请问发光机制

darren0613 · 发表于 2003-3-17 06:17:00

[这个贴子最后由乏味在 2003/03/17 01:03pm 第 1 次编辑]

不好意思喔~
我在读苏廷伟学长的论文~
不过我不懂他发光机制的叙述耶~
请问谁可以帮我解释吗?
谢谢~

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以下是他的文字叙述~
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图2-3-3 可以用来说明MOS发光二极管中的发光机制[9][16]，而图2-3-2
中的直线代表的是以陈敏璋学长的模型及程序所作的fitting 及各种不同程
序的成分。在导电带中的电子部分和电洞形成激子(exciton)，而部分维持自
由电子电洞对(free pair) 的形式，但是两部分都会经由放出TO 或
TO+OA(two- phonon)补偿动量差异来完成发光性复合。我们可以在图2-3-2
中找出这四个成分，其中two-phonon 程序产生的机率都较one-phonon 程序
低了许多，而因为波函数重迭的成分较大，虽然室温下的exciton 的数量远
低于free pair，电子电洞对经由exciton 产生发光性复合的机率依旧较大。
电子电洞在发光程序中失去了exciton 结合及phonon 放出的能量，所以量
测到的EL 频谱peak 位置较bandgap 稍低。

wolfgangwoo · 发表于 2003-3-17 19:51:00

[这个贴子最后由wolfgangwoo在 2003/03/17 11:53am 第 1 次编辑]

光子的产生来源于电子和空穴的复合。如图所示，可以看到，导带的底部和价带的顶部并不是在k空间的一点上，因此，根据波矢和能量守恒的定律，必须有的三种粒子来参与电子和空穴的复合过程，也就是声子（phonon）。因此，在电子和空穴复合的计算中都要考虑声子的能量。
再者，在原（离）子按周期性排列的晶体中，最低的激发态并不是一个价电子处于导带底，而是与价电子到禁带（bandgap）内某局域态有关。这局域态也就是激子(exciton)态。明显，激子之间的能带宽要小于禁带宽。
由上可知，光子主要来源于自由电子与空穴的复合和激子对之间的复合，不管是那种复合都要考虑发射声子放出的能量，而激子对复合的产生能量本身要小于禁带宽，因此，所测出光的频谱peak 要比禁带低，即所测的波长要大。

freel · 发表于 2003-3-17 20:24:00

发光机制根本就是能量转换，只是不同情况下所需的条件不同而已。仔细看些基本的书籍。

darren0613 · 发表于 2003-3-19 20:57:00

[这个贴子最后由乏味在 2003/03/19 10:19pm 第 1 次编辑]

恩~谢谢你详细的说明!
让我能大致嘹解那图的意思了….
不过能再请问一下…
那图是说间接能隙材料发光性复合的机制原理~
那如果说现在以一个n-type si MOS结构的LED来看….
由于他的发光是~~
电子从导带回到价带与电洞(空穴)复合放出声子所产生的光子~
那请问MOS LED组件再没有给予任何外加电场或能量时…
他组件内部是怎么样的状态呢?
若我们现在用电激发光(可以解释成外加电场吗?)….
当加顺向偏压(+,因为n-type)后~
si基板的多数载子是会跃到导带(得到能量)然后在回到价带复合而发光的吗?
其实这是我最不明白的地方~
搞不懂导带中的电子是从哪来的~
不好意思我一直都没说明白~
我想请问的是MOS结构中氧化层厚度小于100Å的情况~
谢谢了~

darren0613 · 发表于 2003-3-19 21:04:00

呼呼~~~读光电还真是累呢!!
固态物理,近代物理,半导体物理,光电等~
ㄚ!!还有化学~还有吗??
连我这么混都会觉得累说….
要是卯起劲来拼那怎得了…
对岸的朋友们真是谢谢你们呢!!
老师都说大陆的学生都很拼耶~
可不可以顺便请问一下是不是真的阿?
让我也感受一下你们的气息看会不会比较认真~
呵呵~谢啦!!

ab209 · 发表于 2003-3-23 05:09:00

窃以为：
氧化层厚度小于100埃主要是出于对加载较低电压就可以产生隧道效应，如果膜层太厚会相应的要求提高加载电压。
在此状态下，在没有外加电场的情况下的能带将取决于扩散浓度及杂质的类型，不过对于其导带底与价带顶是否直接对应我就不清楚了。在加电压发光是的电子来源于所加的电压。

zemax · 发表于 2003-3-27 10:29:00

呵呵，半导体的发光机制是比较难理解，物理图象很难搞明白，不过有本黄昆的固体物理学好象专门有一章就是讲半导体的，写得很好，建议可以读一读，我现在是没时间看了。

土豆 · 发表于 2003-4-2 21:42:00

想问一下“氧化层厚度”的不同是否会影响发光的频率？

一般是用是这样来调整发光频率的吗？
还是要选用不同的材料？
总之，怎样才能使二极管发出不同颜色光呢？

另外，想知道这个“空穴”可否理解成是原子核失去电子后表现出的正电性？
或者说是一种“正离子电性”？

zfw0080 · 发表于 2003-4-3 19:32:00

要讲真正的发光机制，还必须从爱因斯坦的几个概念：自发辐射；受激辐射；受激吸收开始。

ab209 · 发表于 2003-4-6 15:27:00

窃以为：氧化层的厚度应该和光的颜色没有多大的关系，光的颜色和应该和跃迁的能量有关，所以用一只结构上的二极管发出两种光应该是不能实现的，除非是在封装的时候就装了两种二极管。“空穴”要这么理解也可以。

darren0613 · 发表于 2003-4-7 08:20:00

光的颜色跟氧化层的厚度无关~
因为颜色不同即是波长λ不同~
有一个公式是Eg=0.24/λ…
所以光的颜色是跟Eg有关~
要是想要改变Eg的话可以参杂其它材质改变…
板主老大~
我说的对吗??

土豆 · 发表于 2003-4-7 18:59:00

我打小自己攒单管收音机时，就对这个“空穴”不理解，
如果“空穴”可以这样理解的话，就想通了，
其实导体导电也是由于这个“空穴”作用吧？
否则正电极离的老远，怎么也作用不到负电极的电子上呀，
好在有“空穴”帮忙，
绝缘体就是外层电子不让位（空穴）、不离开（电离），
看来电场力的确与作用距离r关系很大，
另外，这倒有点象是不断的快速“氧化还原反应”？

说起发光也挺有意思，不过半导体发光就只好现找本书念念了，
读书体会：
导体通电后会发热，这个“热”当然也是光了，
“钨”虽然不算是半导体，不过电阻率也较高，
算是准半导体吧，用了很久了，
真空中的“半导体灯泡”还没有见过，按说也可以的？

从理论和实际看，发光需要2个条件：
激发者和被激发者，对于电致发光这似乎是一对矛盾，
因为如果要求激发者---电子众多的话，最好是用导体，
如果希望被激发者---惰性原子众多的话，最好是用绝缘体，
那么半导体或准半导体（钨）看来是个折中的方案了？

为了便于理解，我想先做几个肆意的假设：
1、原子发光频率等于其绕核电子的角频率，
内层电子的公转角频率较高（行星也是如此），
每种元素都有自己的固有角频率谱---光谱，
（氢原子光谱以后再分析，可能与回旋辐射的基频谱与谐波谱有关）
2、电子绕核的切向冲击扰动了某种光介质（以太或暗物质），
绕核电子对介质的冲击强度与其线速度、发光强度成正比，

这样就易于理解一些看似复杂的东西了，
比如说：
1、导体易发热，但不易发光，
因为“导体空穴”只能俘获那些较低速电子，
这样的低速电子要么轻易的就逃跑了，
要么也是以较低的公转角频率绕核旋转---红外辐射，
（导体最外层的电子角频率较低）
只有在电流很大时，才对内层电子产生影响，
内层电子线速度上升，要维持圆周运动（向心力=离心力），
于是只有绕核半径增加，但角频率变化不大，
于是导体整体产生“热膨胀”，内层固有频率的辐射强度增加，

2、惰性气体只在高压下发光，而且亮度可以作的较高，
情况与上面的1相反，不再熬述，
如果惰性气体的发光主要激发的是最外层电子，
那么其发光频率应该是与其原子半径（层数）相关，
即氦的发光固有频率最高，氡最小，
（层数越多，最外层电子的固有角频率越低）

发光频率的这种规律翻译成现在的“能带理论”是：
导带Ec - 介带（满带）Ev =带隙宽度Eg（禁带宽），
带隙宽度Eg越高，发光频率越高，
按前面的分析看，
最外层电子的发光频率显然与其电离能成正比（递增关系），
因为距离核越近的层电子（个数大于1），其电离能也越大，

3、某种半导体的带隙宽度Eg越高，发光频率越高，
按上面的分析可知，要想提高发光频率，
只要选择那些层数少、固有频率高的半导体，
所以“带隙宽度”Eg与半导体的层数有如下关系：

半导体------带隙宽度Eg（温度300K）---最外层
碳C-----------5.47-------------------2p
硅Si----------1.12-------------------3p
锗Ge----------0.66-------------------4p
锡Sn----------空缺-------------------5p

氮化铝AlN------5.90---------------N是2p
磷化铝AlP------2.45---------------P是3p
砷化铝AlAs-----2.16--------------As是4p
锑化铝AlSb-----1.50--------------Sb是5p

氮化镓GaN------3.37---------------N是2p
磷化镓GaP------2.26---------------P是3p
砷化镓GaAs-----1.43--------------As是4p
锑化镓GaSb-----0.72--------------Sb是5p

氮化铟InN------2.40---------------N是2p
磷化铟InP------1.35---------------P是3p
砷化铟InAs-----0.35--------------As是4p
锑化铟InSb-----0.18--------------Sb是5p

参见：《半导体发光材料和器件》方志烈 , 1992年1月第1版 , 第41页
据书上说其中只有磷化镓GaP发出的是可见光，
要想发出绿光还是不行（发光效率也低），怎么办呢？
掺一点“小原子”呀，比如氮N，
要想发出蓝光呢？书上没说，
如果保持层数不变，比如同周期的氧和氟，
可能担心被夺走电子---氧化的问题？那个氖吧又懒得很，
碳和硼的外层电子电离能可能比氮还低（发光强度就较低），
要不就试试铍？可它属于金属呀，谁来给指点一下？

总的来说，似乎可以这么说：
电离能：可以综合反映出发光固有频率和发光强度的高低，

因为某层的电离能越高，说明该“球层”的半径越小，
于是固有频率就越高，另一方面，
电离能高，说明该层电子数比较接近该层“稳定数”，
一旦出现空穴，空穴的“电归能”（相对“电离能”而言）就较高，
这就允许电子以较高的线速度“膨胀公转”，发光的强度就较高，
因为显然：核向心力 = “电归能力”，

就是说内层电子有高固有频率的潜在素质，
但是其绕核半径小，所以线速度并不算很高，
而且由于有外层电子的保护，不易被碰撞、激发加速，
但是一旦外界激发条件足够，就会表现出其高固有频率和高强度，

另外顺便说一下“介质冲击波”方向性的问题，
任何波介质在受到物体或粒子高速冲击时，
其冲击波有一个特点：冲击波的方向性随粒子的速度递增，
所以按理说，粒子的速度越高，
其产生的介质冲击波的方向性就越好，
所以要想得到方向性好的所谓“激光”，
就要想方设法去激发那些电离能较高的电子，
因为这种电子可以高速绕核旋转，
向某个观察点传出具有高度冲击性、方向性的“介质脉冲”，
而其频率却还是由其绕核角频率所决定的，

这一点与加速器中的“同步辐射”不同，
“同步辐射”的频率取决于近光速电子的速度和回转半径，
类似于“声障”附近的空气介质激波辐射，
是介质冲击波的极高频情况，
（粒子速度较低时的介质冲击波频率也很低，比如子弹和炮弹的呼啸声）
而电子绕核线速度增加的同时，回转半径也在增加，
所以其“同步辐射”的频率不会很高，
随着电子线速度增加，回转半径减小，
物体由膨胀到液化、汽化、最后电离，
总之很难有连续谱的“同步辐射”出现，
同步回旋加速器中的回旋辐射频率（电子角频率）就不会太高了，
因为D型盒的直径难以与原子中的电子轨道半径相比了，
但是由于同步辐射电子的高速，使得它的冲击性更强，
从而方向性、单色性、强度都比原子固有角频率的激光更好，
另外自由电子（导带电子）的对绕核电子（满带电子）的定向撞击
可能会产生绕核电子轨道的椭圆化，这可以增加激光的方向性，
比如气体激光器的高压放电管就是作成细长的，
估计半导体中的主辐射方向是否也会是与电子运动方向（纵向）近似相同的？
这就不止是在纵向加反射层了，最好如同气体激光器那样，
开个纵向的小孔才好？最好是有透明的半导体，
这样应该可以把激光从纵向引出来，可能会更强？方向性更好？

还有，原子在极低温下由于外界辐射能量补充减少，线速度下降，
轨道半径只有收缩，才能维持其固有角速度不变，
这就减少了自由电子与内层电子的碰撞机会---电阻率下降，
内层电子线速度太低时，甚至可能出现内电子层坍塌---超导，
有些低温原子小到会从玻璃容器中流出来---超流体，

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这种经典的古朴假设与“能级跃迁”理论的关系是：
电子在半径r较小的“基态”被电子或以太粒子撞击后，
以螺旋渐开线的轨迹，加速运动到r较大的“激发态”，
加速运动中受到以太阻力作用，自身动能逐渐消耗，
直到向心核力大于离心力，电子又以螺旋渐近线轨道回到“基态”，
这过程中，电子绕核圆频率基本保持不变，变化的是线速度和r，
至于以前所说的经典原子论难以解释电子坠落并未发生的问题，
其实“能级跃迁”理论也同样存在这个问题，
所谓的”基态“显然与“环境辐射场”（温度）有关，
既然电子可以在某环境辐射（温度）下，保持于“基态”不坠落，
那么经典理论中的绕核电子就不能因吸收环境辐射，
同样的保持不坠落吗？

这算是把以前摘的一堆包谷挑拣、整理了一下，
由于对真空、以太、暗物质的探索、了解还很初级，
所以此理论的基础略显薄弱，不过试试看吧，
先自圆其说，实际工作、实验中好用就行？
回顾以前的很多重大成果不都是在“以太假说”下作出的吗？

请问发光机制