAs, GaS
34、b: 0.5-10 x 10-17 cm2间接带半导体间接带半导体: Si, Ge, GaP: 0.2-5 x 10-21 cm2 u 电子和空穴的热运动速度电子和空穴的热运动速度, *22Bmuk T u 107cm/s;47PPT课件电致发光（电致发光（electroluminescence, EL)电能电能 光能光能直接直接无机类无机类EL材料和显示器分类材料和显示器分类单晶型单晶型（低场型（低场型LED）薄膜型薄膜型（高场型（高场型TFEL）粉末型粉末型（高场型（高场型EL）红红* 黄黄* 绿绿* 蓝蓝*直流型直流型（DCTFEL）交流型交流型（ACTFEL）直流型直流型（DCEL）交
35、流型交流型（ADCEL）红红 黄黄* 绿绿* 蓝蓝红红 黄黄* 绿绿 蓝蓝 玻玻璃璃型型搪搪瓷瓷型型塑塑料料型型红红 黄黄 绿绿* 蓝蓝 白白红红 黄黄 绿绿* 蓝蓝 白白注：注：*为最好表示最成熟的器件为最好表示最成熟的器件48PPT课件v本征型高场电致发光本征型高场电致发光1936年，法国，年，法国，G. Destriau ，或称，或称德斯特里奥效应德斯特里奥效应玻璃管玻璃管汞汞蓖麻油蓖麻油油中的油中的ZnS:Cu1.5kV观察到的观察到的Destriau现象的原始装置现象的原始装置特点：发光材料的电阻率很高，通过绝缘介质与电极连接特点：发光材料的电阻率很高，通过绝缘介质与电极连接机理：进
36、入材料的电子，受到电场加速，碰撞电离或激发发光机理：进入材料的电子，受到电场加速，碰撞电离或激发发光 中心，最后导致复合发光中心，最后导致复合发光透明透明电极电极云母片云母片油中的油中的ZnS:Cu金属板金属板0.51.0kV50Hz改进后的改进后的Destriau型型EL器件器件（平面型结构）（平面型结构）49PPT课件vpn结低场注入发光结低场注入发光半导体半导体pn结结p型和型和n型半导体型半导体p-n 结的形成结的形成同质结和异质结同质结和异质结结区，空间电荷结区，空间电荷势垒势垒电子能量电子能量n-TYPEp-TYPE50PPT课件PN结带间载流子注入复合发光结带间载流子注入复合发光
37、正向偏压正向偏压少子注入少子注入 少子与多子少子与多子 带带带复合发光带复合发光 PNV51PPT课件LEDGaN LED蓝色蓝色LED: 430nm, 4V, 20mA, (S.Nakamura, et al., Jpn JAP, 30, (91), 1998. 起源起源于于n-层电子注入层电子注入p-层与层与Mg等杂质相关的发光中等杂质相关的发光中心上空穴复合；心上空穴复合；UV-GaN LED, 3.35eV (370nm),起源于起源于p-层空穴层空穴注入到本征注入到本征n-层的复合；层的复合； 2.9eV( 430)： n-层电子注层电子注入入p-层与层与Mg杂质发光中杂质发光中心上
38、空穴复合；心上空穴复合；（I.Asakaki, et al., J. Lumines. 48/49,(91)66652PPT课件LD(Laser Diode)v自发辐射与受激辐射自发辐射与受激辐射v受激辐射判据受激辐射判据受激复合受激复合自吸收自吸收粒子数反转粒子数反转np (ni)2光谱窄化光谱窄化(超辐射超辐射)相干：谐振腔相干：谐振腔21212211122122112121(1) ()(1)STSPRA N f NfhB N f NfRR21223381()exp(/)1Bnhchk T 2npBk T吸收吸收自发辐射自发辐射受激辐射受激辐射E n p吸收吸收发射发射导带与价带简并填充导带与价带简并填充,阻止阻止发射频率的再吸收发射频率的再吸收53PPT课件GaN LED 发射光谱随泵浦发射光谱随泵浦电流的变化电流的变化, 超过超过阈阈值电流，值电流，谱线窄化，强度提高谱线窄化，强度提高超过阈值电流超过阈值电流ITH, 输出急剧增加，输出急剧增加，LED出现受激辐射出现受激辐射54PPT课件
