2第十章-半导体的光学性质和光电_...

束缚在杂质能级上的电子或空穴也可以引起光的吸收。

电子可以吸收光子跃迁到导带能级；光电导灵敏度一般定义为单位光照度所引起的光电导。

复合和陷阱效应对光电导的影响少数载流子陷阱作用多数载流子陷阱作用本征光电导的光谱分布指对应于不同的波长，光电导响应灵敏度的变化关系。

杂质光电导对于杂质半导体，光照使束缚于杂质能级上的电子或空穴电离，因而增加了导带或价带的载流子浓度，产生杂质光电导。

4半导体的光生伏特效应当用适当波长的光照射非均匀半导体（pn结等）时，由于内建电场的作用（不加外电场），半导体内部产生电动势（光生电压）；如将pn结短路，则会出现电流（光生电流）。

这种由内建场引起的光电效应，称为光生伏特效应。

pn结的光生伏特效应由于pn结势垒区内存在较强的内建场（自n区指向p区），结两边的光生少数载流子受该场的作用，各自向相反方向运动：p区的电子穿过pn结进入n区；n区的空穴进入p区，使p端电势升高，n端电势降低，于是pn结两端形成了光生电动势，这就是pn结的光生伏特效应。

光电池的电流电压特性5半导体发光1.处于激发态的电子可以向较低的能级跃迁，以光辐射的形式释放能量。

也就是电子从高能级向低能级跃迁，伴随着发射光子。

这就是半导体的发光现象。

2.产生光子发射的主要条件是系统必须处于非平衡状态，即在半导体内需要有某种激发过程存在，通过非平衡载流子的复合，才能形成发光。

3.发光过程：电致发光（场致发光）、光致发光和阴极发光。

其中电致发光是由电流（电场）激发载流子，是电能直接转变为光能的过程。

辐射跃迁从高能态到低能态：1.有杂质或缺陷参与的跃迁2.带与带之间的跃迁3.热载流子在带内跃迁上面提到，电子从高能级向较低能级跃迁时，必须释放一定的能量。

如跃迁过程伴随着放出光子，这种跃迁称为辐射跃迁。

半导体光学知识点总结引言半导体光学是研究半导体材料在光学领域的特性和应用的一门学科。

半导体光学已经成为现代光电子技术的重要组成部分，其在通信、能源、医疗、显示和传感等领域的应用迅速发展。

深入了解半导体光学的相关知识对于从事光电子技术研究或应用的人员来说是非常重要的。

本文将对半导体光学的相关知识点进行总结和介绍。

半导体基本概念半导体是介于导体和绝缘体之间的一种物质，其导电性介于导体和绝缘体之间。

半导体的光学性质与其电学性质密切相关，在光学应用中，半导体通常表现出反射、折射、散射、吸收、发射等光学现象。

半导体光学的研究对象主要是半导体材料的光学特性和其在光电子器件中的应用。

半导体的能带结构半导体的能带结构是半导体光学研究的基础。

半导体的能带结构决定了其在光学波段的吸收和发射特性。

半导体的能带结构一般由价带和导带组成，其中价带是半满的，在室温下几乎没有电子在从价带跃迁到导带的过程，故而半导体的光学吸收主要发生在导带和价带之间的能隙范围内。

由于不同的半导体材料在能带结构上的差异，其在光学吸收和发射特性上也表现出不同的特点。

半导体的光学吸收半导体的光学吸收是指半导体材料对光子的吸收现象。

当半导体材料受到光子的照射时，其导带和价带之间的电子可能发生跃迁，从而使半导体吸收光子的能量。

半导体的光学吸收与其能带宽度、禁带隙等参数密切相关。

在光学通信、激光器、太阳能电池等领域，半导体的光学吸收是一个非常重要的性能指标。

半导体的光致发光半导体材料在一定条件下也可以发生光致发光的现象。

当半导体材料处于激发态时，其导带和价带之间的电子发生跃迁并再次返回基态时，可能会通过发射光子的方式释放出光能。

这种光致发光现象已经在LED、激光器等光电子器件中得到广泛应用，其发光波长和发光强度与半导体材料的能带结构、掺杂情况等密切相关。

半导体的光电子器件近年来，半导体光学在光电子器件领域得到了广泛应用。

例如，半导体激光器、LED、太阳能电池、光学通信器件等，这些半导体光电子器件在通信、能源、医疗、显示等领域都得到了广泛的应用。

第10章 半导体的光学性质和光电与发光现象补充题：对厚度为d 、折射率为n 的均匀半导体薄片，考虑界面对入射光的多次反射，试推导其总透射率T 的表达式，并由此解出用透射率测试结果计算材料对光的吸收系数α的公式。

解：对上图所示的一个夹在空气中的半导体薄片，设其厚度为d ，薄片与空气的两个界面具有相同的反射率R 。

当有波长为λ、强度为I 0的单色光自晶片右侧垂直入射，在界面处反射掉I 0R 部分后，其剩余部分(1－R)I 0进入薄片向左侧传播。

设材料对入射光的吸收系数为α ，则光在薄片中一边传播一边按指数规律exp(－αx )衰减，到达左边边界时其强度业已衰减为（1－R)I 0exp(-αd )。

这个强度的光在这里分为两部分：一部分为反射光，其强度为R(1－R)I 0exp(-αd )；另一部分为透出界面的初级透射光，其强度为(1－R)2I 0exp(-αd )。

左边界的初级反射光经过晶片的吸收返回右边界时，其强度为R(1－R)I 0exp(-2αd )，这部分光在右边界的内侧再次分为反射光和透射光两部分，其反射光强度为R 2(1－R)I 0exp(-2αd )，反射回到左边界时再次被衰减了exp(-αd )倍，即其强度衰减为R 2(1－R)I 0exp(-3αd )。

这部分光在左边界再次分为两部分，其R 2(1－R)2I 0exp(-3αd )部分透出晶片，成为次级透射光。

如此类推，多次反射产生的各级透射光的强度构成了一个以 (1－R)2I 0exp(-αd )为首项，R 2exp(-2αd )为公共比的等比数列。

于是，在左边界外测量到的总透过率可用等比数列求和的公式表示为()22211d id i Re T T R e αα---==-∑由上式可反解出用薄片的透射率测试值求材料吸收吸收的如下计算公式410ln()2A d Tα-+=- 式中，薄片厚度d 的单位为μm ，吸收系数α的单位为cm -1，参数A ，B 分别为21R A R -⎛⎫= ⎪⎝⎭；21R B =空气 薄片 空气入射光I 0 反射光I 0R1.一棒状光电导体长为l ，截面积为S 。

半导体的光学性质如果用适当波长的光照射半导体,那么电子在吸收了光子后将由价带跃迁到导带，而在价带上留下一个空穴，这种现象称为光吸收。

半导体材料吸收光子能量转换成电能是光电器件的工作基础。

光垂直入射到半导体表面时，进入到半导体内的光强遵照吸收定律：()01x x I I r e α-=-式中，x I 表示距离表面x 远处的光强；0I 为入射光强；r 为材料表面的反射率；α为材料吸收系数，与材料、入射光波长等因素有关.1 本征吸收半导体吸收光子的能量使价带中的电子激发到导带，在价带中留下空穴，产生等量的电子与空穴，这种吸收过程叫本征吸收.要发生本征光吸收必须满足能量守恒定律,也就是被吸收光子的能量要大于禁带宽度g E ,即g h E ν≥，从而有：00 1.24g g g E h hc E m eV E νλμ≥⇒≤=⋅其中h 是普朗克常量，ν是光的频率．c 是光速，ν0：材料的频率阈值，λ0：材料的波长阈值，下表列出了常见半导体材料的波长阀值。

几种重要半导体材料的波长阈值电子被光激发到导带而在价带中留下一个空穴，这种状态是不稳定的，由此产生的电子、空穴称为非平衡载流子。

隔了一定时间后，电子将会从导带跃迁回价带,同时发射出一个光子，光子的能量也由上式决定，这种现象称为光发射。

光发射现象有许多的应用,如半导体发光管、半导体激光器都是利用光发射原理制成的,只不过其中非平衡载流子不是由光激发产生，而是由电注入产生的。

发光管、激光器发射光的波长主要由所用材料的禁带宽度决定，如半导体红色发光管是由GaP 晶体制成，而光纤通讯用的长波长（1。

5μm ）激光器则是由Ga x In 1-x As 或Ga x In 1-x As y P 1—y 合金制成的。

2非本征吸收非本征吸收包括杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收和晶格吸收等.2.1杂质吸收杂质能级上的电子(或空穴）吸收光子能量从杂质能级跃迁到导带（空穴跃迁到价带)，这种吸收称为杂质吸收。

第十章半导体的光学性质10．1 理论概要与重点分析(1)半导体与光的相互作用可以用一些光学常数来描写。

①光进入半导体要发生折射，用折射率来描写，定义其复折射率跃迁前后，电子有各自的波矢，设跃迁前电子在价带中的波矢为k，跃迁后在导带中为k'。

如果k'=k (10．10) 即跃迁前后的准动量不发生变化的跃迁，在能带图上是竖直的称为直接跃迁，这种跃迁对直接带隙半导体(如GaAs)一开始本征吸收就是直接跃迁。

由于它仅限于电子和光子的相互作用，而不需要第三者参与，所以其吸收效率是很高的，吸收系数可达104～106cm-1。

如果吸收前后电子的波矢不等，在吸收光子能量达到能量守恒的同时，必须吸收或发射一个声子，即k'-k=±q (10．11) 以达到动量守恒。

其中q为格波声子波矢。

这种跃迁在能带图上是非竖直的，因而称为间接跃迁。

发生间接跃迁，必须要声子参与，是一个二级过程。

因此它的吸收效率要低一些，吸收系数一般在1～103cm-1的量级，例如Ge，Si等间接带隙半导体，刚达长波限的光子发生的本征吸收必须声子参与才能实现这种跃迁。

式(10．10)和式(10．11)分别是直接和间接跃迁的选择定则。

本征吸收的特点是：电子一空穴成对产生，要产生附加光电导，有明显的长波限，吸收短于长波限的连续光谱，吸收满足选择定则。

②激子吸收。

吸收λ以外长波方向的线状谱，不产生附加光电导，在低温、高纯半导体中才能观察到。

③自由载流子吸收。

在同一能带中，电子吸收光子从低能级跃迁到高能级。

发生在红外长波方面，波长越长吸收系数越大，电子的波矢要发生改变。

熟知的半导体，Ge、Si、GaAs等，价带有三个重叠的能带组成。

对p型半导体，自由载流子红外吸收光谱，有三个直接跃迁的吸收峰，对这种现象的分析，实际上是确定价带具有重叠结构的重要依据。

④杂质吸收。

在杂质能级上的电子吸收光子跃入导带，价带电子跃入杂质能级，受主电子跃入电离施主等多种形式。