第二篇：材料的光吸收和光发射
早在4000年前的古代中国青铜器时代，人们就已经知道通过材料的光泽和颜色来估计铜合金的组分，对材料的光学性质有了初步的认识。而在公元前四世纪周朝墨子的著作中就有“光至，景亡；若在，尽古息”。也就是说，当光线透过物体时，物体的影子就会消亡；若物体的影子存在，则光线就被物体终止。实际上这里描述了物体对光的透射、吸收和反射。十九世纪末，二十世纪初，通过光与物质的相互作用的研究使得物理学和材料科学发生了重大转折：1）X光的发现是材料科学研究中革命性的变革；2）天然放射性的发现开辟了原子核物理和原子能的时代；3）黑体辐射的发现奠定了量子理论的基础；4）激光器的发明从根本上改变了人们对光性质的认识；5）到了上世纪八十年代后，纳米材料所显示出来的特殊的光学性质，表明物体维度的变化会引起材料光谱性质发生显著变化。这种量子尺寸效应形成了材料光学特性又一新的重大科学问题。
光通过材料后，其强度或多或少地会减弱，实际上就是一部分光能量被固体吸收。而对材料施加外界作用，如加电磁场等激发，有时会产生发光现象。这里涉及两个相反的过程：光吸收和光发射。
光吸收：光通过固体时，与固体中存在的电子、激子、晶格振动及杂质和缺陷等相互作用而产生光的吸收。
光发射：固体吸收外界能量，其中一部分能量以可见光或近于可见光的形式发射出来。
由此可见，研究固体中的光吸收和光发射，可直接地获得有关固体中的电子状态，即电子的能带结构及其它各种激发态的信息。本篇首先引出描述固体光学性质的若干参数及相互间的关系；然后将陆续介绍几种主要的光吸收过程等。
§1材料光学常数间的基本关系
在各种波长的光波中，能为人眼所感受的叫可见光的波长范围是：λ= 400—760 nm的窄小范围。对应的频率范围是：ν =7.5 ~4.3 ?1014 Hz。在可见光范围内，不同频率的光波引起人眼不同的颜色感觉。图1是可见光不同的波长所对应的不同颜色。
图1不同波长的可见光所对应的不同颜色。
为讨论问题的方便，我们给出了各种电磁波谱的波长与频率的对应关系如图2所示：
图2 电磁波谱—波长与频率的对应关系。
§1.1 吸收系数
我们知道，当光透射（射向）固体时，可能被反射、吸收或透过。常用吸收率A、反射率R和透过率T来表示它们之间的关系，即：
R
A
+T
=
+
1
而光在材料中传播时，其强度或多或少地被削弱，这一衰减现象为光的吸收。光从自由空间射入固体表面时，反射光与入射光强度之比为反射率R。图3表示光在材料中入射、反射、及透射示意图。
图3 光在材料中入射、反射、透射示意图。
设入射光强为I 0，则反射光强为RI 0，因此，透入表面而进入体内的光强为（1－R ）I 0。经过距离为d 而达到材料另一端时，光强减弱为d e I R α--0)1(，所以最后透射出的光强为：
其中α为吸收系数，量纲为cm -1。设R=0时，则α表示光在材料中传播距离d = 1/α时，光强衰减到原来的1/e 。对于α ＝ 104cm -1的吸收体（如半导体GaAs ），光经过该材料 d = 1μm 后，光强减小到原来的1/3。而对于金属铜而言，α ＝ 107cm -1，d = 10-3μm 。可见，α越大，材料对光吸收的本领越大。
下面我们来讨论吸收系数基本情况。从宏观上讲，光在媒质中的传播时，就会产生折射现象。当角频率为ω的平面电磁波射入一固体并沿某一方向（设为x 轴）传播时，电场强度E ：
（1）
其中，c 为光速，n c 为媒质的复数折射率：
κi n n c +=. （2）
从宏观上来说，材料的光学性质可由折射率n 和消光系数κ来描述。将方程（2）代入（1）得：
)exp()}(exp{0c x t c nx i E E κωω--=. （3）
上式最后为衰减因子。该方程表明光波以c/n 的速度沿x 方向传播，其振幅按)/exp(c x κω-的形式下降。故 n 是通常的折射率(一般半导体的n = 3－4)，而 κ 表示光能衰减的参量，即消光系数。由于光的强度正比于光场振幅的平方，即：
*2EE E I =∝
（4） 根据方程（3）可以得到光的强度在材料中传播时是按下式衰减的： )exp()0()(x I x I α-=.
（5） 其中
042λπκωκα==c . （6）
为吸收系数，而20)0(E I =（注：自由空间中0/22λππωc f ==），λ0为真空中光的波长。吸收系数表示光在材料中传播的指数衰减率。吸收系数α和消光系数κ都表示物质的吸收。
从吸收系数α和消光系数κ，可以定义光在材料中的穿透深度（也叫趋肤深
度）
πκλα4//101==d
πκλ2/02=d
这里d 1和d 2分别叫做光强穿透深度和振幅穿透深度，二者相差2倍。
§1.2 折射率和消光系数与电导率之间的关系
设频率为ω的一束单色平面光波入射到材料上，并且假设所考察的材料为无限大、均匀、各向同性且不带电，材料的性质用介电常数ε，磁导率μ和电导率σ来表征，入射光的波段设定为50nm~500μm (25 eV~0.002 eV)，其下限设定为50 nm ，使波长足够短，但仍大于原子半径。在这种假设的前提条件下，材料可以被认为是连续介质。介质中的微观场E (r ij ) (i 代表原胞，j 代表原子)在接近原子处会产生某种涨落，但是波长为50nm 以上时，晶体中相邻原胞之间的电场一般不会发生突变，可将电场对每个原胞取平均。这样可以将电场作为r 的连续函数，得到平均场E (r )。在上述条件下，电磁波的传播可用Maxwell 方程组来描述，即： t H E ??-=?? 0μμ t E E H ??+=?? 0εεσ 0=??H 0=??E .
并由此获得波动方程。利用Maxwell 方程的目的在于求解n 、κ与σ之间的关系。求解时用到矢量运算法则：F F F 2)(?-???=????。因为0=??E ，从
t
H E ????-=????)(0 μμ，于是沿x 方向有 2200022dt E d dt dE dx E d εεμμσμμ+= （7）
002022
2εεμμωσωμμω--=-i c n c （8）
因：
)2(1)(2222222κκκin n c c i n c n c +-=+= （9）
如果用于光学方面的材料为非磁性的，则它们的磁导率系数接近于真空的情形，1=μ。又因为00/1εμ=c ，比较（8）与（9）式，其实部与虚部分别相等得：
εκ=-22n
（10a ） 0
2ωεσκ=n （10b ） 解上式可得，
}1])(1{[212/120
2++=ωεεσεn （11a ） }1])(1{[21
2/120
2-+=ωεεσεκ （11b ） 根据上式，我们来分析两种极限情况：
1）对于导电能力很差的材料，如电介质，有σ → 0，由上式可得其折射率n →ε，而消光系数κ → 0，材料几乎是透明的。
2）对于导电能力较好的材料，如金属，σ 很大，取极限1)(
20>>ωεεσ，此时0
042πνεσωεσκ===n ，ν为电磁波频率。 下面我们来讨论光吸收系数与电导率之间的关系。因为)exp()0()(x I x I α-=，0/4λπκα=。对金属材料，其光的穿透深度1-α为。
πσλεσπνεπλπκλα4444000
01c ===- （12a ）
这里0/λνc =。对于不良导体，σ较小，当202)(
ωεσε>>时，则有（引入Taylor 展开，1)(20
<<ωεεσ）， εω
εεσε?++=...])(212[21202n ； （13a ） 2040202)2(1...])(81)(21[21
ω
εσεωεεσωεεσεκ?+-=. （13b ） 因此这种材料具有较小的消光系数κ，其穿透深度
εσ
εεσωεπλα0001124c d ==
=-. （14） 举例说明，对半导体材料Ge 而言，电导率σ＝0.11Ω－1?cm －1，ε ＝ 16，满足条
件1)(20<<ωεεσ，因此折射率ε=n ，与电介质材料类似。
§1.3 折射率和消光系数的Kramers-Kronig 变换
实际上，不论是折射率n 还是消光系数κ都与微观粒子在光作用下的运动有
关。那么，这些量之间有些什么内在联系？有没有可能用一种统一的关系式表示出来？Kramers 和Kronig 认为，凡是由因果关系确定的光学响应，其实部和虚部之间并不完全独立，而是有一定的相互关系的。描述这种关系的数学表达为Kramers-Kronig （KK ）变换。这里只给出折射率和消光系数之间的关系式（参考方容川编著《固体光谱学》，中国科学技术大学出版社，2001年）。
实际上我们已知n 和κ为基本的光学常数，其它的光学常数都与n 和κ有关。设εc 为复介电常数，)()(21ωεωεεi c +=，c ε为电磁波角频率ω的函数，)(1ωε和)(2ωε分别为c ε的实部和虚部。则根据Maxwell 方程式，可以推得：
2c c n =ε
该式为广义的Maxwell 关系式。)(1ωε和)(2ωε满足以下关系式。
'')('21)(02221ωω
ωωεωπωεd ?∞-'P += （15a ） ]'')(1[2)(0221
2ωωωωεπωωεd ?∞-'P --= （15b ）
其中P 代表Cathy 积分主值，)(000lim ???∞+
-→∞+≡P δωδ
ωδ。 这时，在复折射率κi n n c +=中)(νh n 和)(νκh 之间的关系式可表示为：
ννννκνπν'-'''=-?∞
dh h h h h P h n 022)
()()(21)(. （16） 如果实验上测得吸收系数)()(ωαα =E ，则折射率的色散关系)(E n 可用)(E α来加以表示。
根据定义hc
h E hc h h c h h )(4)(4)(44)(0νκπννκπνπνκλπκνα'====，最后有 νννναπν'-''=-?∞dh h h h P hc h n 0222)
()()(21)(. （17） 原则上讲，如果吸收光谱)(ναh 已知，就可以从上式求出折射率的色散关系。
§1.4反射与透射率 考虑简单的正入射情形时，])1/[(])1[(2222κκ+++-=n n R 。对透明材料，κ＝0，
22
)
1()1(+-=n n R . （18） 对金属材料，前文已指出140
>>==πνεσκn ，那么
σπνεκκ022********
22122)1()1(-≈+++-=+++-=n n n n n n R . 可见，对于金属材料，反射率很大，接近于1。
§2 材料中的光吸收过程
一般来说，半导体材料在不同的程度上具备电介质和金属材料的全部光学特性。当半导体材料从外界以某种形式（如光、电等）吸收能量，则其电子将从基态被激发到激发态，即光吸收。而处于激发态的电子会自发或受激再从激发态跃迁到基态，并将吸收的能量以光的形式辐射出来（辐射复合），即发光；当然也可以无辐射的形式如发热将吸收的能量发散出来（无辐射复合）。图4是材料中可能出现的吸收光谱示意图。对应不同的物理过程有不同的吸收光谱。材料的光吸收区主要可以划分为六个区。
图4某一假设半导体材料的吸收光谱。
1) 基本吸收区：谱范围在紫外－可见光－近红外光。电子从价带跃迁到导带引起光的强吸收，吸收系数很高，常伴随可以迁移的电子和空穴，出现光电导。
2) 吸收边缘界限：电子跃迁跨越的最小能量间隙，其中对于非金属材料，还常伴随激子（受激电子和空穴互相束缚而结合在一起成为一个新的系统—激子）的吸收而产生精细光谱线。
3) 自由载流子吸收：导带中电子或价带中空穴在同一带中吸收光子能量所引起的，它可以扩展到整个红外甚至扩展到微波波段，显然吸收系数是电子（空穴）的浓度的函数，金属材料载流子浓度较高，因而这一区吸收谱线强度很大，甚至掩盖其它吸收区光谱。
4) 晶体振动引起的吸收：入射光子和晶格振动（声子）相互作用引起的，波长在20～50 μm 。
5) 杂质吸收：杂质在本征能带结构中引入浅能级，电离能在0.01 eV 左右，只有在低温下易被观察到。（为什么？）
6) 自旋波或回旋共振吸收：自旋波量子、回旋共振与入射光产生作用，能量更低，波长更长，达到mm 量级。
§2.1基本吸收
图5表示GaAs 在近红外区的吸收光谱，可以看到在1.4 eV 附近吸收曲线急剧地变化，形成所谓吸收边。实验发现，对大多数半导体和绝缘体，吸收光谱在可见光区或近红外区都存在类似的吸收边。
图5 半导体GaAs 的吸收光谱。
仔细研究吸收边的结构，会发现一些规律性的东西：
1) 强吸收区：吸收系数α(ω)为104cm -1-106cm -1，α(ω)随光子能量?ω的变化为
幂指数规则，其指数可能为1/2，3/2，2等；
2) e 指数吸收区：吸收系数为102 cm -1左右，α(ω)随?ω为e 指数变化律；
3) 弱吸收区：吸收系数α(ω)一般在102 cm -1以下。
因此，一个吸收边包括丰富的信息。下面主要通过光谱学的方法研究幂指数吸收区的光学过程、规则及机制。
在上一篇“半导体材料”中，我们已讲到电子吸收光子后由价带跃迁到导带的过程，显然只有当光子能量νh 大于禁带宽度g E 时，即g E h ≥ν，才有可能产生基本吸收现象。因此存在一个长波极限，即g E ch /=λ。波长大于此值，不能引起基本吸收。除能量要求外，电子从价带跃迁到导带还要满足一定的动量选择定则－动量守恒律。
图6表示几种重要半导体材料的能隙和λ0的关系。
图6 几种重要半导体材料的E g 和λ0的对应关系。
§2.2允许和禁戒的直接跃迁
基本吸收分为两类，一是直接跃迁；另一是间接跃迁。
假定：半导体是纯净半导体材料，0 K 时其价带满而导带空。电子吸收光子能量产生跃迁，保持波数（准动量）不变，称为直接吸收，这一过程无需声子的辅助，如图7所示。常见半导体GaAs 就属于此类直接带隙半导体。
图7 电子吸收光子能量从价带到导带的直接跃迁。
1、允许的直接跃迁：如果所有跃迁都是许可的，跃迁几率P if 是一个常数。在这种情况下，吸收系数α可近似表示为：
N AP E N E N AP if f i f f i i if ==∑,)()(α
（19）
这里N i (E i )、N j (E j )和N 分别表示电子跃迁的初态态密度、末态态密度和联合态密度。
对于抛物线型简单能带结构，设价带顶为坐标原点（并对直接带隙），有：
h
i m k E 22
2 -= e g e g f m k E m k E E 22222
2 +='+=， （20）
其中m e 和m h 分别为导带电子和价带空穴的有效质量。根据能量守恒，有，
r
g h e g i f m k E m m k E k E k E h 2)11(2)()(2
222 +=++=-'=ν. （21） 其中，h e r m m m /1/1/1+=，m r 为约化有效质量。在单位能量间隔内，k 空间从k
到k +d k 范围内的状态数（或态密度）为（并结合（21）式） )()(2)2()2(8)()(2/1322
/332ννπππννh d E h m dk k h d h N g r -==
. （22） 吸收系数)(ναh 当然与)(νh N 成正比：
2/1)()()(g f i E h B h N AP h -==νννα. （23a ）
理论上可以求得，
e h e h e m nch m m m m e B 22/32/])2([+≈. （23b ）
B 与ν无关，上式中n 为纯净半导体材料的折射率。
以上讨论是在假定电子的直接跃迁对于任何k 值跃迁都是许可得出的，假设跃迁是选择定则允许的，即：
0)0(≠=k P if
2、禁戒的直接跃迁：在某些材料中，由于对称性的不同，在某些情况下，即使是直接带隙的材料中，在k ＝0处，由于量子力学的选择定则的限制，电子的直接跃迁是禁止的，而k ≠0的跃迁是允许的，在这种情况下，有：
0)0(0
)0(≠≠==k P k P if if
这样的跃迁称之为k =0被禁戒的跃迁。这里出现禁戒的原因与原子物理中电子能级跃迁的选择定则类似。根据导带和价带的电子轨道的组成不同，则就会出现有k =0的禁戒跃迁，而存在k ≠0的跃迁。此时，跃迁几率P if 不再是一个常数，它正比于k 2，即正比于g E h -ν，此时有
2/3)()()(g f i E h B h N P A h -'='=νννα，
（24a ） νh m m B B h r 1)(32≈'. （B '与ν有关）
（24b ） 因此，
ννναh E h C h g /)()(2/3-=
可见，并不是所有的吸收都可以用1/2次方规律来描述。近似3/2次方的规律也在实验中常被发现。
§2.3间接跃迁
实验中还常常发现在纯的半导体材料如锗、硅和重掺杂的半导体中出现平方
吸收边，即：[]νναh h ∝2/1)(。这种吸收被认为来自间接跃迁的结果。有两种情况可以导致这种吸收：一种声子参与下的跃迁，电子不仅吸收光子，同时还和晶格交换一定的振动能量，即放出或吸收一个声子。这种吸收与直接跃迁光吸收不同，其吸收系数与温度密切相关（为什么？）。其原因是不同的温度晶格振动是不同的，声子的数密度随温度有一分布，且光吸收系数（1-103 cm -1）比直接跃迁（104 - 106 cm -1 ) 小得多。另一种是杂质散射参与的吸收。
由于某些半导体材料其导带底k 值和价带顶k ’值不同（间接带隙材料），电子从价带到导带的跃迁由声子参与来完成，如图8所示，
图8 电子吸收光子能量从价带到导带的间接跃迁。E p 表示声子的能量。
当光子能量在p g E E -时，电子要吸收一个声子才能跃迁到导带。若光
子能量在p g E E +时，电子要发射一个声子才能跃迁到导带。
在满足能量守恒律时，动量也必须守恒。因为光子动量很小，不足以改变电子的动量，因此必须有声子的参与。 光子动量=±-q k k '.
（25） 其中q 为声子波矢， 表示电子在跃迁时发射（－）或吸收（+）一个声子。上式可简化为 q k k =-'.
（26） 假定声子具有能量E p ，能量守恒律表示为 νh E E E p i f =±-.
（27） 对具有抛物线型简单能带结构的材料而言，能量处于E i 的初态态密度为
2/12/332)2(21
)(i h i E m E N π=. （28）
m h 为价带空穴有效质量。能量处于E f 的终态态密度为
2/12/332)()2(21)(g f e f E E m E N -=
π. （29） 将（27）式带入上式，则有
2/12/332)()2(21)(i p g e f E E E h m E N +-=
νπ. （30）
参照§2.2的讨论，显然吸收系数正比于初态和终态态密度之积，并对所有两态之间相隔为p E h ±ν的可能组合进行积分；而对态密度的卷积化为对初态E i （价带）的积分。同时考虑到吸收系数正比于电子和声子相互作用几率)(p N f ，N p 表示能量为E p 的声子之数密度，于是吸收系数为
?-+-=m
i E i i p g i
p dE E E E h E N Af h 02/12/1)()()( ννα， （31）
式中积分上限p g m i E E h E -=ν，m i E -表示对某一光子频率为ν可以产生间接跃迁的最低的初态能量值。注意到声子分布遵从玻色分布，且电子和声子相互作用几率)(p N f 与声子数密度成正比N p ，即：
1)/ex p(1)(-=∝T k E N N f B p p p . （32）
对（31）式积分，并考虑如下两种吸收方式，得：
（1）对于p g E E h ->ν，伴随声子的吸收过程（因为只有吸收声子的能量，才能保证g p E E h >+ν），吸收系数为，
1)/exp()()(2
-+-=T k E E E h A h B p p g a a ννα. （33a ）
（2）对于p g E E h +>ν，既可以伴随声子的发射也可伴随声子的吸收（此时光子的能量足够大，保证了g p E E h >-ν）。当伴随声子发射的吸收系数为
)/exp(1)()(2
T k E E E h A h B p p g e e ----=ννα. （33b ）
所以，如果光子能量p g E E h +>ν，两种吸收均有，总吸收系数为
)()()(ναναναh h h e a +=. （34） 根据上述公式，我们就可对实际测量数据进行分析。作α－h ν图，如果符合上述吸收机制，就可知二者呈直线关系，如图9所示。通过分析（33a ）和（33b ）式，我们可以获得如下重要信息：
α
能量）
图9 电子间接吸收系数同温度、光子能量的关系。
1）当p g p g E E h E E ->>+ν，以αa 为主。当p g E E h -=ν时，αa ＝0。由
νναh h ~)]([2/1线段得到吸收边斜率为：
2/11)/exp(??
????????-T k E A B p a 在这种情况下，伴随声子吸收过程，并对应吸收系数较低的线段。将此线段延伸到与νh 相交，得到p g E E h -=ν。随着温度的降低，线段的斜率随之降低。
2）当p g E E h +>ν，νναh h ~)]([2/1对应于吸收系数较高的线段，它既包括声子的发射也包括声子的吸收过程。当p g E E h +=ν时，αe ＝0。然而比较式（33a ）和（33b ）可以得出，在低温下发射一个声子的几率远大于吸收一个声子的几率，因此这段直线的斜率，基本上由发射声子的几率决定，即
2/1)/exp(1??
????????--T k E A B p e 同样随着温度的降低，此直线段的斜率也随之降低，将此线段延伸至与能量轴相交，得p g E E h +=ν。
3）由以上两点，通过测量νναh h ~)]([2/1关系，可以获得两个重要的参数E p 和E g 。
4）不同温度下，E g 可能不同，随着温度的降低，一般E g 增大，在这种情况下，会发现随着测量温度的降低，吸收边“蓝移”；也可能随着温度降低E g 减小，将出现吸收边“红移”，究竟是“红移”还是“蓝移”要视具体情况而定。 （注意：当p g E E h +>ν时，以αe 为主。在p g E E h -≤ν，αa ＝0；在p g E E h +≤ν，αe ＝0）。
§3激发态载流子的光吸收
当入射光子能量g E h <ν，在不吸收声子的情况下，不能引起带隙间的跃迁，但可以引起同一带内的跃迁。同一带中的载流子，如导带中的电子或价带中的空穴，吸收光子后，引起载流子在一个能带内的跃迁，这一过程称为载流子的吸收。这种跃迁是在不同k 之间发生的。其特点是吸收光谱没有精细结构，吸收系数α与光波n λ成正比。通常n 在1.5～3.5之间。λ为真空中的光波长。λ越大，α越大。这种吸收基本上发生在远红外波段。
以导带中的电子为例。激发到导带中的电子要弛豫到导带底部，又可能进一步吸收红外光子，在导带内部发生跃迁，电子吸收光子跃迁到高的能量状态，如图10所示。
图10 自由载流子的光吸收。
为了满足动量守恒，必须有声子或电离杂质的散射来补偿电子动量的改变。其原因是，当电子吸收了一定的能量使得动量从k 变化到k ’时，由于光子动量很小，不足以改变电子的动量。因此，此时电子动量的改变必须借助于声子或电离杂质的散射以获得动量p ，即：光子动量=±-p k k '。一般地，激发态载流子的光吸收系数可以表示为：
5.35.25.1λλλαC B A ++=. （35）
这里A 、B 、C 是与波长λ无关的量。理论分析表明（S. Visvanathan, Phys. Rev. 120(1960)376，H.Y . Fan, W. G . Spitzer and R. J. Collins, Phys. Rev. 101(1956)566）
(35)式所表示的载流子光吸收主要对因与如下三种机制：
1、 电子－声学声子作用：吸收系数5.1λα∝（晶格点阵中相邻的离子以相
同的方向运动）；
2、 电子－光学声子作用：吸收系数5.2λα∝（晶格点阵中相邻的离子以相
反的方向运动）；
3、 电子－电离杂质作用：吸收系数5.3λα∝。
至于哪一种吸收占主导，要取决于半导体中所含的杂质浓度。
此外，由于掺杂或其它形式的激发，使价带顶部有足够的空穴、导带底部有足够多的电子，此时，可能发生子带间的跃迁，通常在红外或远红外波段。
§4 晶格吸收
由于T ≠ 0 K ，所有固体都存在晶格振动，因此所有固体都具有一个由于光子和声子相互作用所引起的吸收区域。晶格振动的频率在红外波段（10～100 μm ），红外吸收光谱和喇曼散射被广泛地用来研究材料的晶格振动问题。而通过对晶格振动的研究可以了解材料的结构、相变以及杂质和缺陷的有关问题。
晶格振动可以分解为若干简单的振动，每一种振动方式称为振动模，用频率
ω和波矢q 来表示。在布里渊区中心附近，0≈q 的光学模为长波光学模。这些振
动模的振动频率一般在中远红外波段，并能于红外光发生耦合。注意一般光波的
波矢比格波的波矢约低三个量级。因此，光吸收特性与光频率和光学模频率密切相关（详见《固体发光》一书，方容川编著，中国科大出版社）。
§5 杂质和缺陷吸收
实际晶体中总是或多或少地含有杂质和缺陷（包括空位、位错、层错、形变等），晶格周期性势场局部受到破坏。该局部区的电子态将不同于其它部分，从而在禁带中出现浅能级。一旦出现杂质和缺陷的能级就为载流子的跃迁提供了机会。有意识的掺杂是控制和改善微电子和光电子器件的必由之路。然而不适当的杂质和缺陷会给器件带来致命的问题。由于杂质和缺陷上的原子，同样参与晶格振动，必然在晶格振动谱中显示出来。而电子吸收光子能量从基态跃迁到各相应的浅能级激发态。低温下半导体的杂质吸收光谱是杂质能级的直接实验证据。对于半导体而言，其杂质能级可以参考有关书籍，这里主要讲述离子晶体中正负离子缺位引起的局部能级。
§5.1 正离子缺位
当负离子过剩时，正离子出现缺位。如图12中A所指。右图为能级示意图。
图12 离子晶体中离子缺位及其光吸收原理图。A为正离子缺位，B为负离子缺位。
正离子缺位引起一个带负电的缺陷，容易俘获空穴以保持电中性。而俘获了空穴的负电中心（正离子缺位），给处于价带的电子跃迁提供了机会，类似于杂质半导体的受主相似。当价带中的电子受激被激发到俘获了空穴的负电中心的能级上（A能级），从而在价带产生空穴。对卤元素过量的碱卤化合物晶体，通常在紫外光区出现一吸收带，称为V带，吸收中心称为V心。
§5.2负离子缺位
相反，如果阳离子过剩或阴离子缺量，晶体中出现剩余的负离子缺位。如图12中B所指，它是一个带正电的缺陷。同样，容易俘获电子而保持电中性。当
晶体受到光照后，这个被束缚的电子（B能级上）就有可能被电离到导带中。与半导体中施主相似，在可见光出现吸收带，F带，吸收中心为F心（来自德文Farbzentren）。
§5.3 其它色心
离子晶体中其它杂质在其中也能形成一些浅能级，电子吸收光子后产生跃迁，出现如R1、R2、M和N等带，遍及红外到远红外光区，相应的吸收中心称为R1、R2、M和N等色心。
§6 激子光谱
激子（Exciton）一词来自于激发（Excitation），意思是固体中的元激发态或激发态的量子。也可以将激子简单地理解为束缚的电子-空穴对。从价带激发到导带的电子，通常是自由的，在价带自由运动的空穴和在导带自由运动的电子，有可能重新束缚在一起，形成束缚的电子-空穴对－激子。那么，自由电子和空穴为什么会束缚在一起成为激子呢？这主要靠库仑相互作用的结果。由于束缚，使激子的能量低于自由电子的能量。激子的吸收和发光光谱与带到带之间跃迁的光谱不同，具有特征的结构。半导体中激子的束缚能（或激子结合能）一般很低，约几个或十几个mV。因此，在室温下，一般观测不到激子的吸收现象。
实验发现，在带间跃迁吸收边的低能方面，往往会出现一系列分立的吸收峰，并且谱峰分布有一定的规律性。图13表示高纯GaAs带边附近的吸收谱。
图13
与图中右下角虚线表示的GaAs带间跃迁吸收边对比，其主要特征是在吸收边低能方向出现一系列吸收峰，而且吸收强度比带间跃迁吸收高得多。图中标号为n=1，2，3，... 的吸收谱被归结为自由激子吸收，而标号为D0-X的吸收峰为中性施主杂质上束缚激子的吸收。实验是在低温下进行的。
而图14表示Cu2O在1.8K低温下的带边吸收光谱。与图13比较，二者共
同点是在吸收边低能方向出现一系列吸收峰，不同点是Cu2O中吸收峰的标号不是从n=1开始，而是n=2，3，4，…这是由于选择定则决定的。另外，由于带边背景吸收的影响，吸收峰呈现不对称性。
图14
与带间跃迁的吸收光谱不同，上述分立吸收峰出现的同时并不伴随光电导，说明这些分立的吸收峰不是由于价带电子到导带的跃迁引起的，很可能是价带电子被激发到导带底部以下某些分立能级引起的，因此提出激子跃迁的假设。为什么激子的运动不伴随光电导的变化？其原因是激子本身是电中性的，空穴－电子对的运动朝一个方向。
由于激子的能量低于自由电子的能量，由此可以理解，为什么激子吸收的能量低于带隙E g，以及激子吸收峰分布在带-带间跃迁吸收边的低能方向。
§7 外光电效应、光电导和光生伏特
半导体吸收光后产生三个重要效应，外光电效应、光电导效应和光生伏特效应三类，后两类又称为内光电效应。这三种效应在光电器件和光电子技术中具有重要的作用，根据这些效应可制成不同的光电转换器件(或称光敏元件)。
§7.1 外光电效应
光线照射在某些物体上，而使电子从这些物体表面逸出的现象称为外光电效应，也称光电子发射，逸出的电子称为光电子。
光照射在物体上可以看成一连串具有一定能量的光子轰击这些物体。根据爱因斯坦假设：一个光子的能量只能传递给一个电子，因此单个光子把全部能量传给物体中的一个自由电子，使自由电子的能量增加hν。这些能量一部分用作电子逸出物体表面的逸出功A，另一部分变为电子的初动能，即：
ν
=2/2υ
m
h+
A
该方程为爱因斯坦方程。从式中可以看到如下几个重要特征：
1）当光子能量大于逸出功A（或功函数）时，才会有光电子发射出来，才
会产生外光电效应；当光子能量小于逸出功时，不能产生外光电效应；当光子的能量恰好等于逸出功时，光电子的初速度υ＝0，可以产生此光电子的单色光频率为ν0，为该物质产生光电效应的最低频率，称其为红限频率。显然，如果入射光的频率低与于红限频率，不论入射光的强度有多大，也不会使物质发射光电子。而对于高于红限频率入射光，即使是光线很弱也会产生光电子。必须指出的是不同的材料其功函数是不同的，所以其红限频率也就不同。
2）当入射光的频谱成分不变时，光电流与入射光的强度成正比。
3）由于电子逸出时具有一定的初动能可以形成光电流，为使光电流为零需加反向电压才能使其截止。
根据外光电效应制成的光电管类型很多，最典型的是真空光电管。也有充气光电管，但由于线性不好，在传感器中用得较少。真空光电管的结构如图15所示。
图15 光电管结构示意图。
光电管是由一个阴极K和一个阳极A构成，共同封装在一个真空玻璃泡内，阴极K和电源负极相联，阳极A通过负载电阻同电源正极相接，因此管内形成电场。当光照射阴极时，电子便从阴极逸出，在电场作用下被阳极收集，形成电流I，该电流及负载R L上的电压将随光照强弱而变化，从而实现了光信号转换为电信号的目的。真空光电管的伏安特性曲线如图16所示，其饱和光电流与入射光的强度成正比。
§7.2 光电导
关于光电导现象我们在上一篇（半导体材料）中已有初步探讨。这里我们将继续讨论光电导现象。物体受光照射后，若其内部的原子释放出电子并不逸出物体表面，而仍留在内部，使1）物体的电阻率发生变化或2）产生光电动势的现象称为内光电效应，前者称为光电导效应，后者称为光生伏特效应。半导体材料在光线作用下电导率增加的现象就是光电导效应。光电导的来源主要有带间载流子跃迁和杂质激发，因此有本征光电导和杂质光电导之分。
根据上一章的介绍，光电导可表达为：
h e p p e n n e μμσ)()(00?++?+=.
（37） 其中，n 0和p 0分别为热平衡载流子浓度。热平衡时的电导率： h e e p e n μμσ000+=.
（38） 令0σσσ-=?，称为附加光电导。定义0/σσ?为光电导灵敏度，则有
0000000)1(p bn n b p n p n h e h e +?+=+?+?=-≡?μμμμσσσσσ. （39）
其中令h e b μμ/=。在本征态下有p n ?=?。因为本征载流子浓度n 0、p 0与温度成指数增加关系。因此，温度越低，n 0与p 0越小，而0/σσ?就会越大，也就是说，温度低，则灵敏度高。在实验中，常观测到光电导与材料内部杂质有密切关系。在实验上主要有如下几个方面：
1、恒定光照下光电导同光强的关系：这里主要有线性和非线性光电导。 a 、线性光电导：在光强较低时，光电导与光强成线性关系。电子—空穴对产率：定义I 为单位时间内通过单位面积的光子数，α为吸收系数，β每个光子产生的电子－空穴对量子产额。因此电子－空穴对产生率为I αβ；同时电子－空穴对又在不停地复合，复合速率为τ/n ?，τ为电子寿命。在稳态下：产生率和复合率达到平衡。
ταβ/n I ?=.
（40） αβτI n =?. （41）
典型的代表体系有硅、氧化亚铜。
b 、抛物线性光电导：光电导同光强平方根成正比。
γαβτ/)(2I n =?. （42）
γ为一比例常数。符合这种关系的代表体系如硫化铊（Tl 2S 3）。
2、光电导的驰豫时间：光电导的驰豫时间反映半导体对光反应的快慢程度。在光照非恒定时，即，从光照开始或从取消光照开始讨论。
a 、对于线性光电导，t ＝0时开始光照，则：
ταβ/n t
n d ?-I =??. （43）
它表示单位时间内净剩余载流子数目。如果t ＝0，n ?＝0，则
)]/exp(1)[(ταβτt n --I =?. （44）
上式代表上升曲线。
b 、当光照取消后，
τ/n t n d ?-=??
（45） )/exp()(ταβτt n -I =?.
（46） 上式代表下降曲线。上升曲线和下降曲线如图17所示。驰豫时间定义为2ln τ≡t ，物理意义是，在t 这段时间内，n ?上升或下降到定态值)(αβτI 的一半。
而对于抛物线性光电导，开始光照时：
2)()(n I dt n d ?-=?γαβ. （47）
解之得
t I n I =?-)/(tanh )(1
12/1γαβαβ.（上升曲线） （48）
当光照停止时：
2)(/)(n dt n d ?-=?γ.
（49） 解之得
t I I n 2/12/1)(11
)(αβγγαβ+=?.（下降曲线） （50）
驰豫时间2/1)(-=αβγI t ，在这个时间值内，光电导增加到定态值得0.76，而光照停止后，电导下降到原来的一半。
3、光敏电阻：光敏电阻是一种用光电导材料制成的没有极性的光电元件，也称光导管，它基于半导体光电导效应工作。由于光敏电阻没有极性，工作时可加直流偏压或交流电压。当无光照时，光敏电阻的阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小；当它受到一定波长范围的光照射时，其阻值(亮电阻)
急剧减小，电路中电
第十四章 X-射线光电子能谱法 14．1 引言 X-射线光电子谱仪（X-ray Photoelectron Spectroscopy，简称为XPS），经常又被称为化学分析用电子谱（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis，简称为ESCA），是一种最主要的表面分析工具。自19世纪60年代第一台商品化的仪器开始，已经成为许多材料实验室的必不可少的成熟的表征工具。XPS发展到今天，除了常规XPS外，还出现了包含有Mono XPS (Monochromated XPS, 单色化XPS，X射线源已从原来的激发能固定的射线源发展到利用同步辐射获得X射线能量单色化并连续可调的激发源), SAXPS ( Small Area XPS or Selected Area XPS, 小面积或选区XPS，X射线的束斑直径微型化到6μm) 和iXPS（imaging XPS, 成像XPS）的现代XPS。目前，世界首台能量分辨率优于1毫电子伏特的超高分辨光电子能谱仪（通常能量分辨率低于1毫电子伏特）在中日科学家的共同努力下已经研制成功，可以观察到化合物的超导电子态。现代XPS拓展了XPS的内容和应用。 XPS是当代谱学领域中最活跃的分支之一，它除了可以根据测得的电子结合能确定样品的化学成份外，XPS最重要的应用在于确定元素的化合状态。XPS可以分析导体、半导体甚至绝缘体表面的价态，这也是XPS的一大特色，是区别于其它表面分析方法的主要特点。此外，配合离子束剥离技术和变角XPS技术，还可以进行薄膜材料的深度分析和界面分析。XPS表面分析的优点和特点可以总结如下： ⑴固体样品用量小，不需要进行样品前处理，从而避免引入或丢失元素所造成的错误分析 ⑵表面灵敏度高，一般信息采样深度小于10nm ⑶分析速度快，可多元素同时测定 ⑷可以给出原子序数3-92的元素信息，以获得元素成分分析 ⑸可以给出元素化学态信息，进而可以分析出元素的化学态或官能团 ⑹样品不受导体、半导体、绝缘体的限制等 ⑺是非破坏性分析方法。结合离子溅射，可作深度剖析 目前，XPS主要用于金属、无机材料、催化剂、聚合物、涂层材料、纳米材料、矿石等各种材料的研究，以及腐蚀、摩擦、润滑、粘接、催化、包覆、氧化等过程的研究，也可以用于机械零件及电子元器件的失效分析，材料表面污染物分析等。 14.2 基本原理 XPS方法的理论基础是爱因斯坦光电定律。用一束具有一定能量的X射线照射固体样品，入射光子与样品相互作用，光子被吸收而将其能量转移给原子的某一壳层上被束缚的电子，此时电子把所得能量的一部分用来克服结合能和功函数，余下的能量作为它的动能而发射出来，成为光电子，这个过程就是光电效应。 该过程可用下式表示: hγ=E k+E b+E r（14.1） 式中: hγ：X光子的能量（h为普朗克常数，γ为光的频率）；
吸收光检测原理及应用 1. 检测原理 a) 布格-朗伯-比尔定律，是光吸收的基本定律，适用于所有的电磁辐射和所有的吸光物质，包括气体、固体、液体、分子、原子和离子。比尔-朗伯定律是吸光光度法、比色分析法和光电比色法的定量基础。 b) 朗伯-比尔定律：OD = ε?C ?b光吸收值（OD）与浓度成正比 c) 比尔—朗伯定律数学表达式: A=lg(1/T)=Kbc A为吸光度,T为透射比,是透射光强度比上入射光强度K为摩尔吸收系数.它与吸收物质的性质及入射光的波长λ有关. c为吸光物质的浓度b为吸收层厚度 d) 物理意义是当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时,其吸光度A与吸光物质的浓度c及吸收层厚度b成正比。 2. 吸收光的应用 a) 生物大分子定量：基于260nm、280吸收光检测-核酸定量 i.核酸的最高吸收峰的吸收波长260 nm。 吸收紫外光的性质是嘌呤环和嘧啶环的共轭双键系统所具有的，所以嘌呤和嘧啶以及一切含有它们的物质，不论是核苷、核苷酸或核酸都有吸收紫外光的性质。最佳测量值的范围为0.1 至1.0。每种核酸的分子构成不一，因此其换算系数不同。定量不同类型的核酸，事先要选择对应的系数。如：1OD 的吸光值分别相当于50μg / mL 的dsDNA，37μg / mL 的ssDNA，40μg/mL 的RNA，30μg/mL 的寡核苷酸。 ii.A280nm 是蛋白和酚类物质最高吸收峰的吸收波长，比值可进行核酸样品纯度评估： 纯DNA 的A260/A280 比值为1.8，纯RNA 为2.0。假如比值低，表示受到蛋白（芳香族）或酚类物质的污染，需要纯化样品。 iii.A230nm 是碳水化合物最高吸收峰的吸收波长，比值可进行核酸样品纯度评估： 纯DNA 和RNA 的A260/A230 比值为2.5。若比值小于2.0 表明样品被碳水化合物（糖类）、盐类或有机溶剂污染，需要纯化样品。
第六章固体中的光吸收和光发射 光通过固体后，其强度或多或少地会减弱，实际上就是一部分光能量被固体吸收。而固体施加外界作用，如加电磁场等激发，固体有时会产生发光现象。这里涉及两个相反的过程：光吸收和光发射。 光吸收：光通过固体时，与固体中存在的电子、激子、晶格振动及杂质和缺陷等相互作用而产生光的吸收。 光发射：固体吸收外界能量，其中一部分能量以可见光或近于可见光的形式发射出来。 研究目的：研究固体中的光吸收和光发射，可直接地获得有关固体中的电子状态，即电子的能带结构及其它各种激发态的信息。 本章首先引出描述固体光学性质的若干参数及相互间的关系，主要用到电动力学知识；然后将陆续介绍几种主要的光吸收过程；最后还有固体发光的一些基本知识，其中用到固体物理和半导体物理一些知识。
1． 固体光学常数间的基本关系 （1） 吸收系数 我们知道，当光透射（射向）固体时，光的强度或多或少地被削弱，这一衰减现象为光的吸收。从宏观上讲，固体的光学性质可由折射率n 和消光系数κ来描述。实际上，它们分别是复数折射率n c 的实部和虚部。 κi n n c +=. （1） 当角频率为ω的平面电磁波射入一固体并沿固体中某一方向（x 轴）传播时，电场强度E ： E ＝)](exp[0t v x i E -ω. （2） 其中，v 为波在固体中的波速，而v 与复数折射率有如下关系： c n c v /=，c 为光速. （3） 结合（1）、（2）和（3）式可得到， )exp()exp()exp(0c x c n i t i E E κ ω κω ω--=. （4） 上式最后为衰减因子。 光强：I *2EE E =∝，于是， )exp()0()(x I x I α-=. （5） 其中 42λπκ ωκα== c . （6）
各种激发光和吸收光波长 现在发现一个更全的有关激发光和发射光的波长图谱。这对CONFOCAL去做多重染色时是必不可少的参考资料。 全部文件请到这里下载！ Excitation and Emission Wavelengths of Fluorophores Tavi\'s \"FluoroTable\": Common fluorophores (from Zeiss Corporation website) Fluorophore Absorption E mission Other info 1,5 IAEDANS 336490 1,8-ANS372480 4-Methylumbelliferone385502 5-carboxy-2,7-dichlorofluorescein504529 5-Carboxyfluorescein (5-FAM)492518 5-Carboxynapthofluorescein (pH 10)512/598563/668Ratio Dye, pH 5-Carboxytetramethylrhodamine (5-TAMRA) 542568 5-FAM (5-Carboxyfluorescein)492518 5-HAT (Hydroxy Tryptamine)370-415520-540 5-Hydroxy Tryptamine (HAT)370-415520-540 5-ROX (carboxy-X-rhodamine)578 567604 591 5-TAMRA (5-Carboxytetramethylrhodamine)548 542 552 568 6-Carboxyrhodamine 6G518543 6-CR 6G518543 6-JOE520548 7-Amino-4-methylcoumarin351430
3.在未加偏置电压的条件下，由于截流子的扩散运动，p 区和n 区之间的pn 结附近会形成没有电子和空穴分布的耗尽区。在pn 结附近，由于没有电子和空穴，无法通过电子-空穴对的复合产生光辐射。加上正向偏置电压，驱动电流通过器件时，p 区空穴向n 区扩散，在pn 结附近形成电子和空穴同时存在的区域。电子和空穴在该区通过辐射复合，并辐射能量约为Eg 的光子，复合掉的电子和空穴由外电路产生的电流补充。 5要满足以下条件a 满足粒子数反转条件，即半导体材料的导带与价带的准费米能级之差不小于禁带宽度即B.满足阈值条件，半导体由于粒子数产生的增益需要能够补偿工作物质的吸收、散射造成的损耗，以及谐振腔两个反射面上的透射、衍射等原因产生的损耗。即 第二章课后习题 1、工作物质、谐振腔、泵浦源 2、粒子数反转分布 5a.激光介质选择b.泵浦方式选择c 、冷却方式选择d 、腔结构的选择e 、模式的选择f 、整体结构的选择 第三章课后习题 10.要求：对正向入射光的插入损耗值越小越好，对反向反射光的隔离度值越大越好。原理：这种光隔离器是由起偏器与检偏器以及旋转在它们之间的法拉第旋转器组成。起偏器将输入光起偏在一定方向，当偏振光通过法拉第旋转器后其偏振方向将被旋转45度。检偏器偏振方向正好与起偏器成45度，因而由法拉第旋转器出射的光很容易通过它。当反射光回到隔离器时，首先经过起偏器的光是偏振方向与之一至的部分，随后这些这些光的偏振方向又被法拉第旋转器旋转45度，而且与入射光偏振方向的旋转在同一方向上，因而经过法拉第旋转器后的光其偏振方向与起偏器成90度，这样，反射光就被起偏器所隔离，而不能返回到入射光一端。 15.优点：A 、采用光纤耦合方向，其耦合效率高；纤芯走私小，使其易于达到高功率密度，这使得激光器具有低的阈值和高的转换效率。B 、可采用单模工作方式，输出光束质量高、线宽窄。C 、可具有高的比表面，因而散热好，只需简单风冷即可连续工作。D 、具有较多的可调参数，从而可获得宽的调谐范围和多种波长的选择。E 、光纤柔性好，从而使光辉器使用方便、灵巧。 由作为光增益介质的掺杂光纤、光学谐振腔、抽运光源及将抽运光耦合输入的光纤耦合器等组成。 原理:当泵浦激光束通过光纤中的稀土离子时，稀土离子吸收泵浦光，使稀土原子的电子激励到较高激发态能级，从而实现粒子数反转。反转后的粒子以辐射跃迁形式从高能级转移到基态。 g v c E F F 211ln 21R R L g g i th
《光电子材料与器件》题库 选择题: 1. 如下图所示的两个原子轨道沿z轴方向接近时，形成的分子轨道类型为( A ) (A) *σ(B) σ(C) π(D) *π 2. 基于分子的对称性考虑，属于下列点群的分子中不可能具有偶极矩的为（C）（A）C n（B）C n v（C）C2h（D）C s 3. 随着温度的升高，光敏电阻的光谱特性曲线的变化规律为（B）。 （A）光谱响应的峰值将向长波方向移动 （B）光谱响应的峰值将向短波方向移动 （C）光生电流减弱 （D）光生电流增强 4. 利用某一CCD来读取图像信息时，图像积分后每个CCD像元积聚的信号在同一时刻先转移到遮光的并行读出CCD中，而后再转移输出。则该CCD的类型为（B ） （A）帧转移型CCD （B）线阵CCD （C）全帧转移型CCD （D）行间转移CCD 5. 对于白光LED器件，当LED基片发射蓝光时，其对应的荧光粉的发光颜色应该为（D） （A）绿光（B）紫光（C）红光（D）黄光 6. 在制造高效率太阳能电池所采取的技术和工艺中，下列不属于光学设计的为（C） （A）在电池表面铺上减反射膜; （B）表面制绒; （C）把金属电极镀到激光形成槽内; （D）增加电池的厚度以提高吸收 7. 电子在原子能级之间跃迁需满足光谱选择定则，下列有关跃迁允许的表述中，不正确的是（B ）： （A）总角量子数之差为1 （B）主量子数必须相同 （C）总自旋量子数不变
（D）内量子数之差不大于2 8. 物质吸收一定波长的光达到激发态之后，又跃迁回基态或低能态，发射出的荧光波长小于激发光波长，称为（B）。 （A）斯托克斯荧光（B）反斯托克斯荧光（C）共振荧光（D）热助线荧光9. 根据H2+分子轨道理论，决定H原子能否形成分子的主要因素为H原子轨道的（A ） （A）交换积分（B）库仑积分（C）重叠积分（D）置换积分 10. 下列轨道中，属于分子轨道的是（C） （A）非键轨道（B）s轨道（C）反键轨道（D）p 轨道 11. N2的化学性质非常稳定，其原因是由于分子中存在（D ） （A）强σ 键（B）两个π键（C）离域的π键（D）N N≡三键12. 测试得到某分子的光谱处于远红外范围，则该光谱反映的是分子的（B ）能级特性。 （A）振动（B）转动（C）电子运动（D）电声子耦合 13．下列的对称元素中，所对应的对称操作属于虚动作的是（C ） （A）C3 （B）E（C）σh（D）C6 14. 某晶体的特征对称元素为两个相互垂直的镜面，则其所处的晶系为（C）（A）四方晶系（B）立方晶系（C）正交晶系（D）单斜晶系 15. 砷化镓是III-V族化合物半导体，它的晶体结构是（D）。 （Ａ）NaCl 结构（B）纤锌矿结构（C）钙钛矿结构（D）闪锌矿结构16. 原子轨道经杂化形成分子轨道时，会发生等性杂化或非等性杂化。下列物质中化学键属于不等性杂化的是（B）。 （A）CH4（B）H2O （C）石墨烯（D）金刚石 17. 关于金属的特性，特鲁德模型不能成功解释的是（A ） （A）比热（B）欧姆定律（C）电子的弛豫时间（D）电子的平均自由程18. 下列有关半导体与绝缘体在能带上的说法中，正确的是（B ）。 （A）在绝缘体中，电子填满了所有的能带 （B）在0 K下，半导体中能带的填充情况与绝缘体是相同的 （C）半导体中禁带宽度比较大 （D）绝缘体的禁带宽度比较小 19. 在非本征半导体中，载流子（电子和空穴）的激发方式为（B）？ （A）电（B）热（C）磁（D）掺杂 20．在P型半导体材料中，杂质能级被称之为（C）。 （A）施主能级（B）深陷阱能级（C）受主能级（D）浅陷阱能级
8.ξ光的发射和吸收的半经典处理 关于原子结构的认识，主要来自对光（辐射场）与原子相互作用的研究， 在光照射下，原子可能吸收光而从低能级跃迁到高能级，或从较高能级跃迁到较 低能级而放出光，这分别叫光的吸收和受激辐射，实验还观察到没有外界光照射原子从激态发光跃迁到低能级而发光的自发辐射现象。 对原子吸收或放出的光进行光谱分析，可获得原子能级及相关性质的知识，光谱分析中有两个重要观测量——谱线频率和谱线相对强度。前者取决于初末态的能量差，后者则与跃迁速率成正比。 光的吸收与辐射，涉及到光子的产生和湮灭，严格处理要用量子电动力学，即要把电磁场量子化（光子就是电磁场量子）。但对光的吸收和受激辐射，可用半经典方法处理。即把光子产生和湮灭的问题，转化为在电磁场作用下原子在不同能级之间跃迁的问题，此时，原子被作为一个量子力学体系对待；但辐射场仍用一个连续变化的电磁场来描述，并未进行量子化，即把光辐射场作为一个与时间有关的外界微扰，用微扰论近似计算原子的跃迁几率。这个办法对处理自发辐射（无外界微扰——原子的H ∧ 是守恒量，如果初始时刻原子处于某定态——H ∧的本征态，则原子应保持在该定态，不会跃迁到较低能级，没有自发辐射）无能为力。但有趣的是，爱因斯坦在量子力学和量子电动力学建立之前，基于热力学和统计物理中平衡概念的考虑，回避了光子的产生和湮灭，巧妙地说明了原子的自发辐射。 1.爱因斯坦的发射和吸收系数 如下图： 自发发射系数mk A ：原子的单位时间内由m ε能级自发跃迁到k ε能级的几率。 受激发射系数mk B 吸收系数mk B ：设作用于原子的光波在d ωωω→+频率范围的能量密度是()I d ωω，则在单位时间内原子m ε能级受激跃迁到k ε能级并发出能量为mk ω的光子几率为()mk B I ω；原子由k ε能级吸收能量mk ω的光子并跃迁到m ε能级的几率为()mk B I ω。 利用热平衡条件及普朗克里体辐射公式推得，三个系数之间的关系为：
第四章 光的发射和吸收(二) 试看单轴晶体的计算。为表达的方便，用S (i,f )表示上述公式中的电偶极矩矩阵元的平方和，把沿某一方向偏振的电偶极跃迁的几率写成 ()()f ,i S c e .P p p ε ω3 2 3 34sp.em k = (4.23) 对于π和σ偏振的自发辐射跃迁，可以分别写出其跃迁几率 ()()f ,i S c e .P k π3 2 3 π34sp.em ε ω =，()()f ,i S c e .P k σ32334sp.em εωσ = 按照全概率公式，总的自发辐射跃迁几率为 ()()()()()()().P .P .P p .P p .P sp.em 3 2 sp.em 31sp.em σsp.em πsp.em σπσπ+=+= (4.24) 必须指出，应用这些公式到晶体介质的计算中，还要考虑进介质折射率的改正因子。以后将看到，利用(4.24)式计算各向异性介质中激活离子能级寿命，就不至于发生过高估计跃迁几率的错误。 现在来讨论磁偶极跃迁和电四极跃迁、从单电子的情况出发并假定与电偶极跃迁相关的=0，根据展开式(4.18)先分析自发发射过程（见(4.16)式）的矩阵元),可得 ()()e e e e i f i i f i e ????p e r k p e r k ??-=??- (4.25) 为方便表示，式中e 为e α(k )。为了同跃迁机理相联系，习惯上将(k ?r )(e ?p )分 成两部分，即 ()()() () ()()()() ∑∑∑∑ ∑∑++ ??-=++??= ++ -== =??j ,i i j j i j i j ,i i j j i j i j ,i i j j i j i j ,i i j j i j i j ,i j i j i j ,i j j i i p r p r e k p r p r e k p r p r e k p r p r e k p r e k p e r k 2 1212 121 2 12 1l k e l e k p e r k (4.26) 式(4.26)中i ，j 表征上述各个矢量的三个分量，l =r ?p 是轨道角动量算符。类 似于式(4.19)和(4.20)推导过程中利用的动量p 的矩阵元到坐标r 的矩阵元的转换，上式第二部分的矩阵元可作如下转换 e e e e i j i f i i j j i f r r im p r p r ??ω??k =+ (4.27) 因此
1、能带形成的原理孤立原子的电子占据一定的原子轨道，形成一系列分立的能级。如果一定数量的原子相互结合形成分子，则原子轨道发生分裂，形成的分子轨道数正比于组成分子的原子数。在包括半导体在内的固体中，大量原子紧密结合在一起，轨道数变得非常巨大，轨道能量之差变得非常小，与孤立原子中的分立能级相比，这些原子轨道可视为能量是近似连续分布的。这种能级近似连续分布的能量范围，即为能带。 2、半导体发光机理 半导体材料中的电子由高能态向低能态跃迁的同时，会以光子的形式释放多余的能量，这称为辐射跃迁，辐射跃迁的过程也就是半导体材料的发光过程。 电子由高能态向低能态跃迁的同时，产生相应能量间隔的光子。电子的跃迁，要求价带有价带电子，同时导带有相应的空穴，即在导带、价带中存在电子空穴对，通过电子空穴的复合，半导体可以发射光子。 3、光电探测原理将光辐射的作用，视为所含光子与物质内部电子的直接作用，也就是物质内部电子在光子的作用下，产生激发而使物质的电学特性发生变化。 4、pn 结形成空间耗电区的原理 形成PN结后，由于n区和p区载流子浓度的差异，n区的多数载流子电子、p 区的多数载流子空穴分别向对方区域扩散并与其多数载流子复合。这就造成PN 结n 区一侧附近电子浓度降低，留下不能移动的施主离子，产生局部的正电荷区域。PN结p区一侧的附近空穴浓度降低，留下不能移动的受主离子，产生局部的负电荷区域。由于局部正负电荷的存在，PN 结附近会产生一个由n 区指向p 区的内建电场。电场阻碍n区的电子继续向p区扩散，同时使n区的少数载流子空穴向p 区漂移，同样，电场阻碍p 区的空穴继续向n 区扩散，同时使p 区的少数载流子电子向n区漂移。随着扩散的减弱，飘移的增强，最终实现载流子的动态平衡。PN 结附近载流子被耗尽的区域称为空间电荷区，或者耗尽区。 5、直接带隙半导体和间接带隙半导体的区别 直接带隙：导带的最低位置位于价带最高位置的正上方；电子空隙复合伴随光子的发射。III-V 族元素的合金，典型的如GaAs 等。 间接带隙：导带的最低位置不位于价带最高位置的正上方；电子空隙复合需要声子的参与，声子振动导致热能，降低了发光量子效率。 6、半导体发光材料特性 砷化傢(GaAs):直接跃迁型闪锌矿结构发射的光子能量1.42eV左右，相应 波长873nm 附近，红外波段 磷化傢(GaP):间接跃迁型闪锌矿结构间接带隙宽度2.26eV,离子性为0.374, 氮化傢(GaN):直接跃迁型纤锌矿结构带隙宽度3.39eV 7、什么是发光二极管发光二极管是由数层很薄的搀杂半导体材料制成，一层带过量的电子，另一层因缺乏电子而形成带正电的“空穴” ，当有电流通过时，电子和空穴相互结合并释放出能量，从而辐射出光芒。
光电子材料与器件
光电子材料与器件 绪论 1 例举信息技术与光电子技术所涵盖的几大方面： 信息技术主要包括信息的产生、传输、获取、存储、显示、处理等六大方面；与之相对应的光电子技术主要包括光的产生与转化、光传输、光探测、光存储、光显示、光信息处理。 2 简述光电子技术的定义及其特征： 光电子技术：是电子技术与光子技术相结合而形成的一门新兴的综合性的交叉学科，主要研究光与物质中的电子相互作用及其能量相互转换的相关技术。光电子技术的特征：光源激光化、传输波导（光纤）化、手段电子化、现代电子学中的理论模式和电子学处理方法光学化。 3 简述信息技术的发展趋势及各阶段的主要特点： 第一阶段——电子信息技术 其特征是：信息的载体是电子；半导体，计算机等 第二阶段——光电子信息技术 其特征是：光子技术和电子技术相结合；激光器，光纤等 第三阶段——光子信息技术 其特征是：以光子作为信息的载体；全光通信，光计算机等 4 简述光子传递信息的特点： （1）极快的响应时间，可用于超高速、宽带通信 （2）传输信息容量大 （3）信息传输过程中失真小
（4）高抗干扰、高可靠性 （5）光储存具有储存量大、速度快、密度高、误码率低的优点 总之，超高速、抗干扰、大容量、高可靠性是光子技术的特点。 太阳能电池 1、举例说明太阳能利用的优缺点 优点：普遍（不受地域及技术条件限制，无需开采和运输） 洁净（不产生废渣、废水、废气，无噪声，不影响生态） 巨大（1.68×1024cal/年，相当于20万亿吨标准煤燃烧的热量） 缺点：能流密度低（1kw/m2，需要相当大的采光集热面才能满足使用要求）不稳定（受时间，天气影响明显） 大规模使用的成本和技术难度均很高（5～15倍） 2、例举太阳能电池发展史中的里程碑事件 1839年法国科学家E. Becquerel发现液体的光生伏特效应（简称光伏现象）1954年美国贝尔实验室三位科学家关于单晶硅太阳电池的研制成功，在太阳电池发展史上起到里程碑的作用 3、光电效应包括哪几类？举出每类的代表性器件 光电效应(photoelectric effect)：物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。根据电子吸收光子能量后的不同行为，光电效应可分为外光电效应和内光电效应。 外光电效应：在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。——金属 §其主要应用有光电管和光电倍增管。
物质颜色和吸收光颜色的对应关系 简单的讲，颜色常见的方式有3种： 第一是吸收色，它一定是需要一个光源的。如太阳光于叶绿素，太阳光照射到叶子上，被吸收掉蓝光与红光之后，留下绿光，进入到人眼。所以叶子是绿色的。又如印刷行业中的cmyk印刷色彩模式（与RGB发射色构成白光同等重要）。在互补色中，红色对应的靛青，绿色对应的是品红，蓝色对应的是黄色。所以在UV-Vis吸收谱中，如果450nm及以下有强吸收，那么这种物质多半是黄色的（吸收色），如果550nm及以下有吸收，那么多半是红色（吸收色）的，如果700nm及以下都有吸收，那么一定是黑色（吸收色）的。 第二种是发射色，就入lz所说的PL发射色了。各种波长对应颜色的关系，大致可以划分为450nm蓝色，550nm绿色，650nm红色；420nm以下是紫色，480nm 是青色（靛青），580nm是黄色（正黄），600nm是橙色，绿色的波长范围是最宽的，大概从510-570nm都是很夺眼的绿色。 第三种就是衍射色了，常见的如贝壳的那一层珍珠膜的颜色，还有已经over的光子晶体。 还有种常见的就是吸收色和发射色的叠加。 The Relation between Matter’s Color and Color Absorbed 序号(No.) 物质颜色 (Matter’s color) 吸收光颜色(Color absorbed) 波长范围 (wavelength) λ/nm 1 黄绿色紫色400～450 2 黄色蓝色450～480 3 橙色绿蓝色480～490 4 红色蓝绿色490～500 5 紫红色绿色500～560 6 紫色黄绿色560～580 7 蓝色黄色580～600 8 绿蓝色橙色600～650 9 蓝绿色红色650～750
第五章光电子能谱分析 一、教学目的 1. 了解常用表面分析方法特点及应用。 2. 掌握光电子能谱的基本原理。 3. 掌握光电子能谱实验技术，包括能谱仪的应用及样品测定中应注意的问题。 4. 了解和掌握光电子能谱的应用。 5. 了解俄歇电子能谱分析方法。 一、 教学方法 面授 二、 教学手段 多媒体＋板书 三、 学时分配 6学时 四、 重点、难点 1.光电子能谱的基本原理。 2.光电子能谱应用技术。 五、 作业（思考题） 1. 表面分析可以得到哪些信息？ 2. 表面分析方法有哪几种？ 3. 试述光电子能谱测量原理。 4. 光电子能谱分析表面的深度？ 5 光电子能谱仪的组成有那些？制样中要注意那些问题？
第一节 概 述 电子能谱是近十多年才发展起来的一种研究物质表面的性质和状态的新型物理方 法。这里所谓的表面是指固体最外层的l ～10个原子的表面层和吸附在它上面的原子、 分子、离子或其他覆盖层，它的深度从小于1到几个nm ，或者包括采取剥离技术将表 面层沿纵向深度暴露出新的表面。用特殊的手段对这类表面进行分析已形成一门新兴 的测试方法，即表面分析法表面分析法表面分析法，，它在理论上和实际应用上都有广泛的研究领域。表面分 析方法在无机非金属材料学科中的应用，例如：研究玻璃表面的刻蚀作用、水泥矿物 硅酸钙的水化作用、陶瓷表面和界面、高温超导材料表面的作用等均有重要意义。 一、表面分析可以得到的信息 表面分析是借助于各种表面分析仪，对物体 10 nrn 以内的表面层进行分析，可得 到的信息有： （1）物质表面层（包括吸附层）的化学成分，除氢元素以外的元素都可以从表面 分析法获得定性和定量的结果，而X 射线能谱分析一般只能分析到原子序数为11以上 的元素（最好的仪器可以分析原子序数为4的Be 元素） 。定量分析也只能达到半定量程度。 （2）物质表面层元素所处的状态或与其他元素间的结合状态和结构，即元素所处 的原子状态、价态、分子结构等信息。 （3）表面层物质的状态，如表面层的分子和吸附层分子状态、氧化态、腐蚀状态、 表面反应生成物等。 （4）物质表面层的物理性质，这在一般表面分析中虽不是研究的主要内容，但可 以得到与表面的元素、价态、结构等信息的关系。 在做表面分析工作时，不仅在制备样品时要求在高真空和超净条件下进行，而且 在测试过程中也要注意仪器中的条件，以防止因污染而引起测试误差。 二、表面分析法的特点 表面分析技术与普通光谱仪不同，它不是研究光与物质的相互作用后所产生的光 的特性，而是研究光（或粒子）与物质相互作用后被激发出来的二次粒子（电子、离 子）的能量，以达到所要获得的结果。它是测定物质表面的平均成分，不是体内，也 不是微区成分，它测定的是物质受激而发出的价电子或内层电子的能量；与红外光谱 相比，红外光谱给出的是分子指纹，或是基团特征，而表面分析则可给出原子指纹， 测定原子的价态（电子结构）、原子和电子所处的能级，从而可以定出分子结构。 表面分析的另一特点是无损分析，分析的是最表层的元素信息，分析灵敏度极高。 三、各种表面分析仪及其研究目的 表面分析只是测定物质表面层厚度在10nrn 以内的各种信息，所以与粒子逸出的 深度紧密相关。表面分析法所用的仪器主要有以下几种： （1）离子探针微区分析（缩写IMMA ）和X 射线微区成分分析（电子探针）一样， 是测定物质表面微区的化学成分，但是它又与电子探针或能谱分析有差异，主要在于 它的激发源是用离子束而不是电子束，测量的是被激发出的离子的质量而不是特征X
试卷题型分布100分选择题、填空题、名词解释、问答题、论述题 选择题内容不仅仅在这里面，包括书里、课堂讲授 第一章 一、单项选择题 可见光的波长范围为[C ] A 200—300nm B 300—380nm C 380—780nm D 780—1500nm 二、填空 1．异质p-n结指p端与n端为不同材料形成的p-n结 2．P型半导体是向本征半导体中参入低价元素形成的。P型半导体中的导电粒子为空穴。 3. 红外线，它是一种人眼看不见的光线，但实际上它与其他任何光线一样，也是一种客观存在的物质。任何物质，只要它的温度高于__ O K __，就会有红外线向周围空间辐射。三、名词解释： 非本征半导体，pn结，直接带隙，间接带隙，光致发光，电致发光，内量子效率，外量子效率，发光效率，垂直腔面发射激光器， l·pn结的空间电荷区具有什么样的特点?它是如何形成的? 2·简述直接带隙半导体及间接带隙半导体材料的发光过程。两者有何不同? 3.发光二极管的发光原理是什么? 4·理解半导体材料中实现光放大的粒子数反转条件。 5·半导体激光器产生激光需要满足哪些条件? 6·双异质结半导体激光器为什么可以显著降低阈值电流? 7、垂直腔面发射激光器优点 8、什么是半导体材料的本征吸收？ 9、双异质结半导体激光器为什么可以显著降低阈值电流？ 第二章 常用的激光晶体、激光玻璃、激光陶瓷有哪些？P28-32 常用的固体激光器的基质材料有哪些？ 光泵固体激光器的三个基本组成部分P41 固体激光器的主要优点 谐振腔腔长公式P47 阈值增益系数公式P58 常见的固体激光器P62 激活离子P27，基质材料P28 光学谐振腔的基本结构及其作用。P44 第六章 光子效应、光热效应、光电导效应、光生伏特效应光电发射效应 光热效应有哪些？光子效应有哪些？常见的光电二极管。硅太阳能电池类型 光热效应的特点有哪些？ 光电二极管的原理及其主要的物理过程。 光电池从材料和结构上分为4类，各有什么特点？
异质结构在能带结构和折射率上具有独特之处。前者为我们提供了能带结构上的各种势垒、势阱，从而能对半导体中的载流子产生电学限制作用；后者为我们提供折射率差，可以构成各种光波导波结构，从而能对半导体中的光波产生光学作用。正是几乎完全的载流子限制作用和几乎完全的光学限制作用，构成了半导体光电子器件的物理作用。 异质结构为我们提供了一个新的可变参量——带隙，通过改变材料组分可以改变带隙的大小，再通过带隙的差别来裁剪能带结构，从而设计半导体的物理特性，进而研制出新型的半导体器件结构，最终实现我们所需要的电学或光学的特性。 禁带宽度大、折射率小是半导体光电材料的特征。禁带大的材料能对禁带小的材料提供载流子限制作用，折射率小的材料能对折射率大的材料提供光学限制 半导体——位于导带的电子同位于价带的空穴复合而发光。 光的增益——载流子注入，电子-空穴对辐射复合，产生光 光的损耗——载流子跃迁，自由载流子吸收 在激光物质中，要想实现受激辐射的光放大，必须其内部增益足够大，足以克服激射物质的内部损耗和端面损耗。 发光二极管是利用少数载流子流入PN结直接将电能转换为光能的半导体发光元件。发光二极管是一种把电能转换成光能的特殊半导体器件，它具有一个PN结。 发光二极管发光（工作）原理：当加正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，和P区里的空穴复合；空穴则由P区注入到N区，和N区里的电子复合，这种电子空穴对的复合同时伴随着光子的放出，因而发光。 电子和空穴复合，所释放的能量等于PN结的禁带宽度（即能量间隙）E g。所放出的光子能量用hν表示 发光二极管基本结构：为了获得高辐射度，发光二极管常采用双异质结构。按光输出的位置不同，发光二极管可以分为边发射型和面发射型 超辐射发光二极管：介于激光二极管和发光二极管之间，光功率大且相干长度短。超辐射发光是一种很接近激射、但还不是激光的光源。其结构类似激光器，但没有谐振腔，或尽量破坏掉激光器的谐振腔；其发射逼近收集振荡，但始终还未共振；其相位不一致，因而是一飞相干光源，或称相干长度短的光源。 发光二极管的工作特性:（1）发射谱线和发散角：由于发光二极管没有谐振腔，所以它的发射光谱就是半导体材料导带和价带的自发发射谱线。由于导带和价带都包含有许多能级，使复合发光的光子能量有一个较宽的能量范围，形成较宽的自发发射谱线。同时，又由于自发发射的光的方向是杂乱无章的，所以LED输出光束的发散角也较大。（2）响应速度：发光二极管的响应速度依赖于载流子的自发复合寿命时间。通常在复合区采用高掺杂或使LED工作在高注入电流密度下，以减小载流子的寿命时间，从而提高LED的响应速度。（3）热特性：发光二极管的输出功率随结温的升高而减小。但由于它不是阈值器件，所以输出功率随结温呈缓慢的变化趋势。 有源区里实现了粒子数反转以后，受激辐射占据主导地位，但是，激光器初始的光场来源于导带和价带的自发发射，频谱较宽，方向也杂乱无章。为了得到单色性和方向性好的激光输出，必须构成光学谐振腔，使满足横向谐振条件的频率成分得到加强，而其它的频率成分被消耗掉，从而形成稳定的激光振荡输出。在半导体激光器中，光学谐振腔通常采用两种方式形成：一种是用晶体天然的解理面形成法布里—珀罗谐振腔（F—P腔），当光在谐振腔中满足一定的相位条件和振幅条件时，建立起稳定的光振荡。这种激光器称为F—P腔激光器。另一种是利用有源区一侧的周期性波纹结构提供光耦合来形成光振荡，如分布反馈（DFB）激光器和分布布拉格反射（DBR）激光器。 纵模频率是指在自发辐射谱内满足谐振条件，且损耗小于增益的频率。 F—P腔半导体激光器的结构：在F—P腔半导体激光器中，F—P腔的作用，首先使输出光的方向得到选择，使不能被反射镜面截获的、方向杂乱的光逸出腔外而损耗掉，能在谐振腔内建立起稳定振荡的光基本上是与反射镜面垂直方向的光。另外，要使光在谐振腔内建立起稳定的振荡，必须满足一定的相位条件和振幅条件，相位条件使发射光谱得到选择，振幅条件使激光器成为一个阈值器件。 按照垂直于PN结方向的结构的不同，F—P腔激光器可分为同质结激光器、单异质结激光器、双异质结激光器和量子阱激光器 同质结半导体激光器并不够理想。它的主要缺点是：1）激活区域宽，约为1个微米，所需要的工作偏压高；2）激活区域与两侧临近区的折射率近似相等，光波导效应不明显，光损耗大；这使得同质结激光器的阈值工作电流密度高，一般在2～4×104A/cm2范围。室温下只能以脉冲形式运转。为克服上述缺点，人们发明了双异质结半导体激光器 AlGaAs/GaAs双异质结（DH）激光器。窄带隙的有源区（GaAs）材料被夹在宽带隙的GaAlAs之间，带隙差形成的势垒对载流子有限制作用，它阻止了有源区里的载流子逃离出去。另一方面，双异质结构中的折射率差是由带隙差决定的，基本上不受掺杂的影响，有源区可以是重掺杂的，也可以是轻掺杂的。有源区里粒子数反转的条件靠注入电流来实现。由于带隙差所决定的折射率差较大（可达到5%左右），这使光场能很好的被限制。 有源区为窄直接带隙的半导体材料，它夹在两层掺杂型号相反的宽带隙半导体限制层之间。有源层的带隙比限制层的带隙小，折射率比前者大，由此引起的禁带宽度不连续性和折射率不连续性，分别起着载流子限制和光限制的作用，将注入的自由载流子有效的限制在很薄的有源区中，从而为有效的受激辐射放大提供了有利的条件。载流子的限制作用和光子的限制作用使激光器的阈值电流密度大大下降，从而实现了室温下连续工作。目前光纤通信中使用的F—P腔激光器，均采用双异质结构 异质结有源区厚度的减小是有利于降低阈值电流密度的。但是由于在太小的有源区厚度下，光波模式会发生截止，所以限制了有源区厚度的减小。为了进一步减小有源区厚度，同时又避免光波模式的截止，研究人员发明了分别限制异质结，以分别实现对光和载流子的限制。 在整个PN结面积上均有电流通过的结构是宽面结构，只有PN结中部与解理面垂直的条形面积上有电流通过的结构是条形结构。条形结构提供了平行于PN结方向的电流限制，因而大大降低了激光器的阈值电流，改善了热特性。隐埋条形半导体激光器，这种结构不仅具有低阈值电流、高输出光功率、高可靠性等优点，而且能得到稳定的基横模特性，从而受到广泛的重视。 分布布拉格反射DBR的结构及工作机理DBR激光器的腔体结构与F—P腔激光器不同，其基本原理是基于布拉格发射，布拉格发射是指在两种不同介质的交界面上，具有周期性的反射点，当光入射时，将产生周期性的反射，这种反射即称为布拉格发射。交界面本身可以取不同的形状：正弦波形或非正弦（如：方波、三角波等） 分布反馈DFB激光器的结构及工作机理：DFB激光器的激光振荡不是靠F—P腔来实现，而是依靠沿纵向等间隔分布的光栅所形成的光耦合 DFB激光器的特点：（1）动态单纵模窄线宽输出：由于DFB激光器中光栅的栅距（A）很小，形成一个微型谐振腔，对波长具有良好的选择性，使主模和边模的阈值增益相对较大，从而得到比F—P腔激光器窄很多的线宽，并能保持动态单纵模输出。 （2）波长稳定性好：由于DFB激光器内的光栅有助于锁定给定的波长，其温度漂移约为0.8?/℃，比F—P腔激光器要好得多。 DFB激光器工作特点：DFB-LD或DBR-LD 的高性能工作可归纳为以下的方面：窄线宽单模、动态单模且低啁啾、高功率输出、尽可能宽的波长可调谐范围 垂直腔面发射激光器：它具有发散角小，单纵模工作，低阈值，动态调制频率高 通常用于半导体量子阱的QW结构主要有三种类型，即多量子阱（MQW）、渐变折射率波导限制型单量子阱（GRIN—SCH—SQW）和带有超晶格缓冲层的渐变折射率波导限制型单量子阱（SLB—GRIN—SQW）。 QW激光器与一般的双异质结激光器相比，有一系列优越的特性：1）阈值电流很低2）谱线宽度窄，频率啁啾改善3）调制速率高 由于有源区为量子阱结构，量子阱激光器具有新特点： （1）光子能量大于材料的禁带宽度（2）光谱的线宽明显变窄（3）高的注入效率，易于实现粒子束反转，增益大为提高。 （4）温度稳定性大为改善。 温度变化将改变激光器的输出光功率，有两个原因：一是激光器的阈值电流随温度升高而增大，二是外微分量子效率随温度升高而减小 近场是指激光器反射镜面上的光强分布，远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。由于激光腔为矩形光波导结构，因此近场分布表征其横模特性，在平行于结平面的方向，光强呈现周期性的空间分布，称为多横模；在垂直于结平面的方向，由于谐振腔很薄，这个方向的场图总是单横模。 光纤激光器与半导体激光器从原理上说，没有本质的区别。它一般也由三部分组成：激励源（泵浦源）、有源区（工作物质）、激光谐振腔。在光纤激光器中，工作物质根据激光器输出波长的要求，由不同的掺稀土杂质的特种光纤构成 光照下改变自身的电阻率（当入射光子使电子由价带跃升到导带时，导带中的电子和价带中的空穴二者均参与导电，因此电阻显著减小，称为光敏电阻。光电二极管的频率 特性响应主要由三个因素决定：(a)光生载流子在耗尽层附近的扩散时间；(b)光生载流子在耗尽层内的漂移时间；(c)与负载电阻R L并联的结电容C i所决定的电路时间常数。 PIN光电二极管结构P型层、I型层、n型层构成的半导体二极管 PIN光电二极管结构在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，生成一层掺杂极低的本征材料，称为I层。在外加反向偏置电压作用下，I层中形成很宽的耗尽层。CCD——电荷耦合器件，集光电转换、存储、自扫描转移、输出于一体的半导体非平衡态功能器件。
☆光电子材料导论论文☆ 纳米光电子材料的特性及应用 摘要小尺寸的纳米材料的表面效应和量子尺寸效应对纳米微粒的光学特性 产生很大的影响，使得纳米微粒具有同样材质的非纳米块体物体所不具备的新的光学特性，利用纳米材料的这些光学特性制成的各种光学材料与器件在日常生活和高科技领域有着广泛的应用。 关键字纳米材料光电子纳米微粒表面效应量子限域效应 引言 纳米科技是指在纳米尺度(1～100纳米)上研究物质的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。这一技术使人类认识和改造物质世界的能力延伸到了原子和分子水平，是当今最重要的新兴科学技术之一，已经引起了科学界和产业界的极大关注。 纳米材料的一个最重要的标志是材料的尺寸与材料的一些物理特征量相当。当纳米微粒的粒径与超导相干波长、波尔半径以及电子德布罗意波长相当时，小颗粒的量子尺寸效应十分显著。与此同时，大的比表面积使处于表面的原子、电子跑到表面或接近表面，于是与处于小颗粒内部的原子、电子的性能行为产生很大的差别，这种表面效应和量子尺寸效应对纳米颗粒的光学特性有很大的影响，甚至会使纳米材料具有同样材质的宏观材料不具备的新的光学特性。 1991年1月，日本首次用高分辨分析电镜观察到碳纳米管。2001年日本NTT 公司尖端技术综合研究所，开发成功了制作光导集成电路芯片的基础技术。2002年，美国加州大学伯克利分校的研究人员研制出世界上最细的激光束，即纳米激光。2003年美国哈佛大学成功开发出一种新型纳米激光器，可自动调控开关。2006年5月，美国IBM研究中心在《Science》上发表了其最新研究成果：在纳米管的相关实验中探测到了光，预示着使碳纳米管发光的理想将变为现实。我国在纳米电子技术研究的基础上也开展了纳米光电子技术研究。我国纳米科技的大部分研究工作集中在硬件条件要求不太高的基础研究领域，涉及纳米主流技术高、精、尖的研究内容不多，特别是一些具有重要应用前景的技术研究比较薄弱，在纳米材料、纳米结构设计、制造和控制以及实用化方面与国际先进水平差距较大。