半導(dǎo)體電致發(fā)光基礎(chǔ)理論
這種電致發(fā)光方式是由電場（電流）激發(fā)載流子，將電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿倪^程，也稱為場致發(fā)光。電子在從高能級向低能級躍遷的過程中，必然釋放出一定的能量。如果能量以發(fā)射光子的形式釋放，則稱這種躍遷為輻射躍遷；反之，沒有輻射出光子的躍遷就稱為無輻射躍遷。半導(dǎo)體中的電子與空穴的非輻射復(fù)合主要包括：異質(zhì)結(jié)界面態(tài)的復(fù)合、缺陷復(fù)合及俄歇復(fù)合。非輻射復(fù)合對于半導(dǎo)體激光器的量子效率、工作穩(wěn)定性和可靠性等都帶來不利影響。在半導(dǎo)體發(fā)光材料中，必須是輻射躍遷占優(yōu)勢，以提高光發(fā)射效率。輻射躍遷可以分為本征躍遷與非本征躍遷兩種情況。
本征躍遷即為帶間躍遷，導(dǎo)帶的電子躍遷到價(jià)帶，與價(jià)帶空穴相復(fù)合，發(fā)射出光子。顯然，這種帶間的電子躍遷所引起的發(fā)光過程，是本征吸收的逆過程。對于直接帶隙半導(dǎo)體，導(dǎo)帶與價(jià)帶極值都在Κ空間原點(diǎn)，本征躍遷為直接躍遷，其輻射效率較高。而間接帶隙半導(dǎo)體，導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂位于不同的佬值處，這時(shí)發(fā)生在帶與帶之間的躍遷是間接躍遷。在間接躍遷過程中，除了發(fā)出光子外，還有聲子參與。因此，這種躍遷比直接躍遷的概率小得多，本征輻射躍遷如圖所示。
圖 本征輻射躍遷
帶間的躍遷所發(fā)射的光子能量與禁帶寬度直接有關(guān)。對于直接躍遷，發(fā)射光子的能量至少應(yīng)滿足式中，島是聲子能量。
非本征躍遷是指電子從導(dǎo)帶躍遷到雜質(zhì)能級，或者從雜質(zhì)能級躍遷到價(jià)帶，或者在雜質(zhì)能級之間的躍遷，并發(fā)射出光子的現(xiàn)象。在間接帶隙半導(dǎo)體中，非本征躍遷起主要作用。其中，施主與受主之間的躍遷效率較高，是多數(shù)發(fā)光二極管的主要躍遷方式。當(dāng)半導(dǎo)體材料中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)時(shí)，兩者之間的庫侖引力作用使激發(fā)態(tài)能量增大，其增量齟與施主和受主雜質(zhì)之間的距離｀成反比。當(dāng)電子從施主向受主躍遷時(shí)，如果沒有聲子參與，發(fā)射的光子能量為
式中，ED和EA分別表示施主和受主的束縛能，εr是晶體相對介電常數(shù)。
由于發(fā)光過程中存在輻射復(fù)合和無輻射復(fù)合過程，使得半導(dǎo)體材料具有不同的發(fā)光效率。由復(fù)合理論可知，發(fā)光效率決定于非平衡載流子輻射復(fù)合壽命τnt和無輻射復(fù)合壽命‰的相對大小。通常用內(nèi)部量子效率和外部量子效率來表示發(fā)光效率。單位時(shí)間內(nèi)輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子數(shù)與單位時(shí)間內(nèi)注入的電子－空穴對數(shù)之比稱為內(nèi)量子效率，即
單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射到器件外部的光子數(shù)與單位時(shí)間內(nèi)注入的電子－空穴對數(shù)之比稱為外量子效率，即
對于直接帶隙半導(dǎo)體，其內(nèi)量子效率較高，甚至有些材料可以達(dá)到100％。但實(shí)際發(fā)射的光子卻很少。這是因?yàn)椴牧系膿p耗、界面反射等因素制約了外量子效率。所以，要實(shí)現(xiàn)有效的半導(dǎo)體發(fā)光，不僅要選擇內(nèi)量子效率較高的材料，還必須采取適當(dāng)措施提高器件的外量子效率。
