2022-2023学年高二物理竞赛课件：发光管与半导体激光器

发光管与半导体激光器一．名词、概念、术语与问题

LEDsandLasers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。非辐射复合：在复合过程中电子的多余能量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。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。带间辐射复合是本征吸收的逆过程。由于半导体材料能带结构的不同，带间复合又可以分为直接辐射复合和间接辐射复合两种。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，从而跃迁发生在布里渊区同一点。因此直接辐射复合过程中的电子跃迁也被称为竖直跃迁。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，而是具有不同的值。因此这种跃迁不是发生在布里渊区的同一地点，也叫非竖直跃迁。间接辐射复合的发光效率比直接辐射复合的低得多。写出直接辐射复合与间接辐射复合准动量守恒与能量守恒公式：

直接辐射复合：间接辐射复合：浅能级与主带间的复合（边缘发光）：可以是浅施主与价带空穴或浅受主与导带电子间的的复合。这种辐射的光子能量总比禁带宽度小。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。这种复合也称为D-A对复合。详答：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。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。激子：如果半导体吸收能量小于禁带宽度的光子，电子被从价带激发。但由于库仑作用，它仍然和价带中留下的空穴联系在一起，形成束缚状态。这种被库仑能束缚在一起的电子-空穴对就称为激子。

自由激子：作为一个整体，可以在晶体中自由运动的激子。束缚激子：激子在晶体中运动的过程中可以受到束缚，受束缚的激子不能再在晶体中自由运动，这种激子称为束缚激子。晶体中能束缚激子的中心有施主、受主、施主—受主对和等电子陷阱等。激子复合；激子是一个能量系统，是一种束缚态。这种束缚态可以把能量以辐射的方式或非辐射的方式重新释放出来。这种现象称为激子复合等电子陷阱:由等电子杂质代替晶格基质原子而产生的束缚态。(等电子杂质是指周期表内与半导体基质原子同族的原子。因为同族原子的价电子相等，所以用等电子杂质代替基质原子不会增加电子或空穴，而是形成电中性中心，故称为等电子杂质。)

等电子陷阱复合:

当等电子陷阱俘获了某一种载流子以后，成为带电中心，这个带电中心又由库仑作用而俘获带电符号相反的载流子，形成束缚激子态。这是一个束缚在等电子杂质上的束缚激子。当激子复合时，就能以发射光子的形式释放能量。解释GaP:N.GaP:Zn-O中的等电子陷阱复合现象：答：当中掺入氮时，氮可能取代晶格上的磷原子。氮和磷都是族元素，它们的价电子数相同，因此称为等电子杂质。由于氮的原子序数为7而磷为15，氮比磷少8个电子，氮取代磷以后，那里的电子即相对的欠缺，故氮对电子的亲和力远大于磷的。因而，它可以俘获电子，形成电子的束缚状态—等电子陷阱。氮俘获电子以后，又因库仑作用而俘获空穴（氮等电子陷阱俘获空穴和电子的能量分别是0.037eV和0.01eV左右），俘获的电子和空穴形成激子。这种激子通过辐射复合消失时，在室温下发射波长入=570nm绿光。当GaP掺入锌和氧后，Zn原子一般占据晶格中的Ga位置，而O则占据P的位置。由GaP的晶格结构可以看出，GaP处于相邻位置。Zn，O取代后必然处于相邻的位置。于是形成了Zn-O对等电子陷阱。它与掺氮的情况不同。由于Zn比基质Ga的阳性更强，而O比P的阴性更强，因此GaP中Zn与O原子处在最近邻位置时比分离存在更稳定。由于氧原子是电子亲合力强的原子，即使处于阳性原子Zn的最近邻位置也能俘获电子。俘获电子后Zn-O对便带负电，由于库仑力又去俘获空穴，从而形成激子。激子复合便发出红色辐射。在GaP中Zn-O对等电子陷阱俘获电子的能量为30010meV,而俘获空穴的能量为37meV，因此激子复合发光的波长在红色范围。电致发光； 当正向偏压加于P-N结（或异质结）的两端时，载流子注入穿越P-N结（或异质结），使得载流子浓度超过热平衡值，形成过量载流子。过量载流子复合，能量可能以光（光子）的形式