固体的光学性质和光材料分析
固体材料的宏观光学性质
Optic: 2
Nature of light
• Light is an electromagnetic wave:
with a velocity given by c = 1/(00) = 3 x 108 m/s
when the incident illumination is of a wavelength that excites one of these modes, the illumination is preferentially absorbed
• This technique allows us to measure concentrations of different gas species in, for example, the atmosphere
Optic: 3
• Many of the electronic properties of materials, information on the bonding, material composition etc. was discovered using spectroscopy, the study of absorbed or emitted radiation
recall transverse and longitudinal optical phonons
Optic: 9
Electronic absorption
• Absorption or emission due to excitation or relaxation of the electrons in the atoms
固体的光学性质与激光
固体的光学性质与激光光学是研究光的传播和相互作用的学科。
光学性质是指物质对光的吸收、反射、透射、散射、折射等特性。
在固体物质中，光学性质的研究对于理解物质的结构、性质和应用具有重要意义。
而激光则是由固体、液体或气体等特定材料产生的一种高强度、高单色性、高方向性的光束。
固体的光学性质与激光有着密切的联系，本文将探讨固体的光学性质对激光的产生和应用的影响。
第一节：固体的吸收和发射1.1 线性吸收和非线性吸收固体物质对光的吸收可以是线性吸收或非线性吸收。
线性吸收是指物质在光的作用下，吸收光的能量，并将其转化为热能或其他形式的能量。
非线性吸收是指物质在光的作用下，吸收光的能量，并在吸收过程中发生电子或原子激发，从而改变了物质的电子结构和光学性质。
1.2 发射光谱固体物质在吸收光的过程中，还会发射出特定的光谱。
发射光谱可以用来研究物质的结构和能级分布。
发射光谱的特征峰位、峰形和强度都可以反映固体的光学性质。
第二节：固体的光学色心和发光2.1 光学色心光学色心是指固体物质中的某些原子、离子或分子在激发态和基态之间存在着能级差的结构。
这些能级差导致了物质在特定波长的光照射下的吸收和发射行为。
色心可以使物质呈现出特定的颜色。
2.2 固体的发光固体物质在某些条件下会发光。
例如，某些晶体在被紫外光或其他波长的光照射下会发光。
这种发光现象被称为固体荧光。
由于固体的光学性质与能带结构和晶体结构密切相关，固体的发光现象可用来研究物质的结构和性质。
第三节：固体的激光产生3.1 激光器原理激光器是一种利用激活介质产生激光的装置。
激活介质可以是固体、液体或气体。
固体激光器利用固体材料中的光学色心或荧光现象产生激光。
3.2 固体激光材料固体激光材料通常具有较高的吸收截面和较长的寿命，使其适合用于激光器的工作介质。
常见的固体激光材料包括Nd:YAG晶体、Ti:sapphire、Er:YAG晶体等。
第四节：固体激光的应用4.1 材料加工固体激光器在材料加工领域具有广泛的应用。
《固体光学与光谱学》课件
棱镜等。
能源领域
固体光学在太阳能利用领域也 有广泛应用，如太阳能电池等
。
生物医学领域
固体光学在生物医学领域的应 用包括光学成像、光谱分析等
。
02
固体光谱学基础
光谱学的定义与分类
01
总结词：光谱学的定义与分类
02
光谱学是研究物质与光相互作用的科学，通过分析物质产生的光谱， 可以了解物质的组成、结构和性质。
拓展应用领域
积极探索固体光学与光谱学的应用领域，推动其在各个领域的实 际应用。
THANKS
感谢观看
激光材料分类
激光材料可以根据能级结构和光谱特性分为固体激光材料 、气体激光材料、液体激光材料等，不同类型激光材料的 性能和应用范围也不同。
激光材料应用
激光材料在激光器、光通信、医疗等领域有广泛应用，如 固体激光器、光纤激光器、医用激光器等。
固体非线性光学材料的光谱学研究
01
非线性光学材料光谱学研究
应用领域拓展
目前固体光学与光谱学的应用领域还不够广泛，需要进一步拓展其 应用范围，如生物医学、环境监测等领域。
对未来研究的建议与展望
加强交叉学科合作
鼓励不同学科领域的专家学者进行合作研究，共同推动固体光学 与光谱学的发展。
强化基础研究
加强基础研究，完善相关理论体系，为固体光学与光谱学的应用 提供理论支持。
发光材料分类
发光材料可以根据能级结构和光 谱特性分为荧光材料、磷光材料 、上转换材料等，不同类型发光 材料的性能和应用范围也不同。
发光材料应用
发光材料在显示、照明、生物成 像等领域有广泛应用，如LED显 示屏、荧光灯、荧光粉等。
固体的光学性质和光材料课件
应用 了解光材料的电导率对于其在电子设备、传感器 和电路中的应用非常重要。
热导 率
热导率
热导率是描述光材料在热量传递 方面的能力的物理量。热导率越 高，光材料在热量传递方面的能 力越强。
影响热导率的因素
光材料的热导率受其内部原子或 分子的振动和晶格结构影响。金 属材料通常具有高热导率，因为 它们的原子结构允许热量通过晶 格振动传递。
应用
了解光材料的热导率对于其在散 热器、电子封装和热管理中的应 用非常重要。
06 光材料的化学性质
稳定性
稳定性是指光材料在特定环境 条件下保持其化学和物理性质 的能力。
02
晶体具有各向异性，即 其光学性质在不同方向 上有所不同。
03
04
常见的晶体材料包括硅、 锗、金刚石、石榴石等。
晶体在光学仪器、激光 器、光电子器件等领域 有广泛应用。
非晶体
01
02
03
04
非晶体是原子或分子排列无序 的固体，没有明显的晶体结构。
非晶体具有各向同性，即其光 学性质在各个方向上相同。
影响因素
物质的反射率与物质的性质、光的波长和入射角等因素有关。不同 物质有不同的反射率，同一物质对不同波长的光也有不同的反射率。
应用
在光学仪器、光学通信和显示技术等领域，需要使用具有特定反射率 的光学材料。通过调整材料的反射率，可以实现对光的控制和调制。
透过率
透过率
是指光在介质中传播时，透射光强度与入射光强度的比值。透过率的大小反映了光在介质 中传播的难易程度。
固体的光学性质和光 材料课件
固体物理中的光学性质
固体物理中的光学性质在固体物理领域中，光学性质是一个重要且引人瞩目的研究方向。
光学性质涉及到光的传播、吸收、散射、折射等现象，对于理解固体材料的结构和行为具有重要意义。
本文将简要介绍固体物理中的光学性质及其应用。
一、光的传播速度固体物理中的光学性质首先涉及到光的传播速度。
在真空中，光的传播速度为常数，即299,792,458米/秒。
然而，当光线进入介质中时，由于介质折射率的不同，其传播速度会发生改变。
根据斯涅尔定律，光线在两种介质之间传播时，入射角和折射角之间遵循一定的关系。
这个现象在固体物理中得到了广泛研究和应用。
二、吸收与发射固体物理中的光学性质还涉及到固体材料对光的吸收和发射现象。
在特定波长下，固体材料可以吸收光的能量，导致电子从基态跃迁到激发态。
不同材料对光的吸收和发射的特性不同，这一特性对于光电子器件和光催化反应等应用具有重要意义。
三、光的散射固体物理中的光学性质还包括光的散射现象。
当光线通过固体材料时，会与固体中的原子、离子或杂质发生相互作用，导致光的散射。
根据散射的形式，可以将其分为弹性散射和非弹性散射。
弹性散射不改变光的能量，而非弹性散射会导致光的能量发生改变。
这一现象在材料表征和光学传感器等方面具有广泛的应用。
四、材料的折射率固体物理中的光学性质还涉及到材料的折射率。
折射率是一个描述光在介质中传播行为的重要参数，定义为光在线速度和介质中的传播速度之比。
折射率越大，光在介质中传播的速度越慢。
折射率对于材料的光学性能和光学器件的设计具有重要意义。
五、光学材料的应用固体物理中的光学性质在许多领域中得到了广泛的应用。
例如，在光通信领域，光纤作为一种光学传输介质，其光学性质对于数据的传输速率和传输距离具有重要影响。
在光电子学领域，光学性质的研究和应用推动了光电子器件的发展，例如激光器、光电二极管和太阳能电池等。
此外，光学性质还在材料科学、能源领域、环境监测和医学诊断等方面有着重要应用。
例如，可见光谱技术被广泛应用于材料表征和质量检测领域，红外光谱技术在环境监测和生物医学领域具有重要应用。
固体材料光谱学
固体光谱简介 透射和反射光谱 椭圆偏振光谱
光谱发展历史
人们对光谱的研究已有三百多年的历史了。 1666年，牛顿把通过玻璃棱镜的太阳光分解 成了从红光到紫光的各种颜色的光谱，他发 现白光是由各种颜色的光组成的。这是可算 是最早对光谱的研究。
固体光谱学
固体光谱学 (Solid State Spectroscopy) 是关于光和凝聚态物质相互作用的一门学 科。
不同材料对光都有不同程度的反射和透过，即 使对同一种材料，对不同的波段的光，反射和 透射特性也可能不相同。透射率T与入射光频 率ω之间的关系叫做透射光谱。
反射透射示意图
反射系数： r E' E
2
反射率：
R
E'
2
E
将电矢量分解为垂直入射
面分量En和平行于入射面 的分量Ep
透射光谱
反射光谱
椭圆偏振光谱
洛伦兹振子模型
光与物质的相互作用，也就是固体对 光的响应可以看成阻尼振子体系在入射光 作用下的受迫振荡。
一个谐振子的运动方程可以表示为：
M
*
x
M*
x
M
*02
x
qE0 e it
Nq 2
M *0
2 i / 1 2 2
复介电常数 r ii 能够用上面的公式表达， 折射率和消光系数用下面的公式表示：
椭偏仪的发展趋势
1.寻找较高强度的红外光源, 拓宽椭偏仪的光谱范围, 以准确确定异质结构的多层膜结构;
2.建立包含成像椭偏仪的校准因素的系统模型, 以减小 成像椭偏仪的测量误差;
3. 对半导体工业常用薄膜材料建立准确的物理模型, 以减小系统的计算误差;
4. 引入能够同步进行数据获取和数据处理的控制系统, 并利用优化算法, 较快得出薄膜系统待求参量, 以提 高椭偏仪的测量速度, 增强椭偏仪的在线检测和控 制功能。
固体的光性质与光功能材料
2、固体的发光和发光材料
2.1 激发源和发光材料分类 发光：描述某些固体材料由于吸收能量而随之发生的 发射光现象。发光可以以激发光源类型的不同划分 为如下发光类型： 光致发光：以光子或光为激发光源，常用的有紫外光 作激发源。 电致发光：以电能作激发源。 阴极致发光：使用阴极射线或电子束为激发源。
26
2
电光材料 荧光材料
材料： 无机材料：砷化镓（GaAs）、砷铝化镓（GaAlAs）等材 料 有机材料
N O Al N O AlQ N O
3
4
市场上出售的普通荧光棒内装有过氧化氢溶液以及一种 包含苯基草酸酯和荧光染料的溶液。当上述两种溶液 混合时，会依次发生下列反应
5
1. 过氧化氢氧化苯基草酸酯，生 成苯酚和不稳定的过氧酸酯。 2. 不稳定的过氧酸酯分解生成更 多的苯酚和一种环状过氧化合 物。 3. 环状过氧化合物分解生成二氧 化碳。 4. 分解过程中会向染料释放能量。 5. 染料原子的电子跳至更高级别， 然后回落，并以光的形式释放 能量。
6
固体的能带理论与导电性
先看两个原子的情况
3p 3s 2p 2s
Mg
.
Mg 3p 3s 2p
1s
2s 1s
7
能级
能带
E
能隙，禁带
N条
1、能带（energy band）：由于各原子间的相互作用，使 得原来孤立原子的能级发生分裂。 • 若有N个原子组成一体，对于原来孤立原子的一个能级， 就分裂成 N条靠得很近的能级，称为能带。
17
空带 h
CdS
Eg=2.42eV
【例】要使半导体 CdS 产生本征光电导，求激 发电子的光波的波长最 大多长？
hc Eg h min max
固体材料的宏观光学性质
• The spectrum of liquid water
/water/images/watopt.jpg
Optic: 12
• Since the bonds have different “spring constants”, the frequencies of the modes are different
Optic: 8
• If we think of our atom-on-springs model, there is a single resonance peak:
absorption
f f0
• But things are more complex when the atoms are connected – phonons
• Finally we will mention applications, in particular optical fibres and lasers
Optic: 2
Nature of light
• Light is an electromagnetic wave:
with a velocity given by c = 1/(00) = 3 x 108 m/s
intensity named for him)
Optic: 6
• Thus, if we can plot -ln(I) against x, we should find a from the gradient
• Depending on the material and the wavelength, light can be absorbed by
when the incident illumination is of a wavelength that excites one of these modes, the illumination is preferentially absorbed
固体物理中的光学性质1
固体物理中的光学性质1光学性质是固体物理中的重要研究方向之一，它涉及到光在固体材料中的传播、吸收和散射等现象。
本文将从不同角度探讨固体物理中的光学性质，包括光的折射、吸收和发射以及光在固体材料中的传播特性等方面。
折射是光线由一种介质射入另一种介质时所发生的改变方向的现象。
根据光的折射定律，光线入射角和折射角之间存在一定的关系。
例如，当光线从真空中射入一个介质时，入射角和折射角之间满足sinθ1/sinθ2=n，其中θ1为入射角，θ2为折射角，n为介质的折射率。
不同固体材料具有不同的折射率，因此光在不同的介质中会有不同的传播速度和传播路径。
吸收是指固体材料对光的能量吸收的过程。
当光照射到固体材料上时，一部分能量会被材料吸收，导致材料中的电子激发到高能态。
这些激发态电子会经过一系列的跃迁过程，最终回到基态并发射出能量相等的光子。
这就是光的吸收和发射过程。
吸收系数是衡量固体材料对光能量吸收能力的一个重要参数，它与材料的光学能隙和电子态密度等因素有关。
固体材料的光学性质还与其结构密切相关。
例如，晶体中的原子或分子排列具有周期性，这种周期性结构会对光的传播产生一定的影响，如晶体的光学各向异性。
此外，固体材料中的缺陷和杂质也会影响光的传播和吸收。
例如，晶体中的点缺陷会导致光的散射现象，使得材料呈现出不同的光学性质。
光的极化性质也是固体物理中的重要研究内容。
光的极化方向指的是光电场中电场矢量的方向，可以分为线偏振光和圆偏振光等不同类型。
固体材料对不同极化方向的光响应也会有所不同。
例如，某些材料只能吸收特定方向的线偏振光，而对其他方向的光则没有吸收。
这种现象被称为吸收选择性，它与材料的晶体结构和分子取向密切相关。
除了上述内容外，固体物理中的光学性质还包括光的散射现象、非线性光学效应等。
光的散射是光与固体材料中的微观结构相互作用的结果，可以分为弹性散射和非弹性散射等不同类型。
非线性光学效应则是光与固体材料发生强相互作用时所呈现出的一系列非线性行为，如二次谐波产生、光学瞬态效应等现象。
固体物理学中的光学性质与光学材料
固体物理学中的光学性质与光学材料在固体物理学中，光学性质是研究材料与光相互作用的重要内容。
光学性质涉及到材料对光的吸收、反射、透射、折射、散射等现象的研究，以及探究材料在不同波长下的光学行为和性能的变化规律。
光学性质的研究对于光学材料的设计、制备和应用具有重要的理论和实践意义。
一、吸收与透射光的吸收与透射是光学性质中的基本现象。
材料对光的吸收取决于入射光的能量以及材料的能带结构。
光通过材料时，射到材料上的光子能量可能会被材料的原子、分子或晶格吸收，也可能会被透射出去。
材料的吸收和透射特性取决于材料的化学成分、晶体结构以及光的波长等因素。
二、反射与折射材料对光的反射和折射是在光通过材料交界面时发生的。
入射光与材料表面交互作用时，一部分光会被反射回来，一部分光会被折射进入材料中。
反射和折射现象的研究可以通过光的折射率来描述。
三、散射散射是光在通过材料时，由于材料内部的离子、分子或微观结构的不均匀性而改变传播方向的现象。
材料的散射特性取决于材料的结构和化学成分。
散射现象在光学材料的制备和光学器件的设计中具有重要的作用。
四、光学材料光学材料是具有特定光学性质的材料，广泛应用于光通信、光存储、光电显示等领域。
常见的光学材料包括晶体材料、玻璃材料、光学薄膜等。
不同材料的光学性质研究和应用存在着差异，因此选择合适的材料对于不同的光学器件设计和性能优化具有重要意义。
五、应用光学性质和光学材料在各个领域中都有着广泛的应用。
例如，光学性质的研究对于激光器、光纤通信的设计和性能提升具有重要意义。
光学材料的研究与应用也与生物医学领域、能源领域、环境监测等密切相关。
六、结论固体物理学中的光学性质与光学材料是一个广泛而重要的研究领域。
通过对光学性质的深入研究，可以为光学材料的设计和制备提供理论指导，并推动光学器件的研发和应用。
随着技术的不断进步和需求的增加，光学性质和光学材料的研究将继续深入，并在更多领域带来新的突破和应用。
固体的光学性质和光材料
2. 非本征半导体的光吸收
掺入半导体的杂质有三类：施主杂质、受主杂质和等电子杂质。这 些杂质的能级定域在能隙中，就构成了图 1.3所示的各种光吸收跃迁方 式。等电子杂质的存在可能成为电子和空穴复合的中心，会对材料的发 光产生影响，单独的施主和受主杂质不会影响到材料的光学性质。这是 因为只有当激发态电子越过能隙与空穴复合时，才会发生半导体的发光。 譬如，n型半导体可以向导带提供足够的电子，但在价带中没有空穴， 因此不会发光。同样，p型半导体价带中有空穴，但其导带中却没有电 子，因此也不会发光。如果将n型半导体和p型半导体结合在一起形成一 个 p-n结，那么可以在 p-n结处促使激发态电子（来自 n型半导体导带） 和空穴（来自p型半导体价带）复合。我们在p-n结处施加一个正偏向压， 可以将n区的导带电子注入到p区的价带中，在那里与空穴复合，从而产 生光子辐射。
C E D
电子泵抽运造成 的电子-空穴对
C
C
DD
DA A V V V V V
1.2 无机离子固体的光吸收 无机离子固体的禁带宽度较大，一般为几个电子伏特，相当于紫外 光区的能量。因此，当可见光以至红外光辐照晶体时，如此的能量不足以 使其电子越过能隙，由价带跃迁至导带。所以，晶体不会被激发，也不会 发生光的吸收，晶体都是透明的。而当紫外光辐照晶体时，就会发生光的 吸收，晶体变得不透明。禁带宽度Eg和吸收波长λ的关系为 Eg = hν= hc/λ 1.2 λ = hc/ Eg 1.3 式中h为普朗克常数6.63×10-34 J· s，c为光速。
基础吸收或固有吸收 固体中电子的 能带结构，绝缘体和半导体的能带结构如 图1.1所示，其中价带相当于阴离子的价电 子层，完全被电子填满。导带和价带之间 存在一定宽度的能隙（禁带），在能隙中 不能存在电子的能级。这样，在固体受到 光辐射时，如果辐射光子的能量不足以使 电子由价带跃迁至导带，那么晶体就不会 激发，也不会发生对光的吸收。
固体的光学性质
3. 发光按激发方式分类
光致发光、电致发光、阴极射线发光、放射线发光（x，γ
射线等）、化学发光、生物发光、摩擦发光（较少研究）。
4. 发光和热辐射、反射、散射、受激辐射、带电粒子辐射的异
同
发光 热辐射
热平 衡性
非
本征 性
强
激发 态
有
是弱有
(w) / 黑体 (w)
>1
1
反射、散射 非 弱 无
>1
受激发射
固体的光学性质简介
一．绪论
与光学性有关的发光现象和定义 1. 发光现象：不同形式的能量转变为光辐射的现象。
发光的基本过程： 激发→传递、弛豫→光发射，与产生发 光的实体的能量状态密切相关。 2. 发光的定义 发光是处于激发态的物质的本征的非热平衡辐射。发光是 物体的辐射中超出热辐射并具有相当于激发态寿命的连续 时间部分。
v 1
0 0
c 1
0 0
因此介质中的光速亦可写为
v c c
n
其中 n 即为晶体的折射率。对于大多数非磁性晶体，其相对磁
导率近似为 1，因此
n
考虑到光波在晶体中传播时的能量损耗，晶体的介电常数常表 示成复数形式（复介电常数）
1 i2
此时折射率 n 亦表示为复数（复折射率）
n n i
在光电场作用下，固体中一个原子周围的电子相对于原子核来回振 荡，相当于一个谐振子。设其振动频率为 0（谐振子的固有频率）， 则电子相对于原子核的位移可写成
x
x
ei0t
A
电子的振动方程可写成
mx m02 x
m 为电子的质量，固有频率 0 与原子核与电子之间的库仑作用
有关。
实际上，电子在运动过程中还要与晶体中的其它粒子相互作 用，这些作用相当于一种阻尼力，使用电子的能量发生损耗。 通常假定阻尼力与电子的速度成正比
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激子吸收 除了基础吸收以外，还有一类吸收， 其能量低于能隙宽度，它对应于电子 由价带向稍低于导带底处的的能级的 跃迁有关。这些能级可以看作是一些 电子 - 空穴（或叫做激子， excition ） 的激发能级。
导带
激子能级 能隙(禁带）
价带
缺陷存在时晶体的光吸收 晶体的缺陷有本征的，如填隙原子和空位，也有非本征的，如 替代杂质等。这些缺陷的能级定于在价带和导带之间的能隙之中。当 材料受到光照时，受主缺陷能级接受价带迁移来的电子，而施主能级 上的电子可以向导带迁移，这样就使原本不能发生基础吸收的物质由 于缺陷存在而发生光吸收。 C→V过程 在高温下发生的电 子由价带向导带的跃迁。 E→V过程 这是激子衰变过程。 这种过程只发生在高纯半导体和低 电子泵抽运造成 的电子-空穴对 温下，这时 KT 不大于激子的结合 能。可能存在两种明确的衰变过程： V 自由激子的衰变和束缚在杂质上的 激子的衰变。
C E D
电子泵抽运造成 的电子-空穴对
C
C
DD
DA A V V V V V
D→A过程
如果同一半导体材料中，施主和受主杂质同时存在，
那么可能发生中性施主杂质给出一个电子跃迁到受主杂质上的过程， 这就是D→A过程.。发生跃迁后，施主和受主杂质都电离了，它们之间 的结合能为： Eb= - e2/4πεKr 该过程的能量为：Eg—ED—EA—Eb。
固体的光性质和光功能材料
固体的光性质，从本质上讲，就是固体和电磁波的相 互作用，这涉及晶体对光辐射的反射和吸收，晶体在光作用 下的发光，光在晶体中的传播和作用以及光电作用、光磁作 用等。基于这些性质，可以开发出光学晶体材料、光电材料、 发光材料、激光材料以及各种光功能转化材料等。
1 固体对光的吸收与光电转换材料 1．1 固体光吸收的本质
基础吸收或固有吸收 固体中电子的 能带结构，绝缘体和半导体的能带结构如 图1.1所示，其中价带相当于阴离子的价电 子层，完全被电子填满。导带和价带之间 存在一定宽度的能隙（禁带），在能隙中 不能存在电子的能级。这样，在固体受到 光辐射时，如果辐射光子的能量不足以使 电子由价带跃迁至导带，那么晶体就不会 激发，也不会发生对光的吸收。
C E D C C
DD
DA A
V
V
V
V
D→V过程
这一过程中，松弛的束缚在中性杂质上的电子和一个价
带中的空穴复合，相应跃迁能量是 Eg—ED。例如对GaAs来说，低温下的 Eg 为 1.1592ev ， 许 多 杂 质 的 ED 为 0.006ev ， 所 以 D→V 跃 迁 应 发 生 在 1.5132ev处。因此，发光光谱中在1.5132ev处出现的谱线应归属于这种跃 迁。具有较大的理化能的施主杂质所发生的 D→V跃迁应当低于能隙很多， 这就是深施主杂质跃迁DD→V过程。
导带
能隙 （禁带）
价带
例如，离子晶体的能隙宽度一般为几个电子伏，相当 于紫外光的能量。因此，纯净的理想离子晶体对可见光
以至红外区的光辐射，都不会发生光吸收，都是透明的。 碱金属卤化物晶体对电磁波透明的波长可以由~25μm到 250nm，相当于0.05~5ev的能量。当有足够强的辐射（如 紫光）照射离子晶体时，价带中的电子就有可能被激发 跨过能隙，进入导带，这样就发生了光吸收。这种与电 子由价带到导带的跃迁相关的光吸收，称作基础吸收或 固有吸收。例如，CaF2的基础吸收带在200nm(约6ev)附 近，NaCl的基础吸收约为8ev，Al2O3的基础吸收约在9ev。
C E D
电子泵抽运造成 的电子-空穴对
C
C
DD
DA A V V V V V
C→A过程 本征半导体导带中的一个电子落在受主杂质原子上， 并使受主杂质原子电离化，这个过程的能量为Eg—EA。例如对GaAs来 说，许多受主杂质的 EA为 0.03ev，所以 C→A过程应发生在 1.49ev处。 实际上，在GaAs的发光光谱中，已观察到1.49ev处的弱发光谱线，它 应当归属于自由电子-中性受主杂质跃迁。导带电子向深受主杂质上的 跃迁，其能量小于能隙很多，这就是深受主杂质跃迁C→DA过程。
C E D
电子泵抽运造成 的电子-空穴对
C
C
DD
DA A V V V V V
1.2 无机离子固体的光吸收 无机离子固体的禁带宽度较大，一般为几个电子伏特，相当于紫外 光区的能量。因此，当可见光以至红外光辐照晶体时，如此的能量不足以 使其电子越过能隙，由价带跃迁至导带。所以，晶体不会被激发，也不会 发生光的吸收，晶体都是透明的。而当紫外光辐照晶体时，就会发生光的 吸收，晶体变得不透明。禁带宽度Eg和吸收波长λ的关系为 Eg = hν= hc/λ 1.2 λ = hc/ Eg 1.3 式中h为普朗克常数6.63×10-34 J· s，c为光速。
然而，在无机离子晶体中引入杂质离子后，杂质缺陷能级和价带能 级之间会发生电子-空穴复合过程，其相应的能量就会小于间带宽度Eg， 往往落在可见光区，结果发生固体的光吸收。 例如，Al2O3晶体中Al3+和O2-离子以静电引力作用，按照六方密堆方 式结合在一起， Al3+和 O2-离子的基态能级为填满电子的的封闭电子壳层， 其能隙为9ev，它不可能吸收可见光，所以是透明的。
如果在其中掺入0.1%的Cr3+时，晶体呈粉红色，掺入1%的Cr3+时， 晶体呈深红色，此即红宝石，可以吸收可见光，并发出荧光。这是由 于掺入的Cr3+离子具有填满电子的壳层，在Al2O3晶体中造成了一部分 较低的激发态能级，可以吸收可见光。实际上，该材料就是典型的激 光材料。
图4
离子晶体的各种吸收光谱示意
1.3 半导体的光吸收和光导电现象
1.本征半导体的光吸收 本征半导体的电子能带结构与绝缘体类似，全部电子充填在价带， 且为全满，而导带中没有电子，只是价带和导带之间的能隙较小，约 为1ev。在极低温度下，电子全部处在价带中，不会沿任何方向运动， 是绝缘体，其光学性质也和前述的绝缘体一样。当温度升高，一些电 子可能获得充分的能量而跨过能隙，跃迁到原本空的导带中。这时价 带中出现空能级，导带中出现电子，如果外加电场就会产生导电现象。 因此，室温下半导体材料的禁带宽度决定材料的性质。本征半导体的 光吸收和发光，一般说来都源于电子跨越能隙的跃迁，即直接跃迁。 价带中的电子吸收一定波长的可见光或近红外光可以相互脱离而自行 漂移，并参与导电，即产生所谓光导电现象。当导带中的一个电子与 价带中的一个空穴复合时，就会发射出可见光的光子，这就是所谓光 致发光现象。