半导体纳米结构的发光性质及其机理.doc
半导体发光原理
半导体发光原理
半导体发光原理是指在半导体材料中，当电子和空穴结合时，会释放出能量并发出光线的现象。
这种现象是由于半导体材料的特殊性质所导致的。
半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料，它的导电性能介于导体和绝缘体之间。
在半导体材料中，电子的能级分布是非常特殊的，它们只能占据特定的能级，而不能占据其他能级。
当半导体材料中的电子和空穴结合时，它们会释放出能量，这些能量以光的形式发出。
半导体发光原理的实现需要一个特殊的结构，即p-n结。
p-n结是由p型半导体和n型半导体组成的结构，它们之间形成了一个电势垒。
当外加电压作用于p-n结时，电子和空穴会在电势垒处结合，释放出能量并发出光线。
半导体发光原理的应用非常广泛，例如LED（发光二极管）就是一种利用半导体发光原理制造的光源。
LED具有高效、长寿命、低功耗等优点，因此被广泛应用于照明、显示、通信等领域。
除了LED之外，半导体发光原理还可以应用于激光器、太阳能电池等领域。
激光器利用半导体发光原理产生高强度、单色、相干的光线，被广泛应用于医疗、通信、材料加工等领域。
太阳能电池则利用半导体发光原理将太阳能转化为电能，成为清洁能源的重要组
成部分。
半导体发光原理是一种非常重要的物理现象，它的应用涉及到众多领域，对人类社会的发展产生了深远的影响。
讲义_17半导体发光
1 E Ef kT
)
式中，k 为波兹曼常数，T 为热力学温度。 Ef 称为费米 能级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。 在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。
一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的， 用Ef 位于禁带中央来表示，见图2(a)。
在本征半导体中掺入施主杂质，称为 N 型半导体，见图 2(b)。 在本征半导体中，掺入受主杂质，称为P型半导体，见图 2(c)。 在 P 型和 N 型半导体组成的 PN 结界面上，由于存在多数载 流子 ( 电子或空穴 ) 的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电 场， 见图3(a)。 内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N区 的 Ef 相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜， 见图3(b)。
图2
半导体的能带和电子分布
(a) 本征半导体； (b) N型半导体； (c) P型半导体
能量 Eg /2 Eg Eg /2
导带 Ec Ef Ev 价带 (b) Eg Ev Ec Ef Eg Ec
Ef Ev
在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分 布
(a)
(c)
p( E ) 1 exp(
半导体发光
半导体中的电子可以吸收一定能量的光子 而被激发。处于激发态的电子也可以向较 低的能级跃迁，以光辐射的形式释放能量 1.自发辐射 电子和空穴随机结合 2.受激辐射 由光激发使电子和空穴的结合
能量和动量守恒
• 当半导体中一定能级上的电子吸收光子， 跃迁到较高能级时，这种电子的激发使半 导体出现最强的吸收。电子跃迁遵循一定 的选择定则，最基本的一条是，电子和光 子的能量和动量必须守恒。
1 1 ln 2 L R1R2
半导体纳米结构的发光性质及其机理
材料研盟是为方便材料及相关领域的科研人员进行科研讨论而由志同道合网友设立的非营利性群组。
该研盟设置几大群组，涉及材料研讨的各个方面。
群简介（主群：材料研盟；分群：N个）群名称号码研讨内容*材料研盟（内部群）为材料群组讨论提供技术及组织协助材料研盟A（大材料）10032587 材料物理，材料化学，材料学，材料研盟B （测试）11044831 材料测试技术, 包括显微结构测试：XRD, GIXRD,TEM, HRTEM, XPS, SEM, EDX,AFM, FTIR, TGA, …..性能测试：力，电，热，光，磁，….材料研盟C（薄膜）22138730 薄膜及制膜技术，表面与界面材料研盟C213683617 欢迎研究真空、表面、涂层及薄膜（薄膜）材料的朋友加入！材料研盟D （加工）23031485 材料加工工程，铸造，锻压，热处理，焊接，粉末冶金材料研盟E （无机非金属材料）11878451 无机非金属材料，陶瓷基复合材料，水泥基复合材料及非晶玻璃等材料研盟 F (功能材料) 23076006 各种功能材料：高温超导材料、磁性材料、功能高分子材料、磁性形状记忆合金材料等材料研盟G（低维纳米）7126907 低维纳米材料材料盐盟H (电池材料) 22695942 固体氧化物燃料电池；锂离子电池材料研盟I (分子动力学) 19097619 分子动力学|LAMMPS程序材料数值模材料研盟J （真空镀膜）6630396这是真空人的一片天地，技术交流，销售采购材料研盟K （生物材16833180生物材料精英的沙龙，包括HA材料料）材料研盟P （压电材料）11960590从事压电材料研究的同行们提供一个学习交流的空间session 10234611加入群10234611 群（教室），请同时保留现有群号。
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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引言概述：
半导体激光器是一种重要的光电器件，它在光通信、激光打印、激光医疗等领域有着广泛的应用。
本文将详细介绍半导体激光器的发光原理及工作原理，从五个大点进行阐述。
正文内容：
一、半导体激光器的基本构造
1.1 半导体材料的选择
1.2 PN结的形成
1.3 激活层的添加
二、发光原理
2.1 能带结构
2.2 电子与空穴的复合
2.3 能带间跃迁
三、工作原理
3.1 正向偏置
3.2 注入电流
3.3 激光的产生
四、半导体激光器的特性
4.1 波长可调性
4.2 窄线宽
4.3 高效率
五、应用领域
5.1 光通信
5.2 激光打印
5.3 激光医疗
总结：
综上所述，半导体激光器的发光原理及工作原理是基于半导体材料的能带结构和电子与空穴的复合，通过正向偏置和注入电流来实现激光的产生。
半导体激光器具有波长可调性、窄线宽和高效率等特点，因此在光通信、激光打印和激光医疗等领域有着广泛的应用前景。
随着科技的不断发展，半导体激光器将会在更多领域展现其巨大的潜力。
半导体发光原理
半导体发光原理
半导体发光原理是指在半导体材料中，当电子和空穴结合时会产生光子的现象。
这一原理是现代光电子技术中的重要基础，广泛应用于LED（发光二极管）、激
光器等领域。
本文将从半导体的能带结构、载流子注入和复合、发光机制等方面来详细介绍半导体发光原理。
首先，我们来了解一下半导体的能带结构。
半导体的能带结构决定了其导电性
质和光电性质。
在绝缘体中，价带和导带之间存在较大的能隙，电子受激跃迁到导带需要吸收较大能量，因此绝缘体不导电。
而在半导体中，价带和导带之间的能隙较小，当外界施加一定电场或温度升高时，电子可以跃迁到导带，形成导电现象。
其次，载流子的注入和复合是产生发光的基础。
当半导体材料中存在自由电子
和空穴时，当它们遇到对应的空穴和电子时，就会发生复合过程。
在这个过程中，电子和空穴的能级差会以光子的形式释放出来，产生光子发射的现象。
最后，我们来谈谈半导体的发光机制。
半导体发光的机制主要有自发辐射和受
激辐射两种。
自发辐射是指在载流子复合的过程中，光子能量的释放是自发的，与外界光子无关；而受激辐射是指在外界光子的作用下，使得载流子复合时产生的光子受到激发，增强了光子的能量和数量。
综上所述，半导体发光原理是在半导体材料中，通过载流子注入和复合产生光
子发射的现象。
这一原理的应用已经深入到我们生活的方方面面，LED照明、激
光器、显示器等都离不开半导体发光原理的支持。
随着半导体技术的不断发展，相信半导体发光原理也将会有更多的应用和突破。
纳米半导体材料的光催化机理与应用[1]
![纳米半导体材料的光催化机理与应用[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/19916c0c6c85ec3a87c2c5a7.png)
第25卷 第3期 长春工业大学学报(自然科学版) V ol125 N o.3 2004年9月 Journal of Changchun University of T echonology(Natural Science Edition) Sep12004 文章编号:100622939(2004)0320019203纳米半导体材料的光催化机理与应用Ξ刘俊渤1, 臧玉春2, 吴景贵1, 王明辉1(1.吉林农业大学资源与环境学院,吉林长春 130118; 2.长春工业大学网络中心,吉林长春 130012)摘 要:介绍了纳米半导体光催化剂的类型、作用机理及在降解污染物方面的应用。
关键词:半导体;光催化机理;纳米T iO2;应用中图分类号:T Q426 文献标识码:A0 引 言半导体光催化始于20世纪60年代,但直到1972年Fujishima和H onda在Nature杂志上发表关于在T iO2电极上进行光催化裂解水的论文,才使得半导体光催化技术进入一个新时期。
基于对能源危机的认识,此时的光催化技术是以探索永久性能源太阳能的利用为其主要任务。
到了80年代,随着环境保护运动的不断深入,使人们终于认识到了半导体光催化技术在消除环境污染方面的广阔应用前景,同时,各种相关的科研工作也取得了突破性进展。
目前,用于光催化降解环境污染物的半导体光催化剂属于宽禁带的N型半导体氧化物,已研究的光催化剂有T iO2,ZnO,CdS,W O3,Fe2O3,PbS, SnO2,In2O3及ZnS等十几种,这些半导体材料都有一定的光催化降解活性,但Fe2O3,ZnO等的活性比T iO2低,且T iO2化学稳定性好、低廉无毒、反应条件温和、降解速度快、催化效率高及具有超亲水性等特点,所以,这就使它成为当前最有应用潜力的一种光催化剂。
作为21世纪最有前途的新兴纳米材料,其粒子尺寸在1～100nm之间,并具有体积效应、表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等大块材料没有的性质。
11半导体发光的基本原理
产生激光的条件
• 稳定的光学谐振腔； • 在谐振腔内传播时满足阈值条件； • 外部能量泵浦使粒子数反转
•v
LD和LED的发光效率
一般来说，激光的效率要比同样材料做的发光二激 光的效率高一百倍。激光的优势体现在以下几点：
1.减少了内部的再吸收 2.更好的准值 3.更高的内部量子效率
光学谐振腔
跃迁的过程如图所示：
电子吸收了一个光子同时又吸收（释放）一个 声子，这种跃迁叫做间接跃迁。
跃迁概率
间接跃迁 VS
直接跃迁
其他跃迁
带内的吸收可以是电子在导带的也可以是 空穴在价带的。施主能态到导带的电子跃迁和 受主能态到价态的空穴跃迁
11.2 半导体发光
半导体中的电子可以吸收一定能量的光子 而被激发。处于激发态的电子也可以向较 低的能级跃迁，以光辐射的形式释放能量
受激和自发辐射对比
• 自发辐射：随机的，发出一串串光波的相 位、传播方向、偏振状态都彼此无关，辐 射的光波为非相干光；
• 受激辐射的光波，其频率、相位、偏振状 态、传播方向均与外来的光波相同，辐射 的光波是相干光。
波尔兹曼分布方程： 稳态情况下，
对入射光子能量的要求
11.3激光的生成
激光的阈值：
11.1 晶体中光产生和吸收微观模型
集成电路常用的光源： 1 半导体激光器 2 发光二极管
优点： 1 尺寸小 3高频调制
2 混合集成度高 4 高效耦合
Eh
C 0
Emc2 pmuc
E hc mc2
0
p
h
u
0
h
2 2
k u
0
m h
c0
pk
直接跃迁
直接带隙材料 间接带隙材料。
第三章 半导体发光
绝缘体 导体 半导体
满带上的一个电 子跃迁到空带后， 满带中出现一个带 h 正电的空位，称为 Eg=2.42eV “空穴”。 电子和空穴总是 满带 成对出现的。 电子和空穴叫本征载流子，它们形成半导 体的本征导电性。当光照 h >ΔEg 时， 可 发 生本征吸收，形成本征光电导。
空带
例如半导体 Cd S：
2 [ (
1 2
1 2 1 4 1 2 ) ( ) ...] ( ) 2 0 8 0 2 0
具有较小的消光系数 ，其穿透深度 2 0 c d1 1 0 4
反射与透射率 简单的正入射情形
材料中的光吸收过程 从微观机制来看： 半导体材料从外界以某种形式（如光、电等）吸收能量， 则其电子将从基态被激发到激发态，即光吸收 材料的光吸收区主要可以划分为五种 1. 本征吸收 2. 自由载流子吸收 3. 晶格振动引起的吸收 4. 杂质吸收 5. 激子吸收
能带结构 第三章 半导体发光材料晶体导论
半导体基础知识 半导体晶体材料的电学性质 半导体发光材料的条件 半导体材料的晶体结构
满带：填满电子的能带。 不满带：未填满电子的能带。
E 空带
禁带 不满带 禁带 满带 价带
空带：没有被电子占据的能带。 禁带：不能填充电子的能带。 价带：和价电子能级相应的能带， 即最高的充有电子的能带。
在 1.4 eV 附近吸收曲线 急剧地变化，形成所谓 吸收边。实验发现，对 大多数半导体和绝缘 体，吸收光谱在可见光 区或近红外区都存在类 似的吸收边。一个吸收 边包括丰富的信息。
半导体GaAs的吸收光谱
6
允许和禁戒的直接跃迁 直接跃迁 假定：半导体是纯净半导体材料，0 K 时其价带满而导带空。 电子吸收光子能量产生跃迁，保持波数（准动量）不变，称 为直接吸收跃迁，这一过程无需声子的辅助，如 GaAs
半导体光源的原理
半导体光源的原理
半导体光源是一种利用半导体材料发光的装置。
其工作原理基于半导体材料的能带结构和载流子的复合过程。
半导体材料是一种能够在一定条件下既能导电又能隔离电流的材料。
半导体中的原子排列呈现出能带结构，包括价带和导带。
价带中的电子处于较低的能级，导带中的电子则处于较高的能级。
两者之间的能隙决定了半导体的电子行为。
在半导体材料中注入能量，例如通过电流或光照射，可以将部分价带中的电子激发到导带中，形成自由移动的载流子，即电子和空穴。
当载流子在导带和价带中移动时，会发生复合过程。
在半导体光源中，通过施加电压或电流，使得载流子在半导体材料中产生复合过程，释放出能量并发光。
这种光源通常利用两种半导体材料的结合，构成一个带有pn结的二极管结构。
当外加电压施加在二极管上时，p区中的正空穴向n区扩散，
同时n区中的负电子向p区扩散。
在pn结附近，正空穴和负
电子发生复合过程，将能量释放出来并以光的形式发射出来。
该光发射过程的能量大小与半导体材料的能带结构有关，不同的材料和能带结构会导致不同的发光波长和颜色。
通过控制半导体材料的种类和结构，可以实现不同颜色和波长的光源。
并且，半导体光源具有体积小、功耗低、寿命长、可靠性高等优点，广泛应用于照明、显示、通信等领域。
半导体纳米结构的发光性质及其机理
半导体纳米结构的发光性质及其机理首先，半导体纳米结构的能带结构发生了变化。
在宏观尺度下，半导体材料的能带结构由连续的能带和能隙组成；而在纳米尺度下，由于量子限制的限制，能带结构分裂成一系列离散的能级，形成所谓的“量子点”。
这种量子效应使得半导体纳米结构在光学活性、发光波长等方面具有优势。
其次，半导体纳米结构的尺寸效应导致了量子限制效应的显著增强。
尺寸缩小到纳米级别时，半导体纳米晶体的表面积与体积之比大大增加，导致表面效应的显著增强。
这就意味着，纳米晶体的表面将对光电子过程产生重要的影响。
量子限制和表面效应结合使得半导体纳米结构的光学性质和发光性质得以显著提高。
增强的自发辐射是指半导体纳米结构通过调节电子能级的布居，实现了使得自发辐射效率大大提高的效应。
根据库克-图尔尔效应，当半导体纳米晶体的尺寸减小到一定范围时，与能带内电子热激发的几率相比，电子通过非辐射过程复合的几率会显著减小。
这意味着，在限制尺寸下，半导体纳米结构中的电子更有可能通过自发辐射的方式实现能量释放，从而提高了发光效率。
受激辐射是指半导体纳米结构中的电子通过与外界光子的相互作用进行能量转换而发光。
当纳米晶体中的电子由于受到外界光子的激发而跃迁到高能级，再由于能谷的限制无法自由运动，最终回到基态时会产生光子的发射。
在纳米尺度下，半导体纳米结构的载流子能级间隔比宏观材料增大，从而导致了纳米结构的发光波长蓝移。
载流子复合是发光过程的另一种机制。
在半导体纳米结构中，电子-空穴对会通过复合过程释放出能量。
取决于复合形式的不同，载流子复合又分为辐射性复合和非辐射性复合。
辐射性复合是指电子与空穴在复合过程中释放光子能量而发光。
非辐射性复合是指电子与空穴在复合过程中释放出的能量以其他形式散失，而不产生可见光。
通过调控半导体纳米结构的尺寸和形状，以及表面修饰等方式，可以有效地调节载流子复合的速率和方式，从而改善发光性能。
总之，半导体纳米结构的发光性质和机理受到纳米尺度下量子限制和表面效应的影响。
半导体纳米结构的发光性质及其机理
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半导体纳米晶体的光致发光特性及在生物材料荧光标记中的应用_百答辩
分析化学(FE NXI H UAX UE 评述与进展第9期2002年9月Chinese Journal of Analytical Chemistry 1130～1136第30卷评述与进展半导体纳米晶体的光致发光特性及在生物材料荧光标记中的应用孙宝全徐咏蓝衣光舜陈德朴1121312(清华大学化学系, 北京100084 (石油大学化工学院环境中心, 北京102200摘要介绍了半导体纳米晶体(亦称量子点的结构特征和光致发光特点, 并与有机荧光染料分子的光致发光性质作了对比。
结合本实验室所做的工作, 对半导体纳米晶体用于生物材料的连接、。
关键词半导体纳米晶体, 荧光, 生物材料, 标记, 评述1引言, 尤其是在光学和生[1]物学方面, 。
国际上许多高水平的期刊如Science 和Nature 、物理化学特征和其在生物医学和光电子领。
, 并计划于T M [9]2001QDOT 产品。
～8]2半导体纳米晶体的结构和特征半导体纳米晶体是由数目极少的原子或分子组成的原子或原子团簇。
目前文献中报道的主要涉及的是主族Ⅱ～Ⅵ如CdSe 、Ⅲ～Ⅴ如InP 、InAs 和G aAs 副族化合物以及Si 等元素, 特别是Ⅱ～Ⅵ和Ⅲ～Ⅴ副族化合物尤其引起人们的关注。
由于光谱禁阻的影响, 当这些半导体纳米晶体的直径小于其玻尔直[10]径(一般小于10nm 时, 这些小的半导体纳米晶体就会表现出特殊的物理和化学性质, 如Si 纳米晶体[11][12]和多孔Si 可发光, 晶体的大小会影响晶体的晶相结构和熔点。
半导体纳米晶体的结构导致了它具有尺寸量子效应和介电限域效应并由此派生出半导体纳米晶体独特的发光特性。
半导体的光致发光原理如图1所示。
当一束光照射到半导体上时, 半导体吸收光子后价带上的电子跃迁到导带, 导带上的电子可以再跃迁回到价带, 放出光子; 也可以落入半导体中的电子陷阱。
当电子落入较深的电子陷阱后, 绝大部分以非辐射的形式而淬灭了, 只有极少数的电子以光子的形式跃迁回价带或非辐射的形式回到导带。
纳米材料发光原理
纳米材料发光原理
嘿，朋友们！今天咱就来聊聊超酷的纳米材料发光原理。
你知道吗，纳米材料就像是一群小小的魔法精灵！比如说，那些纳米颗粒就像是一个个袖珍的灯泡。
咱平常看到的灯泡，你一开开关，它就亮了，对吧？纳米材料发光也是类似的道理，但可神奇多了！
想象一下，这些纳米材料在微观世界里，它们的电子就像一群调皮的小孩子，跑来跑去。
当有能量输入的时候，这些电子就被激发啦，变得超级活跃！然后呢，它们就会释放出光芒。
这就好比是小孩子得到了糖果，兴奋地笑着、闹着，散发出快乐一样！
“哎呀，那和我们平常看到的发光有啥不一样呀？”有人可能会这样问。
嘿，这可就不一样啦！纳米材料因为尺寸特别小，它们的发光性质就会变得很独特呢！比如说，它们能发出各种我们平常很难见到的颜色，那可真是五彩斑斓，美不胜收啊！
我记得有一次，我和朋友一起做实验，我们把纳米材料放在特殊的溶液里，哇塞，那一瞬间，溶液就开始发光了，就像我们进入了一个奇幻的世界。
我们都被惊呆了，兴奋地大喊大叫！
所以说呀，纳米材料发光原理真的是太奇妙啦！它们就像是为我们打开了一扇通往神奇世界的大门，让我们看到了不一样的光彩和可能性。
纳米材料的应用以后肯定会越来越广，会给我们的生活带来更多意想不到的惊喜和改变呢！这绝对是令人超级期待的呀！。
3半导体的发光
由图可知： 导带底附近状态密度随电 子能量增加按抛物线关系 增大，即电子能量越高， 状态密度越大； 价带顶附近状态密度随空 穴能量减小也按抛物线关 系增大。
费米分布与玻尔兹曼分布
根据量子统计理论，能量为E的一个量子态 被一个电子占据的几率为
费米分布
T=0K时
1 f (E) E EF 1 exp k0T
状态密度
在导带和价带中，能级近似认为是连续的。 单位能量间隔中的量子数称为状态密度 dZ g (E) dE 导带底附近的状态密度
(2mn )3/ 2 gc ( E ) 4V ( E Ec )1/ 2 h3
价带顶附近的状态密度
gv ( E ) 4V (2mp )3/ 2 h3 ( Ev E )1/ 2
复合发光理论
复合理论 等电子陷阱的激子复合 p-n结的发光效率
复合理论
辐射复合
发射光子 不发射光子，转变为热能或激发别的载流子 热平衡状态下存在着热激发与平衡载流子间复 合的平衡， LED中是利用p-n结正向加电压，形成非平衡 载流子，它们的复合才会导致显著的光发射。
非辐射复合
ni N c N v
1/ 2
Eg exp 2k0T
室温下
Si的ni＝1.3×1010/cm3； GaAs的ni＝1.1×107/cm3。
n型半导体
掺入比基体材料高一价的杂质， 由于他们的能级很靠近导带底，远离费米能级，可以 认为杂质能级是全部电离的，形成施主能级。 设施主浓度为ND，则电子浓度n0=ND。 设ND=1016/cm3（轻掺杂），则n0＝1016/cm3。 由于n0p0＝ni2， 对于Si，取ni＝1.3×1010/cm3， 带入得p0＝1.4×104/cm3，称n0为多子，p0为少子。 对于Si，掺五价的磷、砷，形成施主能级
3.1半导体的发光机理
2
光与物质作用形式
光与物质作用形式
有源器件（光源和检测器）的物理基础是光和物质相互作用的效应。可以归结为
光与原子的相互作用，将发生受激吸收、自发辐射和受激辐射三种物理过程。能级和 电子跃迁如图2所示。
E2
初态
hf12
hf12
E1
E2
终态
hf12
E1
(a)
(b)
hf12 (c)
光与物质作用形式
PN结
电子运动方向与电场方向相反，便使N区的 电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最 后在PN结形成一个特殊的增益区（虚线内）。 增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴， 结果获得粒子数反转分布，见图4(c)。
内部电场
PN
P区
结空 间电
N区
荷区
(a)
扩散 漂移
能量
E
p c
E
n c
P区
势垒 Ef
N区
导体中，Ef增大，导带的电子增多， 价带的空穴相对减少，见图3(b)。在本征 半导体中，掺入受主杂质，称为P型半导体。在P型半导体中，Ef减小，导带的 电子减少，价带的空穴相对增多，见图3(c) 。
PN结
在P型和N型半导体组成的PN结界面上， 由于存在多数载流子(电子或空穴)的梯 度，因而产生扩散运动，形成内部电场， 见图4(a)。内部电场产生与扩散相反方 向的漂移运动，直到P区和N区的Ef相同， 两种运动处于平衡状态为止，结果能带 发生倾斜，见图4(b)，动画演示。这时 在PN结上施加正向电压，产生与内部电 场相反方向的外加电场，结果能带倾斜 减小，扩散增强。
内部 电场
Hale Waihona Puke PNP区结空 间电
半导体纳米材料的的光学性能
半导体纳米材料的的光学性能随着大规模集成的微电子和光电子技术的发展,功能元器件越来越微细,人们有必要考察物质的维度下降会带来什么新的现象,这些新的现象能提供哪些新的应用。
八十年代起,低维材料已成为倍受人们重视的研究领域。
当半导体材料从体块减小到一定临界尺寸以后,其载流子(电子,空穴)的运动将受限,导致动能的增加,原来连续的能带结构变成准分立的类分子能级,并且由于动能的增加使得能隙增大,光吸收带边向短波方向移动(即吸收蓝移),尺寸越小,移动越大。
由于量子尺寸效应导致能隙增大,半导体纳米材料的吸收光谱向高能方向移动,即吸收蓝移。
同时,由于电子和空穴的运动受限,他们之间的波函数重叠增大,激子态振子强度增大,导致激子吸收增强,因此很容易观察到激子吸收峰,导致吸收光谱结构化.通常通过吸收光谱来研究半导体纳米微粒的量子尺寸效应和激子能级结构,近年来,研究较多的有[14～20]:Ⅲ-Ⅴ族半导体GaAs、InSb和GaP;Ⅱ-Ⅵ族半导体ZnS、CdS、CdSe和CdTe;Ⅰ-Ⅶ族半导体Cu-Cl、CuBr和CuI;PbS、PbI和间接带隙半导体材料Ag-Br;过渡金属氧化物Fe2O3、Cu2O、ZnO和非过渡金属氧化物SnO2、In2O3、Bi2O3等。
余保龙等人[21]研究发现,SnO2纳米微粒用表面活性剂分子包覆时,由于表面的介电限域效应其吸收带边发生红移,而且随着表面包覆物与SnO2的介电常数差值增大和包覆物的浓度增大,其红移量增大。
半导体纳米微粒受光激发后产生电子-空穴对(即激子),电子与空穴复合的途径有(1)电子和空穴直接复合,产生激子态发光。
由于量子尺寸效应的作用,发射波长随着微粒尺寸的减小向高能方向移动(蓝移)。
(2)通过表面缺陷态间接复合发光[9,22]。
在纳米微粒的表面存在着许多悬挂键、吸附类等,从而形成许多表面缺陷态。
微粒受光激发后,光生载流子以极快的速度受限于表面缺陷态,产生表面态发光。
微粒表面越完好,表面对载流子的陷获能力越弱,表面态发光就越弱。
半导体发光
第八章半导体发光研究一种新型半导体材料，首先是要对它的光电以及结晶品质等进行研究。
对于光电子材料。
对它的发光性质的研究是一个重大课题，有大量的工作可做。
可以说每一种光电子材料的光学性质研究都有大量文献报道。
通过对材料的发光性能的研究，可以判定材料的生长质量，发光特性，杂质情况，杂质电离能，适合不适合制作发光器件等。
画光谱图1. 辐射跃迁：处于激发态的电子向较低的能级跃迁，同时发射光子的过程。
要求系统处于非平衡状态，一般通过一些外加的激发手段才能达到。
电致发光：电流激发。
阴极射线发光：电子束激发。
光致发光：光激发，入射光子能量要大于材料禁带宽度。
2．发光波长与能量的关系：λ=c/v=hc/E=1240/E（nm），E单位为电子伏特（eV）3．带-带跃迁：导带的电子跃迁到价带，与空穴复合，自由载流子复合。
（激子效应对半导体发光光谱有更重要的影响，但在较高实验温度下和对于纯度较差的样品，可以观察到带-带跃迁）发光光谱形状：F(hv )∝( hv )2（hv-Eg）1/2exp-(hv-Eg)/KT特征：发光峰在Eg附近。
发光峰具有一个高能量尾部，在hv=Eg处，低能量边缘突然截止。
在低激发情况，发射峰的半峰宽近似等于0.7kT。
随掺杂浓度增加和费米能级深入导带，发光峰峰位置和高能边缘均向高能量方向移动。
增加激发和升高温度也可导致发光向高能方移动。
自吸收导致实验观测的发光光谱向低能方向漂移。
K：玻尔兹曼常数，8.62x10-5电子伏特/度。
300K时，KT约26meV。
77K时，KT约6.6meV。
4．自由激子：自由电子和自由空穴由与库仑力作用而束缚在一起所形成的系统，可在晶体中运动。
电子与空穴之间的作用类似与氢原子中电子与质子的相互作用。
自由激子代表了低激发密度下纯半导体中电子和空穴的能量最低的本征激发态。
（对足够纯的半导体材料，低温下本征辐射复合的主要特征可以是激子复合导致的狭窄谱线。
按激子复合发光模型，发光谱低能端应在激子波矢0对应的激子能量处突然截止，考虑激子效应时，有时还需考虑激子和光子耦合导致的激子极化激元的效应，可以解释实验观察到的发光谱线的低能带尾）。
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半导体发光的分类：1）光致发光，2）电致发光，3）阴极射线发光，4）X射线及高能例子发光，5）化学发光以及6）生物发光等。
其共同点就是用不同的能量激发半导体，让其发光，也就是把不同形式的能量转换为光能。
PL定义：Luminescence is one of the most important methods to reveal the energy structure and surface states of semiconductor nanoparticles and has been studied extensively. Whenever a semiconductor is irradiated, electrons and holes are created. If electronhole pairs recombine immediately and emit a photon that is known as fluorescence and if the electrons and holes created do not recombine rapidly, but are trapped in some metastable states separately, they need energy to be released from the traps and recombine to give luminescence. If they spontaneously recombine after some time, it is called photoluminescence (PL). It is reported that the fluorescence process in semiconductor nanoparticles is very complex, and most nanoparticles exhibit broad and Stokes shifted luminescence arising from the deep traps of the surface states. Only clusters with goodsurface passivation may show high band-edge emission. 5,267,338,339 If the detrapping process is caused by heating or thermostimulation, the luminescence is called thermoluminescence (TL), and the energy corresponding to the glow peak is equal to the trap depth. The TL process is different from the PL not sufficiently high to excite the electrons from their ground states to their excited states. Only the carriers ionized from the surface states or defect sites are involved in the TL process; that is, the thermoluminescence has arisen from the surface states. Thermoluminescence is a good way to detect the recombination emission caused by the thermal detrapping of carriers. It is well known that the UV emission peaks originate from the recombination of free excitons through an exciton-exciton collision process corresponding to near-band-edge (NBE) emission The room-temperature photoluminescence (PL) using a Nd: yttrium-aluminum-garnet laser with a wavelength of 325 nm and a 6 ns pulse width as the excitation source and a 3 nm spectrometer (Shimadzu Corp. RF-5301) with an intensified charge coupled device (ICCD) camera (Roper Scientific) as the detection stage可以先无辐射跃迁到缺陷中心，在下来也可以辐射跃迁到缺陷中心，在无辐射到价带主要，看缺陷中心的能级在哪里发光机制几种辐射复合跃迁发光类型:1.激子复合发光在纯净的ZnO薄膜材料中，电子和空穴能形成激子，激子的束缚能约为60 meV，激子的复合能发射出窄的谱线。
激子复合发光包括自由激子复合发光、束缚激子发光、激子-激子碰撞发光，还有声子参与的激子发光以及电子-空穴等离子体复合受激发光等情况。
2.带间跃迁发光在非平衡状态下，导带的电子跃迁到价带和和价带的空穴复合产生带间跃迁发光。
由于氧化锌材料室温下的禁带宽度高达3.37 eV，其带间跃迁引起的发光波长都在375 nm以下，处在紫外光波段上。
ZnO是直接带隙半导体，具有相同k值的电子态之间的跃迁，其动量守恒，因此其发光效率比间接带隙半导体要高。
3.能带与缺陷能级之间的电子跃迁发光ＰＬ谱测试仪器：测试仪器上有一个激发光源，还有个单色仪和探测器有激光光源、氙灯。
激光的三个必要条件：泵浦源，激发材料，谐振腔。
有三原色要做激光，越窄越好。
光致发光大致机理：半导体的发光机理主要就是先的有个激发光源，激发半导体使得电子从夹带跃到导带，然后从导带跃迁到低能级导致发光。
ZnO光致发光讨论要点：氧化锌里有氧空位和锌填隙，氧空位，发绿，间隙氧导致光黄光的，除了380的紫外发光，其他都是缺陷发光光致发光PL谱分析：找峰位，看峰强，看半高宽，如果峰位差不多，看有没有红移或者蓝移。
激子发光：激子是电子和空穴的符合体，UV是本征发光是由于激子符合发光本征发光可以是带间跃迁，也可以是激子复合导致的结晶不好，一般得不到UV的，电子一般是回到缺陷能级，至于激子的精细分析要做低温本征发光和缺陷发光：本征发光和缺陷发光，一般是此消彼长的相互竞争的，量子限制效应一般是针对本征的表面态引入的是表面态能级，表面态也可以近似归结为缺陷发光类型。
可用于发光的材料，纳米结构种类？点，线，棒，带，core-shell，环……各自的特点？用得多是首先是宽禁带半导体。
例如现在做蓝光的GaN，ZnO，SiC。
感觉好像低维材料的纳米效应等性质并不明显V近红外有Ⅲ－Ⅴ族的，红外则是窄禁带的TeCdHg等。
因此纳米材料的发光性质往往跟快体差不多，只是可能引入由于量子效应（不遵循电子跃迁法则），表面效应等的杂质能级。
稀土掺杂是独立中心发光还是复合发光好像理论上争议比较大。
目前是独立中心发光占优势，ZnO 参杂都参什么Fe Co Ni Cu Sn以及稀土元素等影响发光的因素有哪些？是怎么影响发光的？发光的类型有哪几种？有什么用途？纳米晶内部的完整性、缺陷种类和浓度掺杂、结晶度最基本的是能级结构表面态，表面有机物CAPPING 再，就是，因为材料的表面与内部的晶格常数不同，其布里渊区有所变化导致能带结构与内部不同，进而禁带宽带也会不同。
所谓的表面态只能是在能带面在表面部分偏离了其内部的区域，就像在一维情况出现能带的弯曲一样。
显示器固体激光器平面显示器光波导但PL谱主要是为了得到固体内部的能级结构。
PVP 钝化的ZnO发光边强（机物CAPPING后，变强变弱都有可能）未被PEO包覆的ZnO纳米粒子，界面存在很多缺陷，表面态俘获光生空穴的几率很大，相应的，光生空穴隧穿回晶体内部以及和浅能级电子复合的几率也很高，因此，未经PEO包覆的ZnO纳米粒子的可见光发射很强。
ZnO被PEO包覆后，经过表面修饰，补偿了ZnO表面的一些悬键，减少了结构缺陷，阻隔了产生可见区发光的通路，从而表面态俘获光生空穴以及光生空穴隧穿回晶体内部的几率大大降低，导致了ZnO纳米粒子的可见光发射强度降低。
而且，ZnO的紫外发射和可见光发射是两个相互竞争的过程，当可见光发射强度降低时，紫外发射的强度就会大大增强。
随着配比的PEO质量浓度的增加，ZnO的紫外发射与可见光发射的强度比是逐渐增大的。
因为PEO的浓度越大，就能饱和越多的表面缺陷，导致了可见光发射强度降低。
同时，紫外发射的强度增强，因此紫外发射与可见光发射的强度比是逐渐增大的。
这表明ZnO纳米粒子的深能级发射是与表面态相关的，通过PEO的表面修饰能够有效的钝化表面，提高ZnO纳米粒子的紫外发光效率。
做掺杂时候，尤其是纳米线，如何判断是再线上掺杂的表正很是问题这个只有做高分辨吧？TEM可以说元素在里面，如果晶格很整齐，比较有说福利HRTEM，只能从反面说没有形成团簇和第二相。
现在单跟纳米线的表征很不完善，有待于研究提高。
P, N 结从发光上来说，好像也不说是p型还是n型，做p型主要为了PN结。
不做成器件怎么用，所以要PN结，做发光二极管。
不过大部分仍然认为是N型的。
的p型的跟ZnO的n型的也可以，那叫异质结。
同质结更好用。
至少晶格失配少。
很难的，要晶格匹配还要热膨胀系数匹配发光应该不会涉及到P、n型，对于同一种材料，P、n型不影响禁带宽度。
N、P型的费米能级有些差别而光致发光也只是激发费米能级附近的电子声子伴线：是在低温看见的在发光过程中声子参与进来了可以解释温度相关的光谱纵向光学声子在较高温度下声子是可以与光子耦合的pl上的声子，不是总是能出来的不过一定是在低温霍尔效应：霍尔效应可以测得电子和空穴的浓度，从而可以确定那个是多数载流子，那个是少数载流子。
霍尔效应可以测得电子和空穴的浓度，但对于纳米粉体操作性不大UV与结晶度的关系发光强度与结晶度有关联结晶度越好，单一性当然越好。
缺陷等的干扰少结晶度差，缺陷就多，非辐射符合中心就多，强度肯定要下降。
展宽就越少。