光激發光

光激發光 (photoluminescence)
國立彰化師範大學光電科技研究所張淑貞研究生/國立彰化師範大學洪連輝教授責任編輯

半導體發射光最簡單的例子，就是電子電洞對的直接激發與復合。如果復合的電子直接由傳導帶落至共價帶，中間未經過任何缺陷能階，則發光的波長會對應至能隙寬度的能量。達到穩定狀態時，電子電洞對的激發速率等於復合速率，半導體每吸收一個光子就會放出一個光子。直接復合的過程很快，電子電洞對的平均存活期通常在10^－8秒，光子發射也隨之終止。這麼快的發光機制通常稱為螢光。某些材料在激發源關掉後，光子的發射還會持續至數秒或甚至數分鐘。這種緩慢的過程稱作磷光，而這些材料稱為磷質材料。圖所示即為一種緩慢的放光過程。在材料的能隙內有缺陷能階的存在，此缺陷能階可能為雜質原子所形成，此一能階容易自傳導帶捕捉電子。

由圖可知，(a)入射光子 (hv₁>E_g) 被吸收，產生電子電洞對；(b)激發電子釋出部分能量給晶格原子後填入傳導帶底部附近的能階內；(c)電子被雜質能階 E_t捕捉並停留於其內；(d) E_t上的電子可以由周圍環境吸收熱能，重新被激發到傳導帶上；(e)直接復合發生，電子填入共價帶的空能階內，放出對應於能隙的光 hv₂。在上述過程中，如果電子自 E_t熱激發到Ec的概率很小，則激發和複合間的時間延遲會較長。如果電子在復合之前，被 E_t重複捕捉數次，則延遲時間更長。此一現象之發生是由於電子被捕捉的機率大於復合的機率所致。在這種材料內，當激發源去除之後，磷光仍會持續的發射相當長的時間。

磷質材料如硫化鋅發光的顏色，主要由存在的雜質原子來決定。製作彩色電視螢幕時，不同顏色的擇定即是按照此一原理。光激發光最常見的例子是日光燈。通常，日光燈管內含有混合氣體，汞蒸氣及氬氣，管內壁則塗有螢光劑。當燈管內的電極之間引發放電現象時，被激發的氣體分子會放出光子，絕大部分在可見光和紫外光頻譜範圍內。這些光被塗佈的螢光劑吸收，再放出可見光。日光燈的效率比白熾燈泡高出許多，同時也可藉由螢光材料的選擇對發光波長做適當的調整。

參考資料

半導體元件  東華書局 Ben G . Streetman    Sanjay Banerjee  2001