半导体器件物理：第9章 发光二极管和半导体激光器.ppt

发光二极管（LED）和半导体激光器是光电子学中的关键元件，它们基于半导体材料的辐射复合原理工作。半导体器件物理中，辐射复合是指在半导体中电子从高能级跃迁到低能级时释放出光子的过程，这个过程是光电器件如LED和激光器发出光的基础。非辐射复合则是电子能量以热或其他非光子形式释放，这通常会导致器件效率降低。 在19世纪末到20世纪中叶，科学家们逐步发现了电流通过某些半导体材料时会伴随着光的产生。1962年，砷化镓（GaAs）发光二极管的研制成功标志着这一领域的重大突破，而1970年，砷化镓-铝镓砷（GaAs-AlGaAs）激光器的室温连续运行更是进一步推动了光电子技术的发展。 辐射复合分为带间辐射复合和带内复合。带间辐射复合是电子从导带跃迁到价带时，释放出的能量接近禁带宽度的光子。对于直接带隙半导体（如镓砷化物），这个过程是“垂直”的，即电子在k空间中的波矢变化很小，因此可以直接发射光子。而对于间接带隙半导体（如硅），跃迁需要伴随声子的交换，这使得过程更为复杂，效率相对较低。 带内复合包括浅能级与主带之间的复合，这通常是浅施主或浅受主与价带或导带电子的复合。此外，施主-受主对（D-A对）复合是一种重要的发光机制，它涉及到被施主捕获的电子与被受主捕获的空穴的复合，产生的光子能量小于禁带宽度。 非辐射复合是能量损失的途径，包括晶格振动（声子）的吸收、深能级陷阱的存在等。这些过程使得电子的能量没有转化为光能，而是转化为热能，降低了器件的发光效率。因此，在设计和优化光电器件时，需要减少非辐射复合，提高辐射复合的比例，以提高器件性能。 发光二极管和半导体激光器的工作原理依赖于半导体材料的能带结构以及电子在能带间的复合方式。了解这些基本概念和过程对于理解和改进这些器件至关重要，对于推动信息技术、光学通信、显示技术等领域的发展具有深远的影响。