带-杂质中心之间的跃迁

1、15.3 带带-杂质中心之间的跃迁杂质中心之间的跃迁v施主和受主杂质中心的能量状态施主和受主杂质中心的能量状态v施主和受主杂质中心的红外吸收施主和受主杂质中心的红外吸收v带带-施主（受主）中心的复合发光施主（受主）中心的复合发光2v施主和受主杂质中心的能量状态施主和受主杂质中心的能量状态半导体掺杂半导体掺杂 n-Si(Ge) N, P, As, Sb, Bi等等 p-Si(Ge) B, Al, Ga, In等等 在禁带中形成施主或受主能级，电离能在禁带中形成施主或受主能级，电离能emVCVDAEDEA电子（或空穴）在杂质中心附近受到库仑势电子（或空穴）在杂质中心附近受到库仑势20( )4eU

2、rr 其中其中 r 为电子或空穴的位置坐标为电子或空穴的位置坐标采用弱束缚近似方法采用弱束缚近似方法-类氢原子模型类氢原子模型3解薛定谔方程，可得杂质能级（分别以导带底或价带顶为解薛定谔方程，可得杂质能级（分别以导带底或价带顶为0点）点）*2(1,2,3,.)nREnn 其中其中R*为杂质态得里德伯常数为杂质态得里德伯常数4*222200*(4) 2m emRRm 其中其中m*为电子或为电子或空穴德有效质量空穴德有效质量.Wannier激子？激子？杂质中心上的电子（空穴）的等效半径为杂质中心上的电子（空穴）的等效半径为2*220024*nBmrnn am em 其中其中 aB=0.53x10-

3、8cm,为氢原子波尔半径为氢原子波尔半径例如例如 GaAs：r1*=90.9x10-8cm(半导体半导体: Si : r1*=20 x10-8cm 大大,m*/m0小小) Ge : r1*=45x10-8cm注意有效质量的各向异性！注意有效质量的各向异性！4v施主和受主杂质中心的红外吸收施主和受主杂质中心的红外吸收(a)和和(b)：中性施主：中性施主(受主受主)与导与导(价价)带间的跃迁带间的跃迁-浅跃迁浅跃迁(c)和和(d)：离化施主：离化施主(受主受主)与价与价(导导)带间的跃迁带间的跃迁-深跃迁深跃迁5eV单晶单晶Si受主杂质浅跃迁吸收谱受主杂质浅跃迁吸收谱吸收峰位位于红外区吸收峰位位于

4、红外区与带间吸收不同，吸收强度与带间吸收不同，吸收强度随光子强度增加而下降随光子强度增加而下降吸收系数吸收系数几十个几十个cm-1,低温下低温下观察。观察。吸收（相对值）吸收（相对值）EiEiD0A06InSb中杂质中心到带中杂质中心到带间的深跃迁吸收谱间的深跃迁吸收谱T=10K，Zn或或Cd在吸收边低能方在吸收边低能方向，台阶结构向，台阶结构EiEiD+A-7v带带-施主（受主）中心的复合发光施主（受主）中心的复合发光(a)和和(b)：浅跃迁：浅跃迁-导带电子导带电子(价带空穴价带空穴)到电离施主到电离施主(受主受主)间间 的跃迁，的跃迁，eD+, A-h , 面临发射声子的竞争面临发射声子

5、的竞争(c)和和(d)：深跃迁：深跃迁-中性施主与价带或导带与中性受主间的中性施主与价带或导带与中性受主间的 跃迁，跃迁，D0h, eA0，面临带间复合的竞争，面临带间复合的竞争85.4 施主施主-受主对联合中心受主对联合中心的吸收与发光的吸收与发光v施主施主-受主对的能量状态受主对的能量状态v施主施主-受主对的吸收与发光光谱受主对的吸收与发光光谱9v施主施主-受主对的能量状态受主对的能量状态考虑施主和受主杂质同时掺入的情况：考虑施主和受主杂质同时掺入的情况：施主施主-受主对联合中心受主对联合中心：D+可能俘获一个电子，可能俘获一个电子，A-可能可能俘获一个空穴，形成俘获一个空穴，形成D+A-

6、eh或或D+A-X中心，简称中心，简称施主施主-受主对受主对（D-A对）对）施主施主-受主对联合中心相当于束缚在受主对联合中心相当于束缚在D-A对上的一个束缚激子。对上的一个束缚激子。 ND/NA 1 过补偿过补偿 受主态会被部分的占据，而施主态会部分的空出，形成受主态会被部分的占据，而施主态会部分的空出，形成D+A-自补偿态。自补偿态。其初态能量其初态能量:()igDAEEEE 其终态能量其终态能量:20( )( )4feErU rr (其中其中EA和和ED分别代表分别代表受主和施主的电离能，受主和施主的电离能，r 表示表示D-A之间的距离之间的距离)10弱束缚情况下光跃迁的能量条件：弱束缚

7、情况下光跃迁的能量条件：2020()4( )4figADeEEEEErer 其中其中 ( () ) 表示表示r时时D-A对吸收和发射的光子能量。对吸收和发射的光子能量。rEDEA CVED+EAr Eg11v施主施主-受主对的吸收与发光光谱受主对的吸收与发光光谱施主施主-受主对的吸收光谱受主对的吸收光谱 锐线系结构锐线系结构？由上述公式可得施主由上述公式可得施主-受主对受主对的吸收与发光光谱特点：的吸收与发光光谱特点：(1)锐线系锐线系(高能边高能边) 较小较小r 的的D-A对的贡献对的贡献(2)带谱带谱(低能边低能边) 较大较大r 的的D-A对的贡献对的贡献12施主施主-受主对的发光光谱受主对的发光光谱锐线系锐线系带谱带谱发光低能截止边发光低能截止边发光高能截止边发光高能截止边杂质替代格位的确立杂质替代格位的确立D-A对发光强度对发光强度激发密度提高，发光蓝移激发密度提高，发光蓝移时间分辨光谱，时间延迟，时间分辨光谱，时