半导体光学3
半导体的光学性质
半导体的能带结 构：具有导带和 价带导带中的电 子可以自由移动 价带中的电子被 束缚在原子核周
围
半导体的载流子： 包括电子和空穴 电子是导电的主 要载流子空穴是
辅助载流子
半导体的电导率： 与温度、光照、 磁场等因素有关 可以通过改变这 些因素来调节半
导体的电导率
半导体的光学性 质
半导体的光吸收
半导体太阳能电池的发展 趋势
半导体显示技术
半导体显示技术是利用半导体材料 制作显示器的技术
半导体显示技术具有高亮度、高对 比度、低功耗等优点
添加标题
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添加标题Biblioteka 添加标题半导体显示技术包括LCD、OLED、 LED等
半导体显示技术广泛应用于手机、 电视、电脑等电子产品
半导体光学性质 的研究进展
半导体的光学性质
汇报人：
目录
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01
半导体的基本特性
02
半导体的光学性质
03
半导体光学性质的应用
04
半导体光学性质的研究进 展
05
添加章节标题
半导体的基本特 性
半导体的定义
半导体是一种介 于导体和绝缘体 之间的材料
半导体的导电性 能可以通过掺杂 来控制
半导体的导电性 能受温度、光照 等环境因素影响
半导体的光吸收特性：半导体对光的吸收能力与其材料性质、结构、尺寸等因素有关 光吸收原理：半导体中的电子吸收光子能量后从价带跃迁到导带形成电子-空穴对
光吸收应用：半导体的光吸收特性在光电转换、太阳能电池、光电探测器等领域有广泛应用
光吸收效率：半导体的光吸收效率与其材料、结构、尺寸等因素有关可以通过优化设计提高光吸收效率
光电导效应：半导体在光照 下产生电流的现象
半导体物理第十章半导体的光学性质
吸收 自发吸收
受激辐射：
当处于激发态(E2)的原子收到另一个能量为(E2-E1)的光子 作用时，受激原子立刻跃迁到基态E1,并发射一个能量也 为(E2-E1)的光子。这种在光辐射的刺激下，受激原子从激 发态向基态跃迁的辐射过程，成为受激辐射。 受激辐射光子的全部特性（频率，位相，方向和偏振态等 与入射光子完全相同。 受激辐射过程中，一个入射光子能产生两个相位，同频率 的光子
透过一定厚度d的媒质(两个界面）：
T = (1− R)2 e−αd
如：玻璃，消光系数k=0 T=(1-R)2=0.962~92%
10.2 半导体的光吸收
本征吸收 直接跃迁，间接跃迁 其他吸收过程
10.2.1 本征吸收
本征吸收： 电子吸收光子由价带激发到导带的过程
条件：
hω ≥ hω0 = Eg
反射系数
R = ( n1 − n2 )2 n1 + n2
= ( n −1− ik )2 n +1− ik
=
(n −1)2 + k 2 (n +1)2 + k 2
玻璃折射率为 n~1.5，k~0, 反射率R~4% 如某一材料 n~4, k~0, 反射率为 R~36%
透射系数，透过某一界面的光的能流密度比值： T=1-R
把处于激发态E2的原子数大于处于基态E1的原子数的这种 反常情况，成为“分布反转”或“粒子数反转”。
要产生激光，必须在系统中造成粒子数反转。
粒子数反转条件
为了提高注入效率 异质结发光： PN结两边禁带宽度不等，势垒不对称。 空穴能注入N区，而电子不能注入P区。 P区为注入区，N区为发光区。
半导体光学
06
半导体光学技术的未来发展趋势与挑战
半导体光学技术的研究前沿及发展方向
研究前沿
• 新型半导体材料：研究具有优异光学性能的新型半导体材料 • 量子光学：研究半导体材料中的量子光学效应和量子信息处理 • 光子集成：研究半导体光子学器件的高集成度和多功能化
发展方向
• 宽带光源：实现宽频响应、高功率、高效率的半导体光源 • 激光雷达：研究基于半导体激光器的激光雷达技术，实现高精度、高灵敏度的距离和速度 测量 • 机器学习与光子学：结合人工智能技术，实现半导体光子学器件的智能化控制和优化
半导体光电子器件的技术进展及发展趋势
发展趋势
• 集成化：将光电子器件与其他光电子器件集成在同一芯片上，降低成本，提高系统性能 • 智能化：通过引入人工智能技术，实现光电子器件的智能化控制和优化 • 多波长、可调谐：通过拓宽光电子器件的波长范围，实现多波长、可调谐的光信号处理
技术进展
• 高灵敏度：通过改进材料结构和工艺，提高光电子器件的灵敏度 • 高速响应：通过优化器件设计和工艺，实现光电子器件的高速响应 • 宽频响应：通过改进材料特性和器件结构，实现光电子器件的宽频响应
半导体激光器的技术进展及发展趋势
技术进展
• 高功率、高效率：通过优化激光器结构和材料，实现高功率、高效率的激光输出 • 窄线宽、单频：通过光栅结构和光纤耦合技术，实现窄线宽、单频的激光输出 • 长寿命、可靠性：通过改进制造工艺和封装技术，提高激光器的寿命和可靠性
发展趋势
• 集成化：将激光器与其他光电子器件集成在同一芯片上，降低成本，提高系统性能 • 智能化：通过引入人工智能技术，实现激光器的智能化控制和优化 • 多波长、可调谐：通过拓宽激光器的波长范围，实现多波长、可调谐的激光输出
半导体物理-第10章-半导体的光学性质
光电导的弛豫时间越短，光电导的定态值也越小（即灵敏 度越低）
10.2.3 复合中心和陷阱对光电 导的影响
高阻光电材料中典型的 复合中心对光电导的影响。 这样的材料对光电导起决定 作用的是非平衡多数载流 子，因为非平衡少数载流子 被陷在复合中心上，等待与 多数载流子的复合。
复合中心和多数载 流子陷阱作用。延 长了光电导的上升 和下降的驰豫时间， 降低了定态光电导 灵敏度。
4. 晶格吸收
半导体晶格热振动也可引起对光的吸收，光子能量直接 转变为晶格热振动的能量，使半导体的温度升高，这样的 光吸收过程称为晶格吸收。晶格吸收光谱在远红外范围， 对于离子晶体或离子性晶体具有较明显的晶格吸收作用
10.2 半导体的光电导 10.2.1 光电导的描述
光照射半导体，使其电导率改变的现象为光电导效应。 （1）本征光电导：本征吸收引起载流子数目变化。 （2）杂质光电导：杂质吸收引起载流子数目变化。
这种自由载流子吸收光子之后，实际上是在同一能带中发 生不同状态之间的跃迁，因此吸收的光子能量不需要很大， 所以吸收光谱一般在红外范围
3. 杂质吸收
当温度较低时，半导体施主能级上束缚的电子（或受 主能级上束缚的空穴）没有电离，被束缚的电子（或被 束缚的空穴）吸收光子的能量之后，可激发到导带（或 价带）中去，这样的光吸收过程称为杂质吸收。
2 光电池的电流-电压特性
金属和p型半导体接触阻挡层的光致电流为
IL
qAN0
1
Ln
exp
d
式中：A为接触面积；N0为在单位时间内单位接触面 积从表面到扩散区内产生的电子-空穴对数；λ为入 射光平均深入的距离；d为耗尽宽度
P-n结光致电流表示
IL qQA Lp Ln
电子信息技术：半导体VS光学
电子信息技术：半导体VS光学当前的科技发展和信息时代，电子信息技术已经成为人们生产、生活、学习和社交等方面的必不可少的一部分，而其中最关键的两个领域之一就是半导体和光学技术。
在如今的世界中，这两个技术的应用已经无所不在，它们对现代高科技的发展起着至关重要的作用。
本文将着重探讨半导体和光学这两个方面的技术在电子信息行业的现状、发展趋势和应用领域。
一、半导体技术的现状和趋势半导体技术，是指利用半导体材料的独特性质来进行电路设计和制造，从而实现电子器件的工业生产。
半导体技术不仅极大地改变了人们生产和生活中的很多方面，而且也是信息技术领域中最重要的一项技术。
目前，半导体技术的应用日益广泛。
随着计算机技术和移动互联网的发展，半导体技术的需求不断增加。
传统电子设备中的晶体管、放大器、隔离器、反相器等核心部件和集成电路、L E D等领域，都离不开半导体器件的应用。
而随着物联网技术的发展以及智能家居、新能源汽车、5G通信技术等诸多领域的需求，半导体技术也将得到进一步的拓展和应用。
需要注意的是，在现有的半导体技术中，集成电路为代表的数字集成电路技术已经发展到了十分成熟的阶段，因此我们需要进一步探索新的方向和技术，才可以满足未来的发展需求。
其中，主要是以前沿集成电路为代表的硅光子技术，将在未来得到广泛的应用。
硅光子技术可以利用微纳米加工技术把光波导与半导体器件相结合，将电子与光子协同工作，使数据传输速度更快、能耗更低，而且可以有效降低信号传输误差，实现半导体技术和光学技术的无缝融合。
二、光学技术的现状和趋势光学技术是通过设计和制造光学元器件，对光的运动和传输进行研究和应用的一项技术。
与半导体技术不同，光学技术相对来说还是一种较为新兴的技术。
但是，随着新的需求和光学技术的发展，它已经在如今的世界中崭露头角，在诸多领域展现出越来越多的应用前景。
对于光学技术的应用，我们可以从三个方面来进一步探讨。
首先，光学技术在通信领域得到了广泛的应用。
半导体的光学性质和光电与发光现象
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。
探究半导体材料的光学性质
探究半导体材料的光学性质半导体材料是一类具有介于导体和绝缘体之间的电学特性的材料。
在现代科技中，半导体材料被广泛应用于光电、通讯、电子设备等领域，成为现代科技的重要支撑。
而半导体材料的光学性质也成为人们广泛关注和研究的话题，本文就来探究一下半导体材料的光学性质。
一、半导体材料的基本概念半导体材料是指那些导电性介于导体和绝缘体之间的材料。
这种材料的样品通常用短缩写法表示，如：Si、Ge、GaAs、InP等。
半导体材料的电导率介于导体和绝缘体的数值之间，其值受结晶质量、温度和掺杂等因素的影响。
半导体材料中近满带和近空带之间的能隙是半导体材料的最重要的特性之一，能隙越小，半导体的导电性越强。
例如：锗材料的能隙为0.7eV，比硅材料(1.1eV)小，所以锗材料的导电性也较强。
二、半导体材料的光学性质1、折射率光线在穿过任何介质时都会发生折射，而折射率是描述折射程度的物理量。
半导体材料的折射率随着光波长的不同而发生变化。
半导体材料的折射率与其能隙大小相关。
例如，Si的能隙较小，其折射率较高。
相反，Ge具有较大的能隙，其折射率也较小。
2、吸收系数吸收系数是描述介质吸收光能的能力的物理量，反映了介质与光的相互作用强度。
半导体材料的吸收系数与其半导体能带结构和激子状态有关。
激子可以形成在半导体的能带间，使得半导体的吸收系数增强，并在一定程度上控制了半导体的光学响应。
3、反射率反射率是指光线从介质表面反射回来的光强度与入射光线光强度之比。
半导体材料的反射率通常与其表面状态、入射光波长和金属层组合等因素相关。
在光电器件中，半导体材料的反射率是一个重要的设计参数，可以影响光电器件的性能。
4、发光性质半导体材料具有发光性质，是光电器件技术中的一项关键技术。
在半导体中，激子可以被激发成为激子激发态，并释放出能量。
这种能量在形成光子的过程中被释放出来，从而产生光。
半导体材料的发光特性与其能带结构、激子状态和材料的组成有关。
半导体的光学性质
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。
半导体物理与器件第三版)课后练习题含答案
半导体物理与器件第三版课后练习题含答案1. 对于p型半导体和n型半导体，请回答以下问题：a. 哪些原子的掺入能够形成p型半导体？掺入三价元素（如硼、铝等）能够形成p型半导体。
b. 哪些原子的掺入能够形成n型半导体？掺入五价元素（如磷、砷等）能够形成n型半导体。
c. 请说明掺杂浓度对于导电性有何影响？掺杂浓度越高，导电性越强。
因为高浓度的杂质能够带来更多的杂质离子和电子，从而提高了载流子浓度，增强了半导体的导电性。
d. 在p型半导体中，哪些能级是占据态，哪些是空的？在p型半导体中，价带能级是占据态，而导带能级是空的。
e. 在n型半导体中，哪些能级是占据态，哪些是空的？在n型半导体中，导带能级是占据态，而价带能级是空的。
2. 硅p-n结的温度系数是大于零还是小于零？请解释原因。
硅p-n结的温度系数是负的。
这是因为在给定的工作温度下，少子寿命的下降速率与载流子浓度的增长速率之间存在一个平衡。
当温度升高时，载流子浓度增长的速率加快，因而少子寿命下降的速率也会变大。
这一现象会导致整体导电性下降，即硅p-n结中的电流减少。
因此，硅p-n结的温度系数为负。
3. 在半导体器件中，为什么p-n结击穿电压很重要？请简要解释。
p-n结击穿电压是指在一个p-n结器件中施加的足以导致电流大幅增加的电压。
在普通的工作条件下，p-n结是一个非导电状态，而电流仅仅是由热激发和少数载流子扩散引起。
但是，当施加的电压超过了击穿电压时，大量的载流子会被电流激发和扩散，从而导致电流剧增，从而损坏器件或者破坏电路的运行。
因此，掌握p-n结的击穿电压非常重要，可以保证器件稳定和电路的可靠性。
半导体的光学性质
30
9.4.1 自由载流子吸收
《半导体20物21理/3学/2简9 明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
31
图9.10 Ge的价带子带间跃迁
子带间跃迁是自由载流子跃迁的另一种类型。吸收谱 有明显精细结构。P型半导体,价带顶被空穴占据时,可 以引起三种光吸收的过程。图中V1为重空穴带,V2为轻 空穴带,V3为自旋劈裂带。过程a为V2→V1的跃迁,过程b 为V3→V1的跃迁,过程c为V3→V2的跃迁。
8
9.2 本 征 吸 收
c
hc
h
1.24
h (eV)
[μm]
《半导体20物21理/3学/2简9 明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
9
9.2 本 征 吸 收
半导体材料吸收光子能量使电子从能量较低的状态跃 迁到能量较高的状态。这些跃迁可以发生在: ➢ (a)不同能带的状态之间; ➢ (b)、(c)、(e)禁带中分立能级和能带的状态之间; ➢ (d)禁带中分立能级的不同状态之间; ➢ (f)同一能带的不同状态之间; ……它们引起不同的光吸收过程。
20世纪50年代对吸收光谱的研究所取得的最重要的进 展是,区别了直接带隙半导体和间接带隙半导体,并测量 了一些重要的能带参数。通过对微波范围的共振吸收 —回旋共振,相当直接地证明了Ge、Si的导带的多谷结 构。与此同时,准确地测量了有效质量。 20世纪60年代以来,相继对许多半导体的反射光谱进行 了研究,配合理论计算,对半导体的能带结构取得了相当 系统的认识。
B( 0,
Eg )1/ 2 ,
Eg Eg
d C( Eg )3/ 2
《半导体20物21理/3学/2简9 明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
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图9.5 直接跃迁吸收系数与光子能量的关系曲线
半导体量测 光学技术原理
半导体量测光学技术原理半导体材料作为现代电子与光电器件的核心材料，其性能的量测是非常重要的。
在半导体材料的量测中，光学技术被广泛应用，包括吸收光谱、荧光光谱、拉曼光谱、椭偏光谱等等。
下面将详细介绍光学技术在半导体材料性能量测中的原理和应用。
1. 吸收光谱技术吸收光谱技术是通过测量样品对特定波长光的吸收程度来获取样品的能隙、载流子浓度、掺杂类型和掺杂浓度等信息。
在半导体材料中，吸收光谱技术可以用于研究材料的能带结构、电子态密度、禁带宽度等重要参数。
典型的吸收光谱仪包括紫外可见光吸收光谱仪和光致发光光谱仪。
通过不同波长的激发光照射样品，测量其吸收光谱，可以获取材料的能带结构和能带宽度信息，这对半导体材料的性能评估和器件设计具有重要意义。
2. 荧光光谱技术荧光光谱技术是一种高灵敏度的光学测量技术，通过测量样品在受激发后发出的荧光来获取材料的结构、表面缺陷、杂质和非均匀性等信息。
在半导体材料的量测中，荧光光谱技术常用于研究材料的表面和界面缺陷，以及掺杂杂质和非均匀性对材料性能的影响。
荧光光谱还可用于研究半导体材料的载流子重组和辐射过程，对半导体材料的发光性能和激光器件的设计具有重要意义。
3. 拉曼光谱技术拉曼光谱技术是通过测量样品散射光的频率变化来获取材料的晶格结构、应力状态、晶格振动和光学特性等信息。
在半导体材料的量测中，拉曼光谱技术能够非常精准地测量材料的应变、应力和晶格结构等参数，对半导体器件的制备工艺和性能优化具有非常重要的意义。
4. 椭偏光谱技术椭偏光谱技术是通过测量样品对不同偏振光的反射、透射和吸收来获取材料的光学性质、电子能态、表面形貌以及掺杂情况等信息。
在半导体材料的量测中，椭偏光谱技术可以用于研究材料的光学吸收、折射率、复介电常数、电子结构和输运性质等关键参数。
光学技术在半导体材料的量测中具有重要的应用价值，通过吸收光谱、荧光光谱、拉曼光谱和椭偏光谱等技术，可以获取材料的结构、光学性质、电子结构、表面缺陷和掺杂状况等重要信息，为半导体材料的研究与应用提供了强有力的手段。
1.3PN结,半导体的光学性质
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20
15
PN 结的单向导电性
正偏导通，呈小电阻，电流较大;
反偏截止，电阻很大，具有很小的反
向漂移电流，电流近似为零。
由此可以得出结论： PN结具有单向导电性。
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16
PN结的伏安特性
1）表达式：
I D I S (e
u /UT
1)
kT UT q
当 T = 300(27C) UT = 26 mV
PN结外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电 场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻 碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移 电流的影响，PN结呈现低阻性。
LOGO
13
(2) 外加反向电压(反向偏置) IR
P区 N区 内电场 外电场
IR = I少子 0
P区
N区
内电场 外电场
齐纳击穿： 对掺杂浓度高的半导体，PN 结的耗尽层很薄，只要加入不 IR 大的反向电压（U<6V），耗 尽层可获得很大的场强，足以 将价电子从共价键中拉出来， 而获得更多的电子空穴对，使 反向电流骤增。 反向电场太强，将电子强行拉 出共价键。 (击穿电压 < 6V, 负温度系数)
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7
P
N
P
空间电荷区
N
(a)
内电场 UB (b)
半导体物理 半导体的光学性质
的物理意义：光在介质中传播距离为 1 时，光的强度
衰减到原来的 1 e 。
➢ 反射率与透射率的关系：
T 1-R
R：反射率 T：透射率
(10.11)
§10.2 本征吸收
一、光在电介质中传播时强度衰减的现象，称 为光吸收
电子吸收光子能量后 将跃迁
（即能量状态改变）
1.不同能带的状态之间； 2.同一能带的不同状态之间； 3.禁带中能级与能带之间。
2.间接禁带半导体中，仍可能发生直接跃迁。Ge吸收谱 的肩形结构的解释，P306，图10.8。
3.重掺杂半导体（如n型），Ef进入导带，低温时，Ef以 下能级被电子占据，价带电子只能跃迁到Ef以上的状态，因而 本征吸收长波限蓝移，即伯斯坦移动(Burstein-Moss效应)。
4.强电场作用下，能带倾斜，小于Eg的光子可通过光子 诱导的隧道效应发生本征跃迁，既本征吸收长波限红移，即弗 朗兹-克尔德什（Franz-Keldysh）效应。
A
矢保持不变，则原来在价带中的状态A的电子
只能跃迁到导带中的状态B。A与B在E(k)曲线
0
k 上位于同一垂线上，因而这种跃迁称为直接跃
迁。在A到B直接跃迁中所吸收光子的能量与图
中垂直距离AB相对应。显然，对应于不同的k，垂直距离各不相
等。即，相当于任何一个k值的不同能量的光子都有可能被吸收，
而吸收的光子最小能量应等于禁带宽度Eg。由此可见，本征吸收
电子、光子和声子共同参与跃迁过程。
能量守恒：h E p E f Ei Eg 动量守恒：h / q k f ki
E
0
S Ef
声子角频率：
：
p
10
13
Hz，E p
金属和半导体纳米颗粒的三阶非线性光学特性研究
金属和半导体纳米颗粒的三阶非线性光学特性研究标题1：引言在本文中，我们将重点研究金属和半导体纳米颗粒的三阶非线性光学特性。
这个领域的研究可以应用于许多实际应用，比如光通信、光储存和光计算等。
在这一领域的研究中，纳米颗粒的尺寸和形状可以对其三阶非线性光学特性产生重要影响。
本文将介绍该领域的基本理论和实验方法，探索纳米颗粒的尺寸和形状对其三阶非线性光学特性的影响，并提出一些应用前景和研究展望。
在介绍本文研究内容之前，我们将先对本文的研究背景和研究意义进行简要介绍。
我们将讨论纳米颗粒在三阶非线性光学中的应用前景，以及该领域的研究现状和主要瓶颈。
随着科学技术的不断发展，纳米颗粒的研究正逐步进入一个新的阶段，其在光学和电子学领域的应用前景也越来越受到人们的关注。
因此，本文的研究对于推进该领域的发展具有重要意义。
关于引言的毕业总结：在引言部分，我们介绍了本文研究的背景和意义。
我们阐述了纳米颗粒在三阶非线性光学中的应用前景，并介绍了本文的研究目的和主要内容的概述。
这一部分的任务是引导读者进入本文的研究主题并建立起对该领域的认识和理解。
同时，在编写引言的过程中，我们也必须对之前的研究工作进行归纳和总结，以便更好地阐述我们的研究思路和贡献。
标题2：纳米颗粒的制备和表征方法纳米颗粒的尺寸和形状可以对其三阶非线性光学特性产生重要影响。
因此，为了研究纳米颗粒的三阶非线性光学特性，我们需要对其进行制备和表征。
在本章节中，我们将介绍纳米颗粒的制备和表征方法，包括物理化学制备方法、热处理法制备方法、化学还原法制备方法等。
同时，我们也将讨论如何对纳米颗粒的形貌、大小等物理化学性质进行表征，包括透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等实验方法。
在本章节的撰写过程中，我们需要详细介绍物理化学制备方法、热处理法制备方法、化学还原法制备方法的具体操作步骤和影响制备质量的因素。
在纳米颗粒的表征方面，我们需要介绍各种物理化学性质测量方法的基本原理和应用范围。
半导体光学
半导体光学教材：《半导体光学(Semiconductor Optics) 》，C.F.Klingshirn编著，科学出版社影印，2007年中文参考书：1.《半导体光谱和光学性质》，沈学础著，科学出版社，2002年2.《固体光谱学》，方容川编著，中国科学大学出版社，2003年3.《发光学与发光材料》，徐叙瑢，苏勉曾主编，化学工业出版社，2004年英文参考书：1. N. Peyghambarian, S.W. Koch, and A. Mysyrowicz: Introduction toSemiconductor Optics (Prentice-Hall, New Jersey, 1993).2 M. Fox, “Optical properties of Solids” (Oxford University Press, 2003)3. P. Yu and M. Cardona, Fundamentals of semiconductors: physics andmaterial properties, (Springer, Berlin, 1999)课程前期基础前期物理课程如下（常识性了解）：原子物理学元素周期表、核外电子的量子态描述、电子组态、光谱项等概念量子力学薛定谔方程、本征态、本征能级、平面波解、氢原子解、谐振子解等固体物理学（定性、非常浅）周期性结构、晶格振动、能带论等基本概念电磁学Maxwell方程、电磁波的传播行为等什么是半导体？• 字面理解：介于导体和绝缘体之间的物质不够确切！工科电路理解：各类半导体器件# 明确两点：1、p，n载流子的概念2、可以表达0，1* 物理理解：固体物理的概念说来话长了。
什么是固体物理？？核心观点：能带理论，存在电子结构。
什么是半导体光学？粗浅理解：利用半导体能带结构进行光的发射或吸收！复杂理解：半导体内部电子结构对光的一种响应研究，从基态和激发态之间的跳跃。
半导体光学
半导体光学是一门研究以半导体材料为基础的光学技术的学科。
它研究利用半导体材料的特性来设计、制造和应用光学元件，以及研究半导体光子学。
半导体光学技术的发展可以追溯到20世纪50年代，当时研究者开发出了半导体激光器，这是第一个基于半导体材料的光学元件。
半导体光学技术的发展使得能够利用半导体材料的特性，设计和制造出各种光学元件，从而实现各种光学功能。
例如，可以利用半导体材料的发光特性，设计和制造出激光器、发光二极管、光敏电阻器等。
另外，半导体材料的吸收特性也可以用来制造光学元件，如滤光片、窗口等。
此外，半导体光学技术也可以用于研究半导体光子学，如量子点、量子线、量子层等。
这些研究结果可以用于设计和制造新型的光学元件，如量子点激光器、量子线激光器等。
因此，半导体光学技术是一门具有广泛应用前景的学科，它可以用来设计和制造各种光学元件，也可以用来研究半导体光子学，从而实现新型光学功能。
半导体光学技术的发展也为更多新型光学应用提供了可能性。
例如，可以利用半导体材料的发光特性，设计和制造出更小型、更轻巧的光学元件，从而实现更多的光学功能。
此外，半导体光学技术也可以用于研究新型的光学系统，如光纤通信系统、光学显示器等。
此外，半导体光学技术还可以用于制造特殊的光学元件，如微型的激光器、光学滤波器、光栅等，以及用于生物医学检测的光学元件，如激光扫描显微镜、激光分子镜等。
总之，半导体光学技术的发展为更多新型光学应用提供了可能性，它可以用来设计和制造更小型、更轻巧的光学元件，以及研究新型的光学系统，并可以用于制造特殊的光学元件，为光学应用提供新的可能性。
半导体的光学常数
第l0章 半导体得光电特性本章讨论光和半导体相互作用得一般规律,用光子与晶体中电子、原子得相互作用来研究半导体得光学过程、重点讨论光吸收、光电导和发光,以及这些效应得主要应用。
§10、1 半导体得光学常数一、折射率和吸收系数(R ｅf ｒact ｉve index & Absorpti ｏn coeff ｉｃient) 固体与光得相互作用过程,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得电学常数之间得固定得关系。
1、折射率和消光系数(Extinct ｉon coe ｆf ｉcient)按电磁波理论,折射率定义为2ωεσεi N r -= 式中,εｒ和σ分别就就是光得传播介质得相对介电常数和电导率,就就是光得角频率。
显然,当σ≠０时,N 就就是复数,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 得实部ｎ就就就是通常所说得折射率,就就是真空光速c 与光波在媒质中得传播速度v 之比;ｋ称为消光系数,就就是一个表征光能衰减程度得参量。
这就就就是说,光作为一种电磁辐射,当其在不带电得、σ≠0得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得实部,为c/n;其振幅在传播过程中按ｅxp(ωkx ／c )得形式衰减,光得强度I 0则按exp(-２ωkx /c)衰减,即)2exp(0c kx 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得衰减情况时,发现介质中光得衰减率与光得强度成正比,即I dxdI α-= 比例系数得大小和光得强度无关,称为光得吸收系数。
对上式积分得x e I I α-=0 (10-4)上式反映出得物理含义就就是:当光在媒质中传播1/距离时,其能量减弱到只有原来得1/ｅ。
将式(10-3)与式(１0-4)相比,知吸收系数λπωαk c k 42== (１0－4) 式中λ就就是自由空间中光得波长。
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ˆ ,条纹变宽. Tˆ ,R
3.1.7双折射和二向色性 1.介电函数 各向同性介质中, 是标量,
D 0E , D // E ,S // .
各向异性介质中, 是张量,
xx yx zx
该偶极子具有电偶极矩 p x ex p , 极化率为
px e 2 2 i ˆ 0 E0 E0 m ex p
2
1
.
对于密度为N的三维振子系统，极化 强度为
Ne 2 2 2 P N 0 i ˆE 0 m
1
E0.
电位移矢量为
D 0E 0 P
Ne 2 2 2 0 1 0 i m 0
1
E 0 .
介电函数为
1,
Ne 2 2 2 i 1 0 0m
Tˆ
A B F sin ˆ , R , 1 F sin2 1 F sin2
2
其中 F
1 R
12
4R
2
,A
e d 1 R F 1 R B
1 R
2
,
F与B分别表示平板前面与后面.
R R F R B e d , 一般 R F R B R .
s phonon.
拉曼散射中，涉及光学声子；
布里渊散射，涉及声学声子.
-:斯托克斯过程;+:反斯托克斯过程.
s
s
3.2.2光与物质相互作用微扰论 1. 跃迁速率
光波： ELeabharlann E 0 expi k r t
偶极近似： r
H ij 有关.对于偶极跃迁,跃迁几率为
D 2 H ij
1 2
j erid ,
// k
k 方向：
D n 1 D n 2 0, D //界面.
另外,光子界面方向动量守恒.因此,平
行界面方向动量为0.所以, ktr // tr 界面.
S 方向：
利用惠更斯作图法. 从入射点到切点
连线方向。
波前：描述的是 D ,而不是E 的等相面. 3.2微观方面
其中x p
eE 0 2 2 i 0 m
1
.
该式右边第一项描述瞬时特征,在弱
2 2 4 0 条件下， 阻尼条件下,即 0
阻尼振动的频率为
2 0
2
4
12
.
对于强阻尼振动，在t 1 之后，
x t x pe it . 瞬时特征消失，
3.1.6 平板透射 F-P模 Rˆ Tˆ
RF RB
I I 0e d
光学密度 d 总透射率 Tˆ
总反射率 Rˆ
单面反射率R 单面透射率 T 1. d 1,d 0.5m 强吸收. 可以从前表面探测到反射光.
ˆ R ,Tˆ 0 (即使 很小). R
若 d lc 1, 产生相干叠加, F-P模:
ˆ O (即使R→1). Tˆ 1,R 2dn 2dn m m （真空波长） m k m m m 1, 2,, k . d d
（平板中）
mc m 2 . m dn m c
正晶体
负晶体
▲半导体中特殊方向
k // c E c , 观察到o光； c k c
E c ,观察到o光； E // c ,观察到eo光. c
k
E
E
k
▲双折射中 S 与 k 的方向
由 S E H , D B,
可知 S E , D .
1 若 g , 表示净吸收； 2 1 若 g （粒子数反转）,表示光放大. 2 激发过程： g t 0 1
当 t g , 0. 当 g 1 2 0, 吸收消失.
当 g 1 2 粒子数反转 0 , 材料透明. 第四章 非耦合振子系统 4.1运动方程 介电函数
*
1
2 1 2 H ij D E ,
H
H H ,H n E n n
0
1
H ij 为跃迁几率,满足 H ij
1 2
1 2
H ji
1 2
(即受激辐射几率等于受激吸收几率).
D E 为终态态密度.非简并情况下,
D E 1.
里渊边界.
色散关系：平带（带宽为0）.
(d)仅有一个振子振动（非传播的波包），
群速度
Vg 0.
V g 0, 因此，
零耦合 零带宽
有限耦合 有限带宽
Vg 0.
2.电磁场与独立振子耦合
电磁场 E E 0 , 0, 0 expi k r t .
2. 1 d 3 (最合适测量范围),只 需考虑前后面各反射一次(由于吸收,
多次反射非常微弱).
Tˆ 1 R I II ,i
exp d cos1 i 1 R II I ,i .
对于弱吸收,
i 0, R II I R I II R , 2 d ˆ T 1 R e ,
1．理想非耦合振子系统
1 m (a)振子具有相同的本征频率 0
（m为振子质量， β为振子的弹性系数）, 阻尼系数 0.
(b)振子同位相振动.波长λ =∞,k=0,
对应 k空间Γ 点. (c) 振子反位相振动. 波长 min 2a ,
kmax a ,
对应k空间第一布
n d 2 2 n d c 2 v
(相邻两条光线间位相差为 2 ,i r 0.
对于无损耗介质,
i 0,
sin2 1 F ˆ Tˆ , R , 2 2 1 F sin 1 F sin
ˆ 1. Tˆ R
3.双折射 ▲折射率 由 E 相对于晶轴 c 的取向确定.
主平面：k与c 构成平面
o光-寻常光线， Eo o光主平面, Eo c , 折射率为 n 0 , 各向同性. Eeo 在eo光主平面内, eo光-非常光线，
折射率各向异性, 与光轴垂直方向折
射率为 ne . 光轴方向， o光与eo光折射率相同.
3. d 1,必须考虑多次反射,结果
2 d ˆ R R 1 R e . 2
依赖于光程与相干长度 lc 之间的关系. 若 d lc 1, 产生非相干叠加.
2 d ˆ T 1 R e . i 0.
对于吸收过程，电子从能级E g Eex
①当能量守恒 Eex E g 产生明显 跃迁； ②动量守恒 kex k g k .
kex k g 0. 偶极近似下, k 0, ③适用于大多数二能级理想半导体本
征态(之间跃迁). 2.光子数方程
2 2 N ph D D N A g N ph H g e N A 1 g 1 N ph H e g , t
考虑到 H
ij
2
1
eE r 则
D 2 E 0 H ij D
D 2 H ij
E I
*
D 2 H ij D
2
E
其中 几率.
j erid 为偶极跃迁
又 E 0 ～ N ph (光子数密度),
ij N
D 2 ph H ij D
2
E .
1
其中极化率为
Ne 2 2 0 i 0m
2
1
.
4.2量子力学和局域场修正
1. 量子力学修正
1 Ne 2 2 i 1 0 中系数 0m 2 Ne 0 m 表示经典模型中电磁场与振子的 2
耦合强度.在量子力学中,与跃迁几率
g ex 1. 其中 N A 为二能级原子密度，
考虑
1
2 D H g e
2 D H e g
H
D 2
,
以上方程可以表示为
H
D 2
N ph N A 1 2 g N ph N A 1 g . t
说明：
上式第一项表示受激过程 N ph , 第二项表示自发辐射. 吸收系数为 N A 1 2 g
虚激发态与激发态具有相同的波函数，
但能量不同，相差
E E ex E g .
虚激发经历时间 t E 1 . 经过虚激发的光子与入射光子的频
率相同，在与原子作用过程中，其
相速度为 V c n c , 因此,相对
真空中光子的位相迟移.
拉曼散射 布里渊散射
xy yy zy
xz yz , zz
Di 0 ij E j ,
j
i ,j 1, 2, 3.
纤锌矿 ZnS 、 ZnO、CdS、CdSe、GaN.
单晶轴c
xx yy zz ,其它 若z轴//单晶轴c，