§10.5 半导体发光
半导体中电子从高能量状态向较低能量状态跃迁并伴随发射光子的过程。主要有两种： 1、本征辐射复合(带－带复合)
导带电子跃迁到价带与空穴复合的过程称为本征跃迁，本征跃迁伴随发射光子的过程称为本征辐射复合。对于直接禁带半导体，本征跃迁为直接辐射复合，全过程只涉及一个电子－空穴对和一个光子，辐射效率较高。II-VI族和具有直接禁带的部分III-V族化合物的主要发光过程属于这种类型。对于间接禁带半导体，本征跃迁必须借助声子，因而是间接复合。其中包含不发射光子的多声子无辐射复合过程和同时发射光子和声子的间接辐射复合过程。因此，间接禁带半导体中发生本征辐射复合的几率较小，辐射效率低。Ge、Si、SiC和具有间接禁带的部分III-Ⅴ族化合物的本征复合发光属于这种类型，发光比较微弱。
因为带内高能状态是非稳状态，载流子即便受激进入这些状态也会很快通过“热化”过程加入导带底或价带顶。显然，带间跃迁所发射的光子能量与Eg有关。对直接跃迁，发射光子的能
量满足
对间接跃迁，在发射光子的同时，还要发射声子，因而光子能量应满足
其中Ep是声子能量。
涉及杂质能级的辐射复合称为非本征辐射复合。在这种过程中，电子从导带跃迁到杂质能级，或从杂质能级跃迁到价带，或仅仅在杂质能级之间跃迁。由于这种跃迁不受选择定则
的限制，发生的几率也很高，是间接禁带半导体，特别是宽禁带发光材料中的主要辐射复合机构。
下面着重讨论电子在施主与受主杂质之间的跃迁，如图10-22所示。当半导体中同时存在施主和受主杂质时，两者之间的库仑作用力使受激态能量增大，其增量△E与施主和受主杂质之间距离r成反比。当电子从施主向受主跃迁时，若没有声子参与，发射光子能量为
式中ED和EA分别代表施主和受主的束缚能， r是发光材料的相对介电常数。
由于施主和受主一般以替位原子出现在晶格中，因此r只能取原子间距的整数倍，相应的光子能量为不连续数值，对应于一系列不连续的发射谱线。但这只在r较小，即电子在相邻的施主和受主间跃迁时才可区分；随着r的增大，发射光子的能量差别越来越小，而且电子从施主向受主跃迁所要穿过的距离也越来越大，跃迁几率很小。因此杂质发光主要发生在相邻施－受主之间。
3、GaP中的非本征辐射复合机构
GaP的室温禁带宽度Eg＝2.26eV，但其本征辐射跃迁效率很低，主要依靠非本征发光中心。图10-23表示GaP中几种可能的辐射复合机构。
1）GaP中的施受主对发光中心（Zn(或Cd)－O对发光中心）
掺O和Zn的GaP材料，经过适当热处理后，O和Zn分别取代相邻的P原子和Ga原子，其中O形成一个深施主能级(导带下0.89eV处)，Zn形成一个浅受主能级(价带以上0.06eV处)。当这两个杂质原子在p型GaP中处于相邻格点时，形成一个电中性的Zn-O络合物，起等电子陷阱作用，束缚能为0.3eV。与之相关的复合过程有3种：
①Zn-O络合物俘获一个电子．邻近的Zn中心俘获一个空穴形成一种激子状态。激子的淬灭 (即杂质俘获的电子与空穴相复合)，约发射660nm左右的红光。这一辐射复合过程的效率较高；
②Zn-O络合物俘获一个电子后，再俘获—个空穴形成另一种类型的束缚激子，其空穴束缚能级Eh在价带0.037eV处。这种激子复合时发射红光。
③孤立O中心俘获的电子与Zn中心俘获的空穴相复合, 发射红光。
2）GaP中的其他非本征发光中心
④ N等电子中心 N在GaP中取代P起等电子陷阶作用，其能级位置在导带下0.008eV处。N等电子陷阱俘获电子后再俘获空穴形成束缚激子，其空穴束缚能级Eh在价带之上0.011eV处。这种激子复合时发绿光。
⑤Te－Zn施受主对 若GaP材料中还掺有Te等浅施主杂质，Te中心俘获的电子与Zn中心俘获的空穴相复合，发射550um附近的绿光。可见，不含O的p型GaP可以发绿光，而含O的GaP主要发红光。因此，要提高绿光发射效率，必须避免O的掺入。
二、发光效率
电子跃迁过程中，除了发射光子的辐射跃迁外，还存在无辐射跃迁。无辐射复合过程中的
能量释放机理比较复杂，包含俄歇复合和多声子无辐射复合等。辐射复合和无辐射复合过程两者发生几率的不同使材料具有不同的发光效率，因而发光效率决定于额外载流子的辐射复合寿命τr和无辐射复合寿命τnr的相对大小。
1、内量子效率
去污剂发光效率通常分为“内量子效率”η内和“外量子效率”η外。内量子效率定义为：
平衡时，电子－空穴对的激发率等于额外载流子的复合率(包括辐射复合和无辐射复合)，而复合率分别决定于寿命τr和τnr（辐射复合率正比于1/τr，无辐射复合率正比于1/τnr），因此，η内可写成
刀模
可见，只有当τnr>>τr时，才能获得有效的光子发射。
对以间接复合为主的半导体材料，一般既存在辐射复合中心，也存在无辐射复合复合中心。因此，要使辐射复合占压倒优势，即τnr>>τr，必须使发光中心浓度NL远大于其他杂质浓度Nt。
2、外量子效率
辐射复合所产生的光子并不是全部都能离开晶体向外发射。从发光区产生的光子向外传输时有部分会被再吸收。另外，由于半导体的高折射率(3~4)，光子在界面处很容易发生全反射而返回到晶体内部。即使是垂直入射界面的光子，由于高折射率导致高反射率，有相当大部分(30％左右)被反射回晶体内部。因此，用“外量子效率” 外来描写半导体材料的总有效发光效率，即
对于像GaAs这一类的直接禁带半导体，直接辐射复合在额外载流子的复合过程中占主导地位，因此，内量子效率比较高，可接近100％，但能够从晶体内实际发射出去的光子比例却不一定很高。例如，室温下GaP（Zn-O）红光LED的η外最高可达15％，GaP（N）绿
光LED的η外只有0.7％。为了提高LED的发光效率，不但要选择内量子效率高的材料，还要采取适当措施提高外量子效率。譬如将LED芯片表面做成球面，并使发光区域处于球心，这样可以避免表面的全反射。因为晶体的吸收随着温度增高而增大．因此，发光效率将随温度增高而下降。
三、电致发光机构
半导体电致发光的额外载流子注入主要有两种方式：场注入和结注入。
1、场致发光
均匀高阻材料在强电场下通过载流子的雪崩倍增效应（俄歇产生）获得额外载流子的注入，这些载流子通过本征跃迁复合，或通过杂质能级复合，发射发射相应波长的光。
这种方式的效率不高，通常只有单极性半导体，例如ZnS才采用这种方式。
图10-24 pn结注入发光示意图
2、p-n结注入发光如图l0－24所示，利用p-n结在正向偏置条件下的注入作用，可以在势垒区外形成额外少数载流子的累积，这些额外载流子在扩散的过程中通过与多数载流子的复合而发光。利用pn结注入发光制造的LED分同质结和异质结两种。
1）同质结LED 同质p-n结势垒区两边都有额外载流子注入。由于一般发光材料的少子扩散长度远大于正偏压下的势垒宽度，因此势垒区中的辐射复合几率较小，辐射复合主要发生在结两边的扩散区。同质结的注入区又是少子累积区，复合几率较大，影响注入效率。同时，由于本征辐射复合发射的光子能量与所用材料的禁带宽度相当，发射光子在向外传播的过程中大部分被材料吸收，因而其外量子效率很低。利用杂质能级发光的GaP LED主要采用同质结结构。
改进办法是采用异质结
2）异质结LED 采用异质结可以提高少数载流子的注入效率。图10-25表示理想的异质结能带示意图。由于p区和n区的禁带宽度不等，势垒是不对称的。如图10-25(b)所示，当正向偏压使二者的价带顶持平时，p区的空穴由于不存在势垒而不断向n区扩散，而n区的电子由于面临高势垒△E=Eg1－Eg2而不能从n区注入p区，从而保证了空穴（少数载流子）向
n区的高注入效率。这时，禁带较宽的p区成为单一注入区，禁带较窄的n区成为单一发光区。例如GaAs-GaSb异质结，其发射光子能量为0.7eV，相当于GaSb的禁带宽度。
这种异质结LED的另一优点，是宽禁带注入区同时作为辐射窗口，其禁带宽度大于发射光子的能量，发射光向外传播时不会被吸收，提高了 外。 现代LED还采用双异质结结构和量子阱结构进一步提高注入效率和量子效率。量子阱结构利用量子尺寸效应将电子的势能提高，发射能量比材料Eg高的光子。
§10.6 半导体激光
激光(laser－light amplification by stimulated emission of radiation)一词是“利用辐射的受激发射进行光量子放大”的缩写。激光器是一种亮度极高。方向性和单性极好的相干光辐射。
激光器分固体激光器和气体激光器两大类。半导体激光器是固体激光器的重要组成部分，主要用于通讯，覆盖从红外到近紫外的整个波段。如常用的激光材料GaAs可发射红外激光，固溶体体GaAs1-xPx可发射可见激光，新兴的GaN基激光器发射蓝和近紫外激光..….
一、自发辐射和受激辐射
所谓自发辐射，就是电子不受任何外界因素的作用而自发地从高能状态E2向低能状态E1跃迁并发射一个能量为hν12=E2－E1的光子，正如前面所述之LED的发光过程。所谓受激辐射，就是电子在光辐射的激励下从激发态向基态跃迁的辐射过程。在这种过程中，电子同样是从高能状态E2向低能状态E1跃迁并发射一个能量为hν12=E2－E1的光子，但要预先受到另一个能量同样为hν12的光子的激励。半导体激光器和半导体LED的根本差别，就在于除了额外载流子的注入与自发辐射，还有这样一个很关键的受激辐射过程。
自发辐射和受激辐射是两种不同的光子发射过程。自发辐射中所有电子的跃迁都是随机的，所发射的光子虽然具有相等的能量hν12，但它们的位相和传播方向各不相同；而受激辐射中发射光子的频率、位相、方向和偏振态等全部特性都与入射光子完全相同。同时，
水平潜流人工湿地如果激励光子原本就是由能级E2到E1的电子跃迁过程产生的，则一个受激辐射过程同时发射两个同频率、同位相、同方向的光子。
二、受激辐射的必要条件
对上述频率为ν12的光子而言，它既可能被能级E1上的电子吸收而使之激发到能级E2，也可能激励能级铜制品制作E2加工助剂acr上的电子使之跃迁到能级E1而产生受激辐射。这两个过程的发生几率哪个更大，取决于电子在能级E1和E2的分布情况。一般情况下，低能级E1上的电子密度远高于高能级E2的电子密度，因而频率为ν12的光子通常在能级E1和E2之间引起光的吸收；然后，被激发到E2的电子又自发地跃迁回E1，发射出最多不超过入射光子数的频率为ν12的光子。但是，若处在高能级E2上的电子密度高于低能级E1的电子密度，则该系统在频率为ν12的光子流照射下，受激辐射将超过光的吸收。这样，该系统将发射出能量为hν12，但数目超过入射数目的光子。这种现象即为光量子放大，出射光即为激光。通常把高能级比低能级电子密度高的反常情况称为分布反转或粒子数反转。
