帶-雜質(zhì)中心之間的躍遷

1、15.3 帶帶-雜質(zhì)中心之間的躍遷雜質(zhì)中心之間的躍遷v施主和受主雜質(zhì)中心的能量狀態(tài)施主和受主雜質(zhì)中心的能量狀態(tài)v施主和受主雜質(zhì)中心的紅外吸收施主和受主雜質(zhì)中心的紅外吸收v帶帶-施主（受主）中心的復(fù)合發(fā)光施主（受主）中心的復(fù)合發(fā)光2v施主和受主雜質(zhì)中心的能量狀態(tài)施主和受主雜質(zhì)中心的能量狀態(tài)半導(dǎo)體摻雜半導(dǎo)體摻雜 n-Si(Ge) N, P, As, Sb, Bi等等 p-Si(Ge) B, Al, Ga, In等等 在禁帶中形成施主或受主能級，電離能在禁帶中形成施主或受主能級，電離能emVCVDAEDEA電子（或空穴）在雜質(zhì)中心附近受到庫侖勢電子（或空穴）在雜質(zhì)中心附近受到庫侖勢20( )4eU

2、rr 其中其中 r 為電子或空穴的位置坐標(biāo)為電子或空穴的位置坐標(biāo)采用弱束縛近似方法采用弱束縛近似方法-類氫原子模型類氫原子模型3解薛定諤方程，可得雜質(zhì)能級（分別以導(dǎo)帶底或價帶頂為解薛定諤方程，可得雜質(zhì)能級（分別以導(dǎo)帶底或價帶頂為0點）點）*2(1,2,3,.)nREnn 其中其中R*為雜質(zhì)態(tài)得里德伯常數(shù)為雜質(zhì)態(tài)得里德伯常數(shù)4*222200*(4) 2m emRRm 其中其中m*為電子或為電子或空穴德有效質(zhì)量空穴德有效質(zhì)量.Wannier激子？激子？雜質(zhì)中心上的電子（空穴）的等效半徑為雜質(zhì)中心上的電子（空穴）的等效半徑為2*220024*nBmrnn am em 其中其中 aB=0.53x10-

3、8cm,為氫原子波爾半徑為氫原子波爾半徑例如例如 GaAs：r1*=90.9x10-8cm(半導(dǎo)體半導(dǎo)體: Si : r1*=20 x10-8cm 大大,m*/m0小小) Ge : r1*=45x10-8cm注意有效質(zhì)量的各向異性！注意有效質(zhì)量的各向異性！4v施主和受主雜質(zhì)中心的紅外吸收施主和受主雜質(zhì)中心的紅外吸收(a)和和(b)：中性施主：中性施主(受主受主)與導(dǎo)與導(dǎo)(價價)帶間的躍遷帶間的躍遷-淺躍遷淺躍遷(c)和和(d)：離化施主：離化施主(受主受主)與價與價(導(dǎo)導(dǎo))帶間的躍遷帶間的躍遷-深躍遷深躍遷5eV單晶單晶Si受主雜質(zhì)淺躍遷吸收譜受主雜質(zhì)淺躍遷吸收譜吸收峰位位于紅外區(qū)吸收峰位位于

4、紅外區(qū)與帶間吸收不同，吸收強度與帶間吸收不同，吸收強度隨光子強度增加而下降隨光子強度增加而下降吸收系數(shù)吸收系數(shù)幾十個幾十個cm-1,低溫下低溫下觀察。觀察。吸收（相對值）吸收（相對值）EiEiD0A06InSb中雜質(zhì)中心到帶中雜質(zhì)中心到帶間的深躍遷吸收譜間的深躍遷吸收譜T=10K，Zn或或Cd在吸收邊低能方在吸收邊低能方向，臺階結(jié)構(gòu)向，臺階結(jié)構(gòu)EiEiD+A-7v帶帶-施主（受主）中心的復(fù)合發(fā)光施主（受主）中心的復(fù)合發(fā)光(a)和和(b)：淺躍遷：淺躍遷-導(dǎo)帶電子導(dǎo)帶電子(價帶空穴價帶空穴)到電離施主到電離施主(受主受主)間間 的躍遷，的躍遷，eD+, A-h , 面臨發(fā)射聲子的競爭面臨發(fā)射聲子

5、的競爭(c)和和(d)：深躍遷：深躍遷-中性施主與價帶或?qū)c中性受主間的中性施主與價帶或?qū)c中性受主間的 躍遷，躍遷，D0h, eA0，面臨帶間復(fù)合的競爭，面臨帶間復(fù)合的競爭85.4 施主施主-受主對聯(lián)合中心受主對聯(lián)合中心的吸收與發(fā)光的吸收與發(fā)光v施主施主-受主對的能量狀態(tài)受主對的能量狀態(tài)v施主施主-受主對的吸收與發(fā)光光譜受主對的吸收與發(fā)光光譜9v施主施主-受主對的能量狀態(tài)受主對的能量狀態(tài)考慮施主和受主雜質(zhì)同時摻入的情況：考慮施主和受主雜質(zhì)同時摻入的情況：施主施主-受主對聯(lián)合中心受主對聯(lián)合中心：D+可能俘獲一個電子，可能俘獲一個電子，A-可能可能俘獲一個空穴，形成俘獲一個空穴，形成D+A-

6、eh或或D+A-X中心，簡稱中心，簡稱施主施主-受主對受主對（D-A對）對）施主施主-受主對聯(lián)合中心相當(dāng)于束縛在受主對聯(lián)合中心相當(dāng)于束縛在D-A對上的一個束縛激子。對上的一個束縛激子。 ND/NA 1 過補償過補償 受主態(tài)會被部分的占據(jù)，而施主態(tài)會部分的空出，形成受主態(tài)會被部分的占據(jù)，而施主態(tài)會部分的空出，形成D+A-自補償態(tài)。自補償態(tài)。其初態(tài)能量其初態(tài)能量:()igDAEEEE 其終態(tài)能量其終態(tài)能量:20( )( )4feErU rr (其中其中EA和和ED分別代表分別代表受主和施主的電離能，受主和施主的電離能，r 表示表示D-A之間的距離之間的距離)10弱束縛情況下光躍遷的能量條件：弱束縛

7、情況下光躍遷的能量條件：2020()4( )4figADeEEEEErer 其中其中 ( () ) 表示表示r時時D-A對吸收和發(fā)射的光子能量。對吸收和發(fā)射的光子能量。rEDEA CVED+EAr Eg11v施主施主-受主對的吸收與發(fā)光光譜受主對的吸收與發(fā)光光譜施主施主-受主對的吸收光譜受主對的吸收光譜 銳線系結(jié)構(gòu)銳線系結(jié)構(gòu)？由上述公式可得施主由上述公式可得施主-受主對受主對的吸收與發(fā)光光譜特點：的吸收與發(fā)光光譜特點：(1)銳線系銳線系(高能邊高能邊) 較小較小r 的的D-A對的貢獻對的貢獻(2)帶譜帶譜(低能邊低能邊) 較大較大r 的的D-A對的貢獻對的貢獻12施主施主-受主對的發(fā)光光譜受主對的發(fā)光光譜銳線系銳線系帶譜帶譜發(fā)光低能截止邊發(fā)光低能截止邊發(fā)光高能截止邊發(fā)光高能截止邊雜質(zhì)替代格位的確立雜質(zhì)替代格位的確立D-A對發(fā)光強度對發(fā)光強度激發(fā)密度提高，發(fā)光藍移激發(fā)密度提高，發(fā)光藍移時間分辨光譜，時間延遲，時間分辨光譜，時