半导体发光与光吸收

第五章半导体中的光辐射和光吸收1. 名词解释：带间复合、杂质能级复合、激子复合、等电子陷阱复合、表面复合。

带间复合：在直接带隙的半导体材料中，位于导带底的一个电子向下跃迁，同位于价带顶的一个空穴复合，产生一个光子，其能量大小正好等于半导体材料E。

的禁带宽度g浅杂质能级复合：杂质能级有深有浅，那些位置距离导带底或价带顶很近的浅杂质能级，能与价带之间和导带之间的载流子复合为边缘发射，其光子能量总E小。

比禁带宽度g激子复合：在某些情况下，晶体中的电子和空穴可以稳定地结合在一起，形成一个中性的“准粒子”，作为一个整体存在，即“激子”。

在一定条件下，这些激子中的电子和空穴复合发光，而且效率可以相当高，其复合产生的光子能量小E。

于禁带宽度g等电子陷阱复合：由于等电子杂质的电负性和原子半径与基质原子不同，产生了一个势场，产生由核心力引起的短程作用势，从而形成载流子的束缚态，即陷阱能级，可以俘获电子或空穴，形成等电子陷阱上的束缚激子。

由于它们是局域化的，根据测不准关系，它们在动量空间的波函数相当弥散，电子和空穴的波函数有大量交叠，因而能实现准直接跃迁，从而使辐射复合几率显著提高。

表面复合：晶体表面的晶格中断，产生悬链，能够产生高浓度的深的或浅的能级，它们可以充当复合中心。

通过表面的跃迁连续进行表面复合，不会产生光子，因而是非辐射复合。

2. . 什么叫俄歇复合，俄歇复合速率与哪些因素有关？为什么长波长的InGaAsP 等材料的俄歇复合比短波长材料严重？为什么俄歇复合影响器件的J th 、温度稳定性和可靠性？ 解析：● 俄歇效应是一个有三粒子参与、涉及四个能级的非辐射复合的效应。

在半导体中，电子与空穴复合时，把能量或者动量通过碰撞转移给第三个粒子跃迁到更高能态，并与晶格反复碰撞后失去能量。

这种复合过程叫俄歇复合.整个过程中能量守恒，动量也守恒。

●半导体材料中带间俄歇复合有很多种，我们主要考虑CCHC 过程（两个导带电子与一个重空穴）和CHHS 过程（一个导带电子和两个重空穴）。

第四章半导体中的光发射
光发射是所有半导体发光器件的原点
发光Å----Æ吸收；两个互为反过程
不同之处：
--吸收可以包含材料中的所有可能的跃迁过程，光谱比较宽；
--发光只包含很小能量范围的载流子，光谱较窄（宽度>=kT）
发光要求系统处于非平衡状态，因此需要外界提供某些条件。

半导体的光发射
--van Roosbroeck-Shockley 关系--发光效率
--各类发光过程
--直接带间发光
--能带-杂质能级间发光
--施主-受主对发光
--激子复合发光
自由激子，束缚激子
n-type
D.A.Cusano, Solid State Communications2,353(1964).
M.I.Nathan and G.Burns, Appl. Phys. Lett. 1,89(1962)
作业：1）上述文献阅读；2）调查Si, Ge, GaN, ZnO任一种材料的发光随掺杂浓度（n，p两种）变化规律
光子能量(eV)。

§3.3 半导体的光吸收和光辐射在半导体中，与光有关的现象就是两点：光吸收与光辐射，这是两个相反过程，它构成光与半导体中的电子相互作用的基本内容。

在光吸收过程中，电子吸收光子能量从低能级跃迁到高能级。

而在光辐射过程中，电子从高能级跃迁至低能级，发射一个光子。

光吸收应用于探测器，光辐射应用于半导体光源。

一、 光吸收半导体中的光吸收主要有五种形式：1、本征吸收半导体吸收光子能量使价带中的电子激发到导带，此过程称为本征吸收。

结果是产生等量的自由电子和自由空穴。

本征吸收产生的条件： g E h ≥ν 既光子能量大于禁带宽度或 g E c h≥λ ν和λ为照射光的频率和波长 ∴h E g ≥ν， c g g m ev E E hc λμλ==≤)()(24.1（阈值波长） c λ只与禁带宽度有关举例： T = 300K E g (ev) c λ(μm)Ge 0.66 1.87Si 1.12 1.1GaAs 1.35 0.922、 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（或价带），此过程称为杂质吸收。

杂质吸收产生的条件：光子能量大于杂质电离能。

d E h ∆≥ν（施主电离能） n 型 a E h ∆≥ν （受主电离能） p 型阈值波长 )()(1.24m ev E E hc d d c μλ∆=∆= n 型 )()(1.24m ev E E hc a a c μλ∆=∆= p 型 一般杂质电离能比禁带宽度小很多，因此杂质吸收的阈值波长较长 ，多在红外或远红外区。

举例： )(ev E d ∆ )(ev E a ∆ )(m c μλSi:P 0.045 29Si:B 0.0439 29Ge:B 0.0104 120Ge:Au 0.053 25实际上，杂质吸收还可以由价带与施主能级之间的跃迁以及受主能级与导带之间的跃迁而产生，这两种跃迁因能级差大，需要吸收较大的光子能量。

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。

半导体激光器发光原理及工作原理激光器是一种能够产生高度聚焦的、单色、相干性极高的光束的装置。

半导体激光器是一种基于半导体材料的激光器，具有体积小、功耗低、效率高等优点，被广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。

一、半导体激光器的发光原理半导体激光器的发光原理是基于半导体材料的特性和光子的发射与吸收过程。

半导体材料中的电子能级结构决定了其能够产生激光光子的特性。

1. 能带结构半导体材料的能带结构是指材料中的电子能级分布情况。

一般来说，半导体材料的能带结构包括价带和导带。

价带中的电子是处于束缚状态的，而导带中的电子是处于自由状态的。

2. 禁带宽度禁带宽度是指价带和导带之间的能量差。

当禁带宽度较小时，电子可以通过吸收能量跃迁到导带中，产生电子空穴对。

这种跃迁过程称为光吸收。

3. 激子的形成当半导体材料中的电子从价带跃迁到导带时，会留下一个空穴。

这个空穴与电子形成了一个激子。

激子具有正电荷和负电荷的特性，可以通过与其他电子或空穴相互作用而发生复合。

4. 激光发射当激子发生复合时，会释放出能量。

如果这个能量足够大，就会产生激光光子的发射。

激光光子具有单色性、相干性和高度聚焦性，可以形成一束高质量的激光光束。

二、半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理是基于激光的放大和反射过程。

通过在半导体材料中注入电流，可以激发电子与空穴的复合，从而产生激光光子。

1. 注入电流半导体激光器通过在P型和N型半导体之间施加正向偏置电压，形成一个电流通道。

当电流通过这个通道时，会激发半导体材料中的电子与空穴的复合。

2. 激子的形成和发射注入电流激发了半导体材料中的电子与空穴的复合，形成了激子。

这些激子会通过与其他电子或空穴相互作用而发生复合，释放出能量。

如果这个能量足够大，就会产生激光光子的发射。

3. 光放大激光光子在半导体材料中来回反射，与其他激子相互作用，从而逐渐放大。

这个过程称为光放大。

通过在半导体材料中设置反射镜，可以增强激光光子的放大效果。

半导体激光器发光原理及工作原理激光器是一种能够产生高度聚焦、高强度、单色、相干性极高的光束的装置。

半导体激光器是一种基于半导体材料创造的激光器，其发光原理和工作原理是通过激发半导体材料中的电子来产生激光。

1. 发光原理：半导体激光器的发光原理基于半导体材料的能带结构。

半导体材料由导带和价带组成，两者之间存在能隙。

在材料中存在自由电子和空穴，当外加电压通过半导体材料时，电子从价带跃迁到导带，形成电子空穴对。

这些电子空穴对会在半导体材料中扩散，并且在电子和空穴重新结合时释放出能量。

2. 工作原理：半导体激光器的工作原理主要包括注入、增益和反射三个过程。

注入：在半导体激光器中，通过外部电源向半导体材料注入电流。

这个电流会导致半导体材料中的电子从价带跃迁到导带，形成电子空穴对。

这个过程称为载流子注入。

增益：注入电流产生的电子空穴对会在半导体材料中扩散并发生重新结合。

在这个过程中，电子和空穴释放出能量，产生光子。

这些光子会在半导体材料中来回反射，与其他电子和空穴发生相互作用。

当光子与电子或者空穴相互作用时，光子会被吸收，而电子和空穴则会重新激发，继续释放光子。

这个过程称为激光增益。

反射：在半导体激光器中，两个端面被制作成反射镜。

当光子在半导体材料中来回反射时，一部份光子会被反射镜反射回半导体材料中，而另一部份光子则会透过一个反射镜离开激光器。

这个过程称为光子的反射。

通过不断的注入、增益和反射过程，半导体激光器可以产生高度聚焦、高强度、单色、相干性极高的激光束。

这种激光束在许多领域有广泛的应用，包括通信、医疗、材料加工等。

需要注意的是，半导体激光器的工作原理还涉及到其他因素，如泵浦源、谐振腔等。

泵浦源提供注入电流，谐振腔用于增强激光的相干性和聚焦性。

这些因素的设计和优化对于半导体激光器的性能至关重要。

总结：半导体激光器的发光原理是通过激发半导体材料中的电子来产生激光。

工作原理包括注入、增益和反射三个过程。

注入电流导致电子从价带跃迁到导带，形成电子空穴对；增益过程中，电子和空穴的重新结合释放出能量，产生光子；反射过程中，光子在半导体材料中反射，部份光子被反射镜反射回半导体材料中，形成激光束。

半导体物理第⼗章1第l0章半导体的光电特性本章讨论光和半导体相互作⽤的⼀般规律，⽤光⼦与晶体中电⼦、原⼦的相互作⽤来研究半导体的光学过程、重点讨论光吸收、光电导和发光，以及这些效应的主要应⽤。

§10.1 半导体的光学常数⼀、折射率和吸收系数（Refractive index & Absorption coefficient ）固体与光的相互作⽤过程，通常⽤折射率、消光系数和吸收系数来表征。

在经典理论中，早已建⽴了这些参数与固体的电学常数之间的固定的关系。

1、折射率和消光系数(Extinction coefficient)按电磁波理论，折射率定义为2ωεσεi N r -= 式中，εr 和σ分别是光的传播介质的相对介电常数和电导率，ω是光的⾓频率。

显然，当σ≠0时，N 是复数，因⽽也可记为ik n N -=2 (10-1)两式相⽐，可知222,ωεσε==-nk k n r (10-2) 式中，复折射率N 的实部n 就是通常所说的折射率，是真空光速c 与光波在媒质中的传播速度v 之⽐；k 称为消光系数，是⼀个表征光能衰减程度的参量。

这就是说，光作为⼀种电磁辐射，当其在不带电的、σ≠0的各问同性导电媒质中沿x ⽅向传播时，其传播速度决定于复折射率的实部，为c/n ；其振幅在传播过程中按exp(-ωkx /c )的形式衰减，光的强度I 0则按exp(-2ωkx /c)衰减，即)2exp(0ckx I I ω-= (10-3) 2、吸收系数光在介质中传播⽽有衰减，说明介质对光有吸收。

⽤透射法测定光在介质中传播的衰减情况时，发现介质中光的衰减率与光的强度成正⽐，即I dxdI α-= ⽐例系数α的⼤⼩和光的强度⽆关，称为光的吸收系数。

对上式积分得x e I I α-=0 (10-4)上式反映出α的物理含义是：当光在媒质中传播1/α距离时，其能量减弱到只有原来的1/e 。

将式(10-3)与式(10-4)相⽐，知吸收系数λπωαk c k 42==式中λ是⾃由空间中光的波长。