固体物理学-第十章-固体的光吸收和光发射

第十章固体的光吸收和光发射,10.9固体发光的衰减机构和陷阱效应10.10电致发光半导体发光二极管10.11受激发射,10.9固体发光的衰减机构和陷阱效应,发光物质在受激和发射这两个过程之间存在一系列的中间过程，这些过程在很大程度上决定于发光物质的内在结构，并集中地表现在发光的衰减特性上研究发光衰减过程的规律，对掌握发光体的发光机构有重要理论意义；衰减时间的长短在很大程度上决定发光材料的实用意义掌握衰减规律，对改善发光材料的性能，具有实际意义,1.衰减机构及其规律,（1）同温度无关的指数衰减由于激发作用，电子从发光中心的基态能级G跃迁到激发态能级A，如图示；然后，电子从激发态能级A直接回到基态能级G时发射光子，这种过程称为自发发光。发光中心只有一种，考虑撤销激发源之后发光的衰减规律。,分立发光中心的能带模型,设在t=0时把激发光源撤销，在任意时刻t0时，处于激发态的电子数为n(t)，在单位时间电子从激发态回到基态的几率为，因此，从激发态回到基态的速率为（10-67）设电子从激发态回到基态是发射一个光子，则单位时间内所发射出的光子数即光强I(t)正比于（），所以光强为（10-68）,由(10-67)式得出（10-69）式中n0=n(0)，表示在t=0时处于受激态的发光中心的数目。因而，（10-70）式中I0表示t=0时的发光强度。因此，若衰减机构自发，则衰减规律是与温度无关的指数衰减。,（2）同温度有关的指数衰减具有这种衰减机构的发光材料亦只有一种发光中心，如图示，发光中心在受激后，电子不能从激发态A直接跃迁到基态G（禁戒的），而是先回到M能级上，然后通过热激发从亚稳态M跃迁到A能级后再回到G，发射出光子,亚稳态发光过程示意图,在受激过程中，从G跃迁到A的电子，可以直接回到G并发射出光子，也可能落到亚稳态M上。当激发停止时（t=0），处于亚稳态电子数设为n0，这些电子只能通过A才能回到基态G。令表示从M到A的能距，表示电子在亚稳态M上所等待的时间，则单位时间内电子从M态跃迁到A态的几率为，我们假设它服从玻尔兹曼统计法则（10-71）0可看作电子在A态的固有寿命，电子一旦被重新激发到A后，如果回落到G而发射光子的几率甚大于从M到A的几率。,根据自发辐射的衰减规律，由（10-70）和（10-71）两式可知发光强度为（10-72）上式表明，温度较低时，光强很弱；当温度升高后，M上的电子迅速跃迁到A，光强很快增加，衰减时间大为缩短。在一定的温度，衰减呈指数形式，衰减常数为。,小结：上面两种衰减机构发光中心只有一种，受激发光中心未被离化，激发和发射过程发生在彼此独立的发光中心内部，常称这两类发光为有分立发光中心的发光。因为发光过程只涉及发光中心内部，亦称单分子过程,（3）双曲线衰减发光机构：发光中心在受激时被电离，被离化出来的电子在发光物质（晶体）中漂移，从而构成特征性的“光电导型”的发光，也称为双分子过程。为最简单最基本的复合发光的衰减特性设n(t)是在时刻t时处于受激态上的发光中心的数目，因为发光中心离化为数目相等的电子和正离子，一个自由电子可以和任何一个已离化的发光中心的正离子复合。所以，发光中心从受激态的速率为（10-73）式中为特征常数，式为双分子过程的基本表达式。,将（10-73）式积分得出（10-74）n表示t=0时处于激发态的发光中心的数目。发光强度为（10-75）式中，表示t=0时的发光强度。由上式可见t较大时，发光强度按t-2律衰减。实际发光体衰减过程很复杂，整个衰减过程同晶格中的缺陷、电子的扩散和被俘获、电子同发光中心间的相互作用以及激发光的强度等复杂的因素有关。,2.陷阱效应,光电导型发光体中的多数载流子一般是电子，因为少数载流子空穴一旦产生，几乎立刻就被发光中心（激活中心）所俘获。因此，对于发光衰减过程有显著影响的是电子陷阱。这些陷阱能级由发光体内的晶格不完整性引起，是一些距离导带底能距小的对电子有俘获作用的能级。陷阱能级上的电子到发光中心激发态的跃迁通常是禁戒的（由于空间距离大），所以落在这些陷阱能级上的电子必须重新被激发到导带，然后在扩散或迁移过程中遇到发光中心而复合发光。在一定意义上，陷阱能级就是前述的亚稳态。因此，电子在陷阱能级上的存在时间和温度有关。,杂质或缺陷能收容非平衡载流子的作用称为陷阱效应。,陷阱效应：,陷阱和陷阱中心：,有显著陷阱效应（积累的非平衡载流子数目可以与非平衡载流子数目相比拟）的杂质或缺陷能级称为陷阱，而相应的杂质或缺陷称为陷阱中心。,电子陷阱：,能收容电子的杂质或缺陷能级。,空穴陷阱：,能收容空穴的杂质或缺陷能级。,光电导型发光体被激发，发光中心被离化，电子进入导带：部分电子同发光中心复合发光。部分电子在晶格内的扩散和漂移过程中，被陷阱俘获而落入深度不同的陷阱能级中，通过热起伏重新激发到导带，然后与发光中心复合而发光。这一部分发光落后于激发，通常称为余辉（或辉光）。辉光现象直接同发光体内的陷阱有关。从能量角度看，发光体的陷阱效应具有储存光能的特点，对将白昼阳光的光能储存起来供夜晚照明用灯光有重大意义。,由讨论知，如果提高发光体温度，可以使储存于其中的光能加速释放出来，这一现象称为热释发光。,不同温度释放出陷于不同深度能级上的电子，故光强峰值所对应的温度近似地反映着陷阱的深度。因此应用热释发光可以研究发光体中陷阱深度的分布。,图示发光体ZnS：Cu的加热发光曲线,同热释发光相似，红外线照射使发光体中的光能释放出来，红外线的照射作用常称为刺激，所发出的光称为闪光。闪光现象与热释发光之间的区别：1.由于光作用而从陷阱能级上激发到导带的电子称为“光电子”，通过热作用跃迁到导带的电子称为“热激电子”；2.光电离能高于热电离能，光电子在晶格中可以运动较远距离；3.光电子被其他陷阱重新俘获的几率大，热电子较容易与发光中心复合。,10电致发光半导体发光二极管,根据激励方式的不同，光发射通常有以下4种：（1）光致发光由紫外光到近红外光这个范围内的光束激发的发光（光泵发光）日光灯就是一个典型的实例：水银蒸汽放电发出紫外光，紫外光激发管壁上的发光材料，与发光材料发生作用，发光材料发出可见光（2）阴极射线致发光电子束轰击发光材料例如我们的电脑柱面显示器，电视机,（3）辐射致发光由高能量射线如射线或X射线激发某些物质发光（4）电致发光发光材料在电场的作用下将电能直接转变为光能的一种发光现象例如电子线路中的发光二极管，光盘驱动器中的半导体激光器它有个显著特点就是可以将体积做得非常小，发光光子频率可以通过改变电场的强度加以控制,半导体发光二极管电致发光原理,原理：p-n结的导带中电子与价带中的空穴相遇而复合发光。在热平衡时如图（a）所示，由于没有非平衡的载流子，从而没有发光现象。对p-n结外加一正向偏压，如图（c），从外界向p-n结不断地注入载流子，维持非平衡载流子而实现复合发光，如图（b）所示。,二极管的p-n结在外加电场作用下多能发光，但对材料有要求：可见光区半导体发光二极管，半导体的禁带宽度Eg应在1.82.9eV之间Ge和Si可以制成优良的p-n结，但带隙在光谱的红外部分，而且是间接带隙材料，复合跃迁几率低，不宜作发光材料；GaAs是直接带隙材料，但带隙小于1.8eV，不能发出可见光；CdS是直接带隙材料，带隙也落在可见光范围内，但不易制成p-n结。,三元系合金制造半导体发光二极管二元系的替代形成三元系合金，调整半导体的带隙，或改变带隙类型，如，在直接带隙和间接带隙间进行转化；GaAs1-yPy以P替代GaAS中的As，y0，GaAs不能发出可见光；随着y的增加，GaAs1-yPy能带形状发生变化，当y增至0.49时，其带隙增加到可见光范围；y再增加，当y大于0.49后，GaAs1-yPy成为间接带隙材料，发光效率很低，就不宜作发光材料。,掺杂电子陷阱替位式杂质替代形成等电子中心的三元系合金材料，如GaAs1-yPy中用N替代P，出现等电子中心：N形成负电中心而成为电子陷阱，进而形成陷阱电子空穴复合体，通过电场激发它们发出的光相当强，而且颜色可调。,GaAs1-yPy中掺等电子陷阱氮的能带图和发光二极管的发光亮度图,10受激发射（Laser）,激光（Laser）的产生是电场或光波场激发粒子在低能级和高能级上的数目发生翻转分布而形成的，是一种受激发射。（1）受激发射和自发发射二能级系统，即与光相互作用的物质原子的两个能级：高能级和低能级。如图所示，E2E1，处于E2能级上的粒子数目为N2，位于E1能级上的粒子数目为N1。A.高能态到低能态跃迁发射光子,双能级之间的受激跃迁和自发跃迁,由于自发地或其它的电磁场激发等，高能级上的电子向低能级跃迁发射能量为h的光子，要求：（10-76）从高能级向低能级上电子的跃迁有两种来源，一是自发发射跃迁，另一是在外加电磁场的作用下而发生的受激跃迁。此时对应的跃迁几率为：（10-77）其中A21表示没有外加电磁场作用下的自发发射跃迁几率，即原子自发地由高能级态向低能级态的跃迁几率，即自发发射几率；B21表示在具有能量密度为外电磁场的作用下，原子受到“刺激”由高能态向低能态跃迁的几率，即受激发射跃迁几率。下标21表示从态2到态1的跃迁，A21和B21分别称为自发发射系数和受激发射系数。,B.低能态到高能态跃迁吸收光子原子由低能级向高能级跃迁，根据能量守恒律，不可能出现自发跃迁情形。只能出现受激吸收跃迁，即必须在外加电磁场作用下，受激原子吸收能量为h的光子后，由1（低）能级跃迁到2（高）能级。其几率为：（10-79）其中B12称为受激吸收系数。上面提到的跃迁过程可分为自发跃迁和受激跃迁两类，二者的区别在于：a.受激跃迁中吸收几率和发射几率相等（即B21与B12相等，见下文），而自发跃迁中由能态1向能态2的自发跃迁几率为零。b.受激跃迁几率正比于电磁场的能量密度，而自发跃迁几率与电磁场无关。,（2）系数间的关系推导：假定N2为高能态粒子数，N1为低能态粒子数。总发射率为：，它表示单位时间内从能级2跃迁到能级1的粒子数；总吸收率为：它表示单位时间内从能级1受激跃迁到能级2的粒子数。当体系处于热平衡时，二者应相等，即（10-80）处于热平衡时，根据黑体辐射能量密度函数，其中，T为黑体温度，n为折射率，c为光在真空中的光速，kB为玻耳兹曼常数。,将（10-81）式代入（10-80）式得到：在热平衡时，按玻耳兹曼分布律，对于E1和E2组成的二能级系统有：由上两式可得：要使上式对任何频率的光都成立，必须满足：和,以上不考虑能级的简并度，如果能级1的简并度为g1，能级2的简并度为g2，则有：（3）受激跃迁几率及自发寿命激光的产生必须有受激跃迁，受激跃迁几率为：上式中，称为自发寿命。对于多色光上式成立，但对于波长为，频率为的单色光（单色性定义为：或，值越小，光的单色性越好。或为单色波长或频率线宽分布），需在上式中引入描述线性函数g()。此时受激跃迁几率为,（4）受激跃迁与光强的关系假定光强为I，即单位面积上的光功率，从光学课程我们知道，于是受激跃迁几率与光强的关系式为其中用到，为光在真空的波长。,（5）指数增益系数光波与二能级原子系统的相互作用，单位体积内所产生的辐射场净功率为并有确定的相位，能相干地叠加到输出光电磁场中去，沿光波传播方向如z方向的单位长度内光强增量为：其中，n为材料的折射率。解之得，其中,当，即粒子数反转时，光强就能得到指数地增加，因而实现了光的受激发射的放大作用；反之，如果，就指数衰减。,（6）Laser产生的必要条件和实现机理粒子数反转是实现光受激发射放大（Laser）的必要条件，实际中Laser一般都是三能级或四能级系统。以三能级体系为例讲述机理：如图示，假定三能级系统为0，1和2，对应的粒子数为N0，N1和N2，简并度为1。,三能级之间的受激跃迁和自发跃迁,从上式可以推出,如果有一电磁场，且能量很高，即能量为使得粒子数从能级0向能级2跃迁足够多，以致达到稳态时，那么在建立起新的平衡态下，,（10-96）,进一步得到,时，,，一般,或,当,时，粒子数反转在1和2之间；当,时，粒子数反转在0和1之间。,（7）半导体激光器,对于半导体的高掺杂p-n结，同样可以设法使受激发射大于受激吸收，从而得到光受激发射的放大，产生激光。高掺杂p-n结本征势垒很高，使得n型半导体导带低比p型半导体价带顶还要低，如图示。,加上正向偏置电压V，V,时，能够注入足够大的电流，即向p-n结区注入大量电子和空穴，就能够在结区形成粒子数（电子数）反转分布（(EF)-上的粒子数大于(EF)+上的粒子数），出现“激活区”。偶然自发发射一个光子，