一、原理
不同發(fā)光材料的發(fā)光原理不盡相同，但是其基本物理機(jī)制是一致的:物質(zhì)原子外的電子一般具有多個能級，電子處于能量最低能級時稱為基態(tài)，處于能量較高的能級時稱為激發(fā)態(tài)。當(dāng)有入射電磁波的能量恰好等于兩個能級的能量差時，低能級的電子就會吸收這個光子的能量，并躍遷到高能級，處于激發(fā)態(tài);電子在激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，會向低能級躍遷，并同時發(fā)射光子。電子躍遷到不同的低能級，就會發(fā)出不同的光子，但是發(fā)出的光子能量肯定不會比吸收的能量大。
晶體中的能帶有價帶、導(dǎo)帶、禁帶。但是，在實際晶體中，可能存在雜質(zhì)原子或晶格缺陷，局部地破壞了晶體內(nèi)部的規(guī)則排列從而產(chǎn)生一些特殊的能級，稱為缺陷能級。但根據(jù)不同的激發(fā)方式的不同和躍遷的不同，又可以細(xì)分為光致發(fā)光，電致發(fā)光，陰極射線發(fā)光等。二、發(fā)光復(fù)合機(jī)構(gòu)類型
在這個過程中，有六種不同的復(fù)合機(jī)構(gòu)會發(fā)射光子，它們是:1.自由載流子復(fù)合- 導(dǎo)帶底電子與價帶頂空穴的復(fù)合;2.自由激子復(fù)合- 晶體中原子的中性激發(fā)態(tài)被稱為激子，激子復(fù)合也就是原子從中性激發(fā)態(tài)向基態(tài)的躍遷，而自由激子指的是可以在晶體中自由運(yùn)動的激子，這種運(yùn)動顯然不傳輸電荷;3.束縛激子復(fù)合-- 指被施主、受主或其他陷阱中心(帶電的或不帶電的)束縛住的激子的輻射復(fù)合其發(fā)光強(qiáng)度隨著雜質(zhì)或缺陷中心的增加而增加:4.淺能級與本征帶間的載流子復(fù)合--即導(dǎo)帶電子通過淺施主能級與價帶空穴的復(fù)合，或價帶空穴通過淺受主能級與導(dǎo)帶電子的復(fù)合;5.施主-受主對復(fù)合--專指被施主-受主雜質(zhì)對束縛著的電子-空穴對的復(fù)合，因而亦稱為施主-受主對(D-A對)復(fù)合;6.電子-空穴對通過深能級的復(fù)合--即SHR復(fù)合，指導(dǎo)帶底電子和價帶頂空穴通過深能級的復(fù)合，這種過程中的輻射復(fù)合幾率很小。在上述輻射復(fù)合機(jī)構(gòu)中，前兩種屬于本征機(jī)構(gòu)，后面幾種則屬于非本征機(jī)構(gòu)。由此可見，半導(dǎo)體的光致發(fā)光過程蘊(yùn)含著材料結(jié)構(gòu)與組份的豐富信息，是多種復(fù)雜物理過程的綜合反映，因而利用光致發(fā)光光譜可以獲得被研究材料的多種本質(zhì)信息。并不是激發(fā)能量全部都要經(jīng)過傳輸，能量傳輸也不會無限的延續(xù)下去。激發(fā)的離子處于高能態(tài)，它們就不是穩(wěn)定的，隨時有可能回到基態(tài)。在回到基態(tài)的過程中，如果發(fā)射出光子，這就是發(fā)光。這個過程就叫做發(fā)光躍遷或輻射躍遷。如果離子在回到基態(tài)時不發(fā)射光子，而將激發(fā)能散發(fā)為熱(晶格振動)，這就稱為無輻射躍遷或猝滅。激發(fā)的離子是發(fā)射光子，還是發(fā)生無輻射躍遷，或者是將激發(fā)能量傳遞給別的離子，這幾種過程都有一定的幾率決定于離子周圍的情況(如近鄰離子的種類、位置等)。對于由激發(fā)而產(chǎn)生的電子和空穴，它們也不是穩(wěn)定的最終將會復(fù)合。不過在復(fù)合以前有可能經(jīng)歷復(fù)雜的過程。一般而言，電子和空穴總是通過某種特定的中心而實現(xiàn)復(fù)合的。如果復(fù)合后發(fā)射出光子，這種中心就是發(fā)光中心(它們可以是組成基質(zhì)的離子、離子團(tuán)或有意摻入的激活劑)。有些復(fù)合中心將電子和空穴復(fù)合的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊岫话l(fā)射光子，這樣的中心就叫做猝滅中心。發(fā)光和猝滅在發(fā)光材料中互相獨(dú)立互相競爭的兩種過程。猝滅占優(yōu)勢時，發(fā)光就弱，效率也低。反之，發(fā)光就強(qiáng)，效率也高。（1）光致發(fā)光分析方法的實驗設(shè)備比較簡單測量本身是非破壞性的，而且對樣品的尺寸、形狀以及樣品兩個表面間的平行度都沒有特殊要求。（2）它在探測的量子能量和樣品空間大小上都具有很高的分辨率，因此適合于作薄層分析和微區(qū)分析。（1）它的原始數(shù)據(jù)與主要感興趣的物理現(xiàn)象之間離得比較遠(yuǎn)，以至于經(jīng)常需要進(jìn)行大量的分析，才能通過從樣品外部觀測到的發(fā)光來推出內(nèi)部的符合速率。（2）光致發(fā)光測量的結(jié)果經(jīng)常用于相對的比較因此只能用于定性的研究方面。（3）測量中經(jīng)常需要液氦低溫條件也是一種苛刻的要求。（4）對于深陷阱一類不發(fā)光的中心，發(fā)光方法顯然是無能為力的。例如，GaAs1-xPx是由直接帶隙的GaAs和間接帶隙的GaP組成的混晶，它的帶隙隨x值而變化。發(fā)光的峰值波長取決于禁帶寬度，禁帶寬度和x值有關(guān)因此，從發(fā)光峰峰值波長可以測定組分百分比x值。根據(jù)特征發(fā)光譜線的位置，可以識別GaAs和GaP中的微量雜質(zhì)。半導(dǎo)體發(fā)光和激光器件要求材料具有良好的發(fā)光性能，發(fā)光測量正是直接反映了材料的發(fā)光特性。通過光致發(fā)光光譜的測定不僅可以求得各個發(fā)光帶的強(qiáng)度，而且也可以到積分的輻射強(qiáng)度。在相同的測量條件下，不同的樣品間可以求得相對的輻射效率。補(bǔ)償度NA/ND(ND，NA分別為施主、受主雜質(zhì)濃度)是表征材料純度的重要特征參數(shù)。測量方法是用一個激光微探針掃描樣品，根據(jù)樣品的某一個特征發(fā)光帶的強(qiáng)度變化，直接顯示樣品的不均勻圖像。8.位錯等缺陷的研究。
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