半导体中的光学过程
半导体光电效应的产生机理
半导体光电效应的产生机理
半导体光电效应是指当光照射到半导体材料上时，会产生电子-
空穴对，从而引起材料的电学性质发生变化的现象。
这种效应的产
生机理涉及到半导体物理学和光学的知识。
首先，当光子照射到半导体上时，光子的能量会被半导体吸收，使得半导体中的价带内的电子被激发到导带中，同时在价带中留下
一个空穴。
这样就形成了电子-空穴对。
这个过程可以用光生激发来
描述，即光子的能量被吸收后，激发了半导体中的电子。
其次，激发出的电子-空穴对会导致半导体中的载流子浓度增加，从而改变了半导体的导电性质。
这种光生电子-空穴对的产生，使得
半导体的导电性能随之发生变化，例如导电率增加、电阻率减小等。
另外，半导体光电效应还涉及到光生载流子的寿命和扩散长度
等参数。
光生载流子的寿命决定了光电效应的持续时间，而光生载
流子的扩散长度则影响了光电效应的空间分布。
总的来说，半导体光电效应的产生机理是光子能量被半导体吸收，激发出电子-空穴对，从而改变了半导体的导电性质。
这一过程
涉及到光生激发、载流子浓度变化、光生载流子的寿命和扩散长度等多个方面的因素。
深入理解半导体光电效应的产生机理对于光电器件的设计和应用具有重要意义。
半导体激光的原理和应用
半导体激光的原理和应用引言半导体激光是一种重要的光学器件，具有广泛的应用领域。
本文将介绍半导体激光的工作原理及其在通信、医疗、制造业等领域的应用。
工作原理半导体激光的工作原理基于半导体材料的特性。
当电流通过半导体材料时，会激发出光子并形成发光。
具体工作原理如下：1.pn结构：半导体激光器的基本结构是由p型半导体和n型半导体组成的pn结构。
在pn结构中，p区和n区之间形成空间电荷区，也称为p-n 结。
2.电流注入：当通过pn结施加适当的电压，电子从n区向p区流动，形成电流注入。
这些电子与空穴在p区与n区之间复合，产生光子。
3.光反射：在激光器的两侧，通常会使用反射镜，以确保光子在激光器内部多次反射，增加激射效果。
4.放大效应：在光子多次反射后，激光器中的光子会被放大，形成激光束。
5.激光输出：当光子放大到一定程度时，会通过激光输出端口输出，形成一束聚焦强度高的激光。
应用领域半导体激光广泛应用于下述领域：1. 通信领域•光纤通信：半导体激光器的小体积、高效率和调制速度的优势，使其成为光纤通信中的关键元件。
它们被用于发送和接收信号，实现高速、稳定的数据传输。
•光纤传感器：半导体激光器可以用于光纤传感器中的光源，通过测量光的特性实现温度、压力和应变等参数的监测。
2. 医疗领域•激光眼科手术：半导体激光器可以用于激光眼科手术，如LASIK手术。
它们通过改变角膜的形状来矫正近视、远视和散光等眼科问题。
•激光治疗：半导体激光器可以用于激光治疗，如治疗疱疹病毒感染、减少毛囊炎症等。
3. 制造业领域•材料加工：半导体激光器用于材料加工，如切割、焊接和打孔等。
由于激光束的高能量密度和聚焦性，它们可以实现高精度的材料加工。
•激光制造：半导体激光器可以用于激光制造，如3D打印、激光烧结等。
它们可以实现复杂结构的制造，提高生产效率。
4. 科研领域•光谱分析：半导体激光器可以用于光谱分析，如拉曼光谱和荧光光谱。
它们可以提供高分辨率和高灵敏度的光谱结果，帮助科研人员研究物质的性质。
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
添加标题
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
添加目录标题
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
9半导体的光学性质PPT课件
.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
7
光学区域的电磁波谱图
人眼只能检测波长范围大致在0.4～0.7μm的光。 紫外区的波长范围为0.01～0.4μm。 红外区的波长范围为0.7～1000μm。
.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
8
9.2 本 征 吸 收
c
hc
h
1.24
h (eV)
[μm]
.半导体物理学简明教程》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。
Eg Eg
d C( Eg )3/ 2
.半导体物理学简明教程》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
.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
19
9.2.2 间接跃迁
在间接带隙半导体中，导带极小值和价带极大 值不是发生在布里渊区的同一地点，而是具有 不同的k值，因此这种跃迁是非竖直跃迁。 跃迁过程中由于光子的波数比电子的波数小得 多，因此，准动量守恒要求必须有第三者—声 子参加。就是说，在跃进过程中必须伴随声子 的吸收或放出，即
Ey
Ey0 exp i
t
nx c
exp
c
x
I x Ey 2
2 / c
I (x) I0e x
.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
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
半导体激光器发光原理及工作原理
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强度、高单色性和高直线度的光束的装置，它在许多领域都有广泛的应用，包括通信、医疗、材料加工等。
半导体激光器是其中一种常见的激光器类型，本文将详细介绍半导体激光器的发光原理及工作原理。
一、半导体激光器的发光原理半导体激光器的发光原理基于半导体材料的特性。
半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料，它的导电性可通过控制材料的掺杂和结构来调节。
半导体激光器通常采用的材料是具有直接能隙的半导体材料，如氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）等。
在半导体材料中，激子是一种激发态，由电子和空穴的复合形成。
当一个激子衰变时，它会释放出能量，这个能量以光子的形式发射出来，从而产生光。
半导体激光器的发光原理可以通过以下几个步骤来解释：1. 注入载流子：半导体激光器通过外部电流注入载流子（电子和空穴）到半导体材料中。
这些载流子在半导体材料中移动，形成电流。
2. 电子和空穴的复合：当电子和空穴遇到时，它们会发生复合，释放出能量。
这个能量以光子的形式发出，产生光。
3. 反射和放大：半导体激光器内部有一个光学腔，它由两个反射镜构成。
其中一个镜子是半透明的，允许一部分光子逃逸，形成激光输出。
另一个镜子是高反射镜，将光子反射回腔内，增强光子的能量。
4. 高度相干的光放大：反射和放大的过程不断重复，光子在腔内来回反射，并不断受到放大。
由于光子的相位保持一致，最终形成高度相干的光束，即激光。
二、半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理可以通过以下几个方面来解释：1. pn结：半导体激光器是由pn结构组成的。
pn结是由n型半导体和p型半导体的结合形成的。
在pn结附近，会形成一个耗尽区，其中没有自由载流子存在。
2. 反向偏置：半导体激光器在工作时通常会进行反向偏置。
即在pn结上施加一个外部电压，使得p区的电势高于n区。
这样，当电流通过激光器时，载流子会从p区向n区移动。
3. 激发态：当载流子通过pn结时，它们会与pn结中的杂质或缺陷发生相互作用，从而激发出激子。
半导体光电化学原理
半导体光电化学原理
半导体光电化学原理是指半导体材料在光照条件下发生光电转换的基本原理。
在半导体光电化学过程中，光能量被吸收后，会激发半导体中的电子从价带跃迁到导带，形成光生载流子。
这些光生载流子会在半导体中的电场作用下分离，在导电性能较好的区域形成电子和空穴，从而产生电流。
半导体光电化学原理的基础是半导体材料的能带结构和光吸收特性。
半导体的能带包括价带和导带，两者之间存在带隙。
当光能量高于带隙能量时，光子被半导体吸收并产生光生载流子。
光子的能量取决于入射光的波长，因此半导体对不同波长的光的吸收程度也不同。
半导体的光电化学过程包括光吸收、光生载流子的分离、载流子的输运和电荷转移等步骤。
在光吸收过程中，光子的能量被吸收并转化为电子和空穴的能量。
接着，光生载流子会被电场作用下分离，形成电子寿命长的导带电子和空穴寿命长的价带空穴。
这些电子和空穴会随着载流子浓度梯度在半导体中输运，最终达到半导体的表面或界面。
在表面或界面上，光生载流子可能与氧气、水或其他分子发生电荷转移反应，产生电流或化学反应。
半导体光电化学原理在光催化、光电池、光传感器等领域具有重要应用价值。
通过研究半导体光电化学原理，可以设计和优化半导体材料的光电性能，提高光电化学能量转换效率。
此外，利用光电化学原理还可以实现光驱动的化学反应，例如水的光解产生氢气或氧气等。
需要注意的是，半导体光电化学原理的研究还存在一些挑战。
例如，光吸收效率、光生载流子的分离效率以及电荷转移反应的效率都会影响光电化学过程的效率。
因此，未来的研究需要进一步理解这些挑战，并提出相应的解决方案。
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。
半导体的光学常数和光吸收
精选课件
2
⑶反射系数R：反射系数R是界面反射能流密度
和入射能流密度之比，若以 0 和 分别代表入
射波和反射波电矢量振幅，则有：
R02 /2
⑷透射系数T：透射系数T为透射能流密度和入
射能流密度之比，由于能量守恒，在界面上可
以得到：
T=1-R
当光透过厚度为d，吸收系数为的介质时有：
T入 透射 射光 光强 强 (1R度 度 )2ed
精选课件
3
• 二、半导体的光吸收
光在导电介质中传播时具有衰减现象，即产 生光的吸收，半导体材料通常能强烈的吸收光能， 具有105cm-1的吸收系数。对于半导体材料，自由 电子和束缚电子的吸收都很重要。
价带电子吸收足够的能量从价带跃迁入导带， 是半导体研究中最重要的吸收过程。与原子吸收 的分立谱线不同，半导体材料的能带是连续分布 的，光吸收表现为连续的吸收带。
杂质吸收的最低的光子能量hν0等于杂质上电子或空 穴的电离能Ei (见下图中a和b的跃迁)；因此，杂质吸
收光谱的长波吸收限ν0由杂质电离能Ei＝hν0决定。
一般情况下，电子向导带底以上的较高能级跃迁，
或空穴向价带顶以下的较低能级跃迁的概率都比较小，
因此，杂质吸收光谱主要集中在吸收限Ei附近。由于
Ei小于禁带宽度Eg，杂质吸收一般在本征吸收限以外
精选课件
11
半导体中的激子能 级非常密集，激子吸收 线与本征吸收的长波限 差别不大，常常要在低 温下用极高分辩率的测 试仪器才能观察到。对 Ge和Si等半导体，因为 能带结构复杂，并且有 杂质吸收和晶格缺陷吸 收的干扰，激子吸收更 不容易被观察到。因此， 必须使用纯度较高、晶 格缺陷很少的样品才能 观察到。
格的相互作用，因此理论上这是一种二级过程。
半导体物理第10章半导体的光学性质和光电与发光现象
二、激子吸收
激子可以在整个半导体材料中运动，由于它是电中性的，因 此，激子的运动并不形成电流。
对于常用的半导体材料，其禁带宽度都比较小，因而激子能 级都靠的很近，所以，激子吸收必须在低温下用分辨率极高的仪 器设备才能观测到。
随着超晶格、量子阱结构的出现，室温下在量子阱结构中观 测到了稳定的二维激子，并利用量子阱激子的纵向电场效应，已 制备出了光学双稳态器件和光调制器件。
二、激子吸收
激子中电子与空穴之间的关系，类似于氢原子中电子与质子的关系，因 此，激子具有和孤立氢原子相同的量子化能级。
根据氢原子的能级公式，激子的束缚能为：
Eenx
=
−
q4
8ε02ε2 rh2n2
mr*
mr*
=
m*p ⋅ mn* m*p + mn*
为电子、空穴的折合质量。
n = 1,2,L, ∞
n = 1 时，为激子的基态能级 Ee1x ；
间接跃迁（非竖直跃迁）： 不遵守选择定则的跃迁。电子不仅与电磁波作用而吸收光子，同时还和晶
格交换一定的振动能量，即发射或吸收一个声子。显然，间接跃迁是电子、光 子和声子三者同时参与的过程。其能量关系为：
hv0 ± Ep = 电子能量差△E
式中Ep为声子的能量，“+” 表示吸收声子，“—” 表示发射声子。通常声子的 能量非常小，可忽略不计，即有：
在实际中，发生间接跃迁的几率比直接跃迁的几率小的多。 间接跃迁 的光吸收系数比直接跃迁的光吸收系数小很多。 直接跃迁的光吸收系数约 为104～106/cm，而间接跃迁的光吸收系数约为1～103/cm。
一、本征吸收
对于直接带隙半导体GaAs，当 hv ≥ hv0
α
GaAs
半导体光学
半导体激光器的应用领域及市场需求
应用领域
市场需求
• 通信：光纤通信、无线通信等
• 高功率、高效率、窄线宽半导体激光器的需求持续增长
• 医疗：激光手术、激光诊断等
• VCSEL、量子阱激光器等新型激光器的市场需求不断涌
• 科研：光谱分析、光学测量等
现
• 制造：激光加工、激光打印等
半导体光子学的应用前景及挑战
应用前景
挑战
• 光通信：实现高速、高容量、长距离的光通信传输
• 半导体光子学理论体系的完善和发展
• 光计算：实现高速、低功耗的光计算处理
• 半导体光子学器件的研制和优化
• 光传感：实现高灵敏度、高分辨率的光传感检测
• 半导体光子学技术在新兴领域的应用拓展
05
半导体光通信技术与应用
• 光电晶体管：利用半导体晶体管结构实现光信号的探测
半导体光探测器的技术进展及发展趋势
技术进展
发展趋势
• 高灵敏度、高速率、宽响应范围半导体光探测器的研制
• 半导体光探测器的集成化、片上化
• PIN光电二极管、雪崩光电二极管（APD）、光电晶体管
• 半导体光探测器在新兴领域的应用拓展
等新型光探测器的应用
• 间接跃迁：电子先从价带跃迁到中间能带，再从中间能带跃迁到导带，吸收光子能量
发光过程
• 辐射复合：电子从导带跃迁回价带，释放出光子，发生辐射复合发光
• 荧光发光：电子在导带中的能量损失，通过非辐射复合过程跃迁回价带，释放出光子，发
生荧光发光
• 磷光发光：电子在导带中的能量损失，通过非辐射复合过程跃迁到中间能带，再从中间能
• 受材料的能带结构、电子浓度等因素影响
1.3PN结,半导体的光学性质
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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。
LOGO
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。
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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)
LOGO
7
P
N
P
空间电荷区
N
(a)
内电场 UB (b)
半导体材料的光学性质与应用研究
半导体材料的光学性质与应用研究随着信息技术的发展和进步，半导体材料在电子器件中的应用越来越重要。
然而，除了电子特性外，半导体材料的光学性质也具有广泛的应用潜力。
本文将深入探讨半导体材料的光学性质及其应用研究。
一、半导体材料的光学性质在研究半导体材料的光学性质之前，我们先来了解一下光学性质的定义。
光学性质是指物质与光相互作用的行为，包括光的吸收、反射、透射、折射、发射等。
1.1 光的吸收半导体材料能够吸收特定波长的光线。
当光线照射到半导体材料上时，其中一部分光子会被材料吸收，导致光子的能量转化为半导体材料中的电子能。
1.2 光的反射和透射当光线照射到半导体材料的表面时，一部分光线会被材料的表面反射，另一部分则会透射进入材料内部。
反射光和透射光的强度受到材料的光学性质以及入射角度的影响。
1.3 光的折射当光线从一个介质传播到另一个介质时，其传播方向会发生改变，这种现象称为折射。
半导体材料的折射率是衡量其折射性能的指标，也是研究光在材料中传播特性的重要参数。
1.4 光的发射半导体材料在特定条件下会发光，这种现象称为光的发射。
发射光的颜色取决于半导体材料的能带结构和能带间距。
近年来，LED等半导体发光器件在照明、显示等领域得到了广泛应用。
二、半导体材料的光学应用半导体材料的光学性质使得其在许多领域有着重要的应用前景。
以下是半导体材料在光学领域中的几个典型应用。
2.1 光电二极管光电二极管是一种能够将光能转换为电能的半导体器件。
它的工作原理基于光的吸收和电荷的移动。
在弱光条件下，光电二极管可以用于传感、通信和光电探测等应用。
2.2 激光器激光器利用半导体材料的电子能级结构和光的反射、透射等性质，将光能转化为高度聚集的、单色的激光束。
激光器在医疗、通信、材料加工等领域发挥着重要的作用。
2.3 光电晶体管光电晶体管是一种能够控制光电流的半导体器件。
它的工作原理基于光的吸收、电子的能级结构和电流的控制。
光电晶体管在光电开关、光电放大等领域有着广泛的应用。
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。
半导体物理第十章1
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。
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
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。
半导体材料光谱
半导体材料的光谱研究涉及到材料对不同波长的光的吸收、发射和散射等过程。
这些光谱信息对于了解半导体材料的电子结构、能带结构、光学性质等具有重要意义。
以下是半导体材料光谱研究的一些关键方面：1. 吸收光谱：▪基本原理：半导体材料对不同能量的光有不同的吸收特性。
吸收光谱研究揭示了材料的能带结构，电子能级的变化，以及在光照条件下电子的激发状态。
▪实验方法：吸收光谱通常通过透射或反射测量，通过记录不同波长下的吸收强度来获得吸收光谱。
2. 发射光谱：▪基本原理：半导体材料在受到激发（如光激发或电激发）后可能发射光，产生发射光谱。
这反映了材料的能带结构和电子激发态的退激发过程。
▪实验方法：发射光谱通常通过记录材料发射的光谱来获得，可通过荧光光谱仪等设备进行测量。
3. 拉曼光谱：▪基本原理：拉曼光谱是通过测量材料散射光的频率变化来研究分子或晶体结构的一种技术。
在半导体中，可以用于研究声子振动和电子-声子相互作用。
▪实验方法：拉曼光谱实验通常使用激光光源，通过测量散射光的频率变化来获取拉曼光谱信息。
4. 光电子能谱：▪基本原理：光电子能谱研究材料中电子的能级分布和激发态。
当光子击中材料时，可以将束缚态电子激发到导带，产生光电子。
▪实验方法：光电子能谱实验使用光电子能谱仪，通过测量光电子的动能和强度来研究材料的电子结构。
5. 吸收光谱与激子态：▪基本原理：在半导体中，电子和空穴可能形成激子，如激子和束缚激子。
吸收光谱研究可以揭示这些激子态的形成和性质。
▪实验方法：通过调制吸收光谱，可以研究激子的能级和相互作用。
这些光谱研究为半导体材料的设计、制备和应用提供了关键的信息。
通过深入了解光谱特性，科学家和工程师可以更好地理解材料的性质，优化器件性能，以及开发新型半导体材料。
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对于能量为E的一个量子态被一个电子占据的概率f(E)为
f (E)
1 1 e
E EF k0T
f(E)称为电子的费米分布函数。
热平衡系统具有统一的费米能级。
1 T 0 K 当 时， f (E) E EF f ( E ) 1 E E 若 F，则 k0T 1 e 若 E EF，则 f ( E) 0 在热力学温度为0度时，费米能级 EF 可看成 量子态是否被电子占据的一个界限。 当T 0 K 时， 若 E EF，则 f ( E ) 1/ 2 若 E EF，则 f ( E ) 1/ 2 若 E EF，则 f ( E ) 1/ 2 费米能级是量子态基本上被 电子占据或基本上是空的一 个标志
3 1
价带中单位能量间隔的状态数
4V 2 2 g v ( E ) 3 (2m* p ) ( Ev E ) h
3 1
特点： 状态密度与能量呈抛物线关系 有效质量越大，状态密度也就越大 仅适用于是能带极值附近
1-A-4 载流子浓度
费米能级：费米能表示0K时基态系统电子所占有的能级最高 的能量，标志了电子的填充水平。
1-A-3 能态密度分布
状态密度：单位能量间隔内的状态数目，能带中能 量为E-(E+dE)无限小的能量间隔内有dZ个量子态， 则状态密度g(E)为
dz g (E) dE
球形等能面的状态密度：
导带的E-K关系：
Байду номын сангаас
2k 2 E ( K ) Ec * 2mn
球型等能面方程：
* ( E E ) 2 m c n k2 2
故
2 * 2 d 3 (2mn ) ( E Ec ) 2 dE
3 1
则
2V 4V * 2 2 dZ d ( 2 m ) ( E E ) dE n c 3 3 (2 ) h
3 1
dZ g (E) dE
导带中单位能量间隔的状态数
4V * 2 g c ( E ) 3 (2mn ) ( E Ec ) 2 h
球体体积：
4 3 k 3
当能量从EE+dE时，球体半径从kk+dk
1m dk dE k
球体体积从+d
* n 2
d 4k dk
2
状态数为ZZ+dZ
dZ
2V d 3 (2 )
由球型等能面方程：
* ( E Ec )2mn k 2 2
得
* ( E Ec ) 2 4 3 4 2mn k [ ] 2 3 3 3
空穴的分布函数
1 1 f ( E) (E E) exp F 1 kT