發光二極管和半導體激光器課件

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1、7.2 7.2 輻射復合與非輻射復合輻射復合與非輻射復合 7.2.1 非平衡載流子的輻射復合4）通過深能級的復合通過深能級的復合 電子和空穴通過深能級復合時，輻射的光子能量遠小于禁帶寬度，發射光的波長遠離吸收邊。對于窄帶隙材料，要得到可見光是困難的，但對于寬禁帶材料，這類發光具有實際意義，例如，GaP中的紅色發光便是通過深能級的復合發光。深能級往往還是造成非輻射復合的根源，在直接帶隙材料中很明顯，實際工作中，往往需要盡量減少深能級，以提高發光效率。7.2 7.2 輻射復合與非輻射復合輻射復合與非輻射復合 7.2.1 非平衡載流子的輻射復合5）激子復合激子復合 如果半導體吸收能量小于禁帶寬度的光

2、子，電子被從價帶激發，但由于庫倫作用，仍受到價帶中留下空穴的束縛，形成激子，在禁帶中形成一系列激子能級。被庫倫能束縛在一起的電子-空穴對稱為激子，激子作為一個整體，可以在晶體內自由運動。激子是電中性的，激子的運動 不會引起電流，但它是一個能 量系統，可以把能量以輻射方 式或非輻射方式重新釋放。7.2 7.2 輻射復合與非輻射復合輻射復合與非輻射復合 7.2.1 非平衡載流子的輻射復合 根據束縛程度不同，激子分為兩類：1.弗倫克爾（Frenkel）激子或緊束縛激子：其半徑為晶格常數量級。2.萬尼爾（Wannier）激子：電子和空穴束縛較弱，二者之間距離遠大于晶格常數。通常半導體中存在的是萬尼爾激

3、子。束縛激子：激子在晶體中的運動可以受到束縛，而不能再自由運動。能束縛激子的有施主、受主、施主-受主對和等電子陷阱等。5）激子復合激子復合7.2 7.2 輻射復合與非輻射復合輻射復合與非輻射復合 7.2.1 非平衡載流子的輻射復合激子能級(激子束縛能)：可以用類氫原子模型來計算。*exc221nrHrmEEmn 晶體的相對介電常數電子和空穴的有效折合質量氫原子的基態電離能。422013.6(eV)8HmqEh*111rnpmmm電子的有效質量空穴的有效質量激子能級是分立的。n=1:激子的基態能級；n=時，激子能級=0，相當于導帶底，電子和空穴完全擺脫了束縛。Eg導帶底價帶頂excnE5）激子復

4、合激子復合導帶底價帶頂excnE7.2 7.2 輻射復合與非輻射復合輻射復合與非輻射復合 7.2.1 非平衡載流子的輻射復合 對于自由激子，電子和空穴復合時會把能量釋放出來產生光子。對于直接帶隙半導體，自由激子復合發射光子的能量為：ngexchvEE對于間接帶隙半導體，自由激子復合發射光子的能量為ngexcphvEENE吸收或放出能量為Ep的N個聲子5）激子復合激子復合Eg7.2 7.2 輻射復合與非輻射復合輻射復合與非輻射復合 7.2.1 非平衡載流子的輻射復合對于束縛激子，若激子對雜質的結合能為Ebx，則其發射光譜的峰值為ngexcbxhvEEE是材料和束縛激子中心的電離能Ei 的函數。近

5、年在發光材料的研究中，發現束縛激子對發光有重要作用，而且有很高的發光效率。例如，GaP中，Zn-O對產生的束縛激子引起紅色發光，N等電子陷阱產生的束縛激子引起綠色發光。這兩種發光機制使GaP發光二極管的發光效率大大提高，成為GaP-LED的主要發光機構。5）激子復合激子復合7.2 7.2 輻射復合與非輻射復合輻射復合與非輻射復合 7.2.1 非平衡載流子的輻射復合6）等電子陷阱復合等電子陷阱復合 等電子雜質：周期表內與半導體基質原子同族的原子，與基質原子的價電子數相等。等電子陷阱：由等電子雜質代替晶格基質原子而產生的束縛態。用等電子雜質代替基質原子不會增加電子或空穴，而是形成電中性中心。例如：

6、N就是GaP中P原子的等電子雜質。7.2 7.2 輻射復合與非輻射復合輻射復合與非輻射復合 7.2.1 非平衡載流子的輻射復合 產生“陷阱”（束縛態）的原因？等電子雜質原子與被替位的基質原子之間的電負性和原子半徑等方面都不同，會引起晶格勢場畸變，因而可以束縛載流子（電子和空穴）形成帶電中心。如同等電子雜質原子的位置形成陷阱，束縛住電子或空穴。6）等電子陷阱復合等電子陷阱復合7.2 7.2 輻射復合與非輻射復合輻射復合與非輻射復合 7.2.1 非平衡載流子的輻射復合如何確定等電子陷阱是電子的束縛態還是空穴的束縛態？等電子雜質原子和晶格基質原子之間電負性的大小關系決定了該等電子陷阱是電子的束縛態還

7、是空穴的束縛態。等電子雜質的電負性（吸收率 導帶能級上被電子占據的概率 與輻射躍遷相聯系的價帶能級被電子占據的概率 粒子數反轉分布7.5 7.5 半導體激光器半導體激光器7.5.2 半導體受激發射的條件1）粒子數反轉分布 發生粒子數反轉分布的條件：準費米能級之差大于禁帶寬度。即準費米能級進入導帶和價帶。FnFpgEEE 對于注入式半導體激光器，要實現上述條件，必須做到：1）半導體材料重摻雜；2）外加正偏壓V滿足 FnFpgqVEEE7.5 7.5 半導體激光器半導體激光器7.5.2 半導體受激發射的條件1）粒子數反轉分布重摻雜GaAs PN結激光器能帶圖作用區或有源區7.5 7.5 半導體激光

8、器半導體激光器2）光學諧振腔7.5.2 半導體受激發射的條件 開始時，PN結有源區內發生自發發射，其中一小部分光子可以作為受激發射的激發源，激發產生更多同樣的光子（相干光）。光學諧振腔：光子在兩個平行界面間不斷來回反射，被逐漸放大。輻射集中在PN結平面內。7.5 7.5 半導體激光器半導體激光器3）振蕩的閾值條件7.5.2 半導體受激發射的條件 激光器存在端面損耗和內部損耗。只有當光在諧振腔內來回傳播一次所得到的光增益大于損耗時，才能形成激光。增益系數必須達到一定值時，才開始形成激光。1211ln2gaLR R增益系數/()ggdIIdx吸收系數兩個端面的反射系數L7.5 7.5 半導體激光器

9、半導體激光器4）閾值電流7.5.2 半導體受激發射的條件 對于GaAs結型激光器，提供增益的方法是加正向電流。閾值電流：只有當正向電流增大到使增益系數g達到閾值時，才能發生激光。課程主要內容：課程主要內容：第一章 半導體光電材料概述第二章 半導體物理基礎第三章 PN結第四章 金屬-半導體結第五章 半導體異質結構第六章 半導體太陽能電池和光電二極管第七章 發光二極管和半導體激光器第八章 量子點生物熒光探針第八章 量子點生物熒光探針l 量子點的光學特性：量子限制效應能級分立，帶隙展寬塊體材料大小不同的量子點單個分子PbS量子點帶隙隨尺寸的變化ACS Nano 3,3023（2009）CdSCdSe

10、/ZnSl 量子點的光學特性：隨量子點尺寸減小，吸收、發光峰藍移。u 量子點生物熒光探針l生物熒光探針概述l量子點V.S.V.S.傳統有機染料熒光探針l量子點對生物大分子的標記和檢測l量子點對生物組織和細胞的標記與成像l紅外熒光量子點用于活體醫學成像l生物熒光探針概述l量子點V.S.V.S.傳統有機染料熒光探針l量子點對生物大分子的標記和檢測l量子點對生物組織和細胞的標記與成像l紅外熒光量子點用于活體醫學成像u 量子點生物熒光探針l生物熒光探針概述在生命科學中，熒光光譜學主要通過研究分析生物大分子本身具有的熒光發色團或通過標記的外源熒光發色團，結合各種有關的熒光方法和技術來獲得生物大分子結構、

11、功能、相互作用等信息。從艾滋病病毒檢測到人類基因組的測序，從蛋白質溶液構象到細胞內部活動的研究等都廣泛地用到熒光探針。通常使用有機熒光染料分子作為熒光探針，如羅丹明等。Medintz et al.,Nature Materials,4,435(2005)各種熒光量子點作為生物熒光探針l生物熒光探針概述l生物熒光探針概述l量子點V.S.V.S.傳統有機染料熒光探針l量子點對生物大分子的標記和檢測l量子點對生物組織和細胞的標記與成像l紅外熒光量子點用于活體醫學成像u 量子點生物熒光探針Medintz et al.,Nature Materials,4,435(2005)CdSe/ZnS 量子點量子

12、點發射光譜寬度窄，發光峰位可調。有機熒光染料熒光量子點量子點相對于傳統有機染料熒光 探針的優勢量子點熒光強度高于有機熒光染料AlexaX.Wu et al.,Nature Biotechnology,21,41(2003)Alexa染料和熒光量子點的熒光強度對比（Alexa染料在已知的有機染料中的熒光強度是最高的）量子點相對于傳統有機染料熒光 探針的優勢量子點熒光穩定性優于有機熒光染料AlexaX.Wu et al.,Nature Biotechnology,21,41(2003)紅色區域：用熒光量子點標記。綠色區域：用有機熒光染料Alexa標記。（Alexa染料在已知的有機染料中的光穩定性是

13、最高的）量子點相對于傳統有機染料熒光 探針的優勢l量子點相對于傳統有機染料熒光 探針的優勢熒光量子點熒光量子點傳統有機熒光染料傳統有機熒光染料激發光譜激發光譜 寬，連續分布窄發射光譜發射光譜 呈對稱分布、寬度較窄、顏色可調半峰寬較大、有時有拖尾光化學穩光化學穩定性定性高、不易分解易光漂白和光解（光解產物對生物分子往往有殺傷作用）與生物分與生物分子的鏈接子的鏈接方法簡單易行生物分子與每種有機熒光染料鏈接都需要特定的方法。u 量子點生物熒光探針l生物熒光探針概述l量子點V.S.V.S.傳統有機染料熒光探針l量子點對生物大分子的標記和檢測l量子點對生物組織和細胞的標記與成像l紅外熒光量子點用于活體醫

14、學成像l量子點對蛋白質、核酸等生物大分子的標記和檢測量子點最初用于生物領域是應用于簡單的生物大分子。量子點具有優越的熒光特性及合適的空間尺度，結合熒光光譜、熒光偏振、能量轉移等技術和方法，量子點在研究生物大分子的結構、功能與相互作用等方面的研究中具有一定優勢。W.J.Parak et al.,Chem Mater,14,2113(2002)硅氧烷層生物大分子如：DNA雙功能交聯劑親水性穩定基團官能團CdSeZnS可與生物分子反應的功能性基團 量子點與生物大分子的共價偶聯量子點對蛋白質、核酸等生物大分子的標記和檢測 研究表明，與單鏈或雙鏈DNA共價鏈接后，量子點的光學性質沒有改變，而熒光穩定性增

15、強。量子點對蛋白質、核酸等生物大分子的標記和檢測 在熒光原位雜交技術中，將與DNA偶聯的量子點作為探針，可以檢測分析人類的中期染色體。Nucl.Acids Res.32,e28(2004)在熒光免疫方面，S.Wang 等人分別將發射紅光和綠光的CdTe量子點偶聯到抗原和抗體上，二者混合后，通過熒光共振能量轉移，觀察到免疫反應的進行。Nano Lett.2,817(2002)紅光綠光u 量子點生物熒光探針l生物熒光探針概述l量子點V.S.V.S.傳統有機染料熒光探針l量子點對生物大分子的標記和檢測l量子點對生物組織和細胞的標記與成像l紅外熒光量子點用于活體醫學成像l量子點對生物組織和細胞的標記與

16、成像 用量子點標記細胞并成像的方法來觀察細胞的活動。用不同顏色的量子點同時觀測活細胞表面或內部的細胞器、胞內組分的運動和遷移，研究它們在細胞內部的生物功能是如何實現的，以及它們之間的相互關系。標記酵母細胞與成像M.Xie et al.,Chem Commun.,44,5518(2005)CdSe/ZnS 核殼結構量子點羧甲基殼聚糖 殼聚糖是一種天然多糖，具有許多十分重要的生物學性質，如生物相容性、生物降解性和生物活性，在生物醫藥領域具有十分廣闊的應用前景。量子點對生物組織和細胞的標記與成像M.Xie et al.,Chem Commun.,44,5518(2005)標記酵母細胞與成像用CdSe

17、/ZnS核殼結構量子點標記羧甲基殼聚糖作為探針用于酵母細胞成像量子點對生物組織和細胞的標記與成像 對同一細胞中不同細胞器的標記與成像H.J.Tanke et al.,Curr Opin Biotech,16,49(2005)綠色熒光量子點標記微管，橙黃色量子點標記高爾基體，紅色量子點標記細胞核。單一波長激光激發后，三種顏色同時顯現。量子點對生物組織和細胞的標記與成像Medintz et al.,Nature Materials,4,435(2005)對同一細胞中不同細胞器的標記與成像青色:細胞核；紫色：Ki-67蛋白；橙黃色：線粒體；綠色：微管；紅色：肌動蛋白纖維。量子點對生物組織和細胞的標記

18、與成像 包覆共聚物的結構決定標記細胞的位置H.W.Duan et al.,JACS,129,3333(2007)一個PEI與四個PEG形成的共聚物包覆的量子點標記到細胞核的微管中。一個PEI和兩個PEG形成的共聚物包覆的量子點標記到細胞漿上。量子點對生物組織和細胞的標記與成像PEG:聚乙二醇聚乙二醇PEI:聚乙二胺聚乙二胺t=0t=0t=12ht=12hu 量子點生物熒光探針l生物熒光探針概述l量子點V.S.V.S.傳統有機染料熒光探針l量子點對生物大分子的標記和檢測l量子點對生物組織和細胞的標記與成像l紅外熒光量子點用于活體醫學成像l 紅外熒光量子點用于活體醫學成像 體內標記要求生物體組織對于所使用的激發光及量子點的發射光波長吸收及散射都盡量少?？梢姽庾疃嘀荒艽┩负撩准壓穸鹊慕M織，而近紅外光則可穿透厘米級的組織。將在近紅外區（700-900nm）發光的量子點標記到活體內，并用紅外光激發，就可以通過成像檢測的方法來分析研究組織內部的情況，達到疾病診斷的目的。例如：前哨淋巴結（SLN）活檢是判斷腫瘤是否擴散的重要環節，用紅外熒光量子點可準確進行手術定位，避免大量盲目切除。Kim et al.,Nat Biotechnol,22,93(2004)紅外熒光量子點用于活體醫學成像皮下注射量子點前注射后30秒注射后4分鐘準確切除前哨淋巴結