半导体发光与光吸收

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2015/10/21
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二、基本原理
在这个过程中，有六种不同的复合机构会发射光子，它们是：
（1）自由载流子复合——导带底电子与价带顶空穴的复合；
（2）自由激子复合——晶体中原子的中性激发态被称为激子，激子复合也就是原子从中性激发态向基态的跃迁，而自由激子指的是可以在晶体中自由运动的激子，这种运动显然不传输电荷；（3）束缚激子复合——指被施主、受主或其他陷阱中心(带电的或不带电的)束缚住的激子的辐射复合，其发光强度随着杂质或缺陷中心的增加而增加；（4）浅能级与本征带间的载流子复合——即导带电子通过浅施主能级与价带空穴的复合，或价带空穴通过浅受主能级与导带电子的复合；
ห้องสมุดไป่ตู้2015/10/21
五、优缺点
优点
光致发光分析方法的实验设备比较简单、测量本身是非破坏性的，而且对样品的尺寸、形状以及样品两个表面间的平行度都没有特殊要求。它在探测的量子能量和样品空间大小上都具有很高的分辨率，因此适合于作薄层分析和微区分析。
缺点
它的原始数据与主要感兴趣的物理现象之间离得比较远，以至于经常需要进行大量的分析，才能通过从样品外部观测到的发光来推出内部的符合速率。光致发光测量的结果经常用于相对的比较，因此只能用于定性的研究方面。测量中经常需要液氦低温条件也是一种苛刻的要求。对于深陷阱一类不发光的中心，发光方法显然是无能为力的。
2015/10/21
四、应用
光致发光光谱是一种探测材料电子结构的方法，它与材料无接触且不损坏材料。光直接照射到材料上，被材料吸收并将多余能量传递给材料，这个过程叫做光激发。这些多余的能量可以通过发光的形式消耗掉。由于光激发而发光的过程叫做光致发光。光致发光的光谱结构和光强是测量许多重要材料的直接手段。光激发导致材料内部的电子跃迁到允许的激发态。当这些电子回到他们的热平衡态时，多余的能量可以通过发光过程和非辐射过程释放。光致发光辐射光的能量是与两个电子态间不同的能级差相联系的，这其中涉及到了激发态与平衡态之间的跃迁。激发光的数量是与辐射过程的贡献相联系的。

半导体物理第十章半导体的光学性质

自发辐射光子的位相和传播方向与入射光子不相同。
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。

第五章半导体中的光辐射和光吸收

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）。

半导体光过程_第四章半导体中的光发射 1

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)。

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

33半导体的光吸收、光辐射（3.5）

§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。

第十章-半导体的光学性质和光电_.....

杂质吸收
杂质可以在半导体的禁带中引入杂质能级，例如Ge和Si中的III族和V族杂质。占据杂质能级的电子或空穴的跃迁可以引起光吸收，这种吸收称为杂质吸收，可以分为下面三种类型：吸收光子可以引起中性施主上的电子从基态到激发态或导带的跃迁；中性受主上的空穴从基态到激发态或价带的跃迁；电离受主到电离施主间的跃迁；由于杂质能级是束缚态，因而动量没有确定的值，所以不必满足动量守恒的要求，因此跃迁几率较大。

在半导体中。最主要的吸收过程是电子由价带向导带的跃迁所引起的光吸收，称为本征吸收或基本吸收．这种吸收伴随着电子-空穴对的产生，使半导体的电导率增加，即产生光电导。显然，引起本征吸收的光子能量必须等于或大于禁带宽度，即
h h 0 = E g

对应的波长称为本征吸收限。根据上式，可得出本征吸收长波限的公式为

I = I 0e
半导体的光吸收吸收
半导体材料中的电子吸收光子的能量，从能量较低的状态跃迁到能量较高的状态。这种跃迁可以发生在： 1、不同的能带之间； 2、同一能带的不同状态之间； 3、禁带中的分立能级之间； 4、禁带中的分立能级和能带之间。以上各种吸收引起不同的吸收过程。

本征吸收
1.242 c = ( mm) Eg (eV )
Burstein-Moss effect
吸收谱与吸收边
吸收系数对光子能量（或波长）的依赖关系称为吸收谱。本征吸收限可在吸收谱中明显地表现出来。吸收系数曲线在短波端陡峭地上升，是半导体吸收谱突出的一个特点。它标志着本征吸收的开始。通常把吸收限附近的吸收谱称为吸收边。它相应于电子由价带顶附近到导带底附近的跃迁。
E g E P w E g E p w < E g

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。

半导体光学知识点总结

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。

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。

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。

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2、杂质识别
– 根据特征发光谱线的位置，可以识别GaAs和GaP中的微量杂质。
3、硅中浅杂质的浓度测定 4、辐射效率的比较
– 半导体发光和激光器件要求材料具有良好的发光性能，发光测量正是直接反映了材料的发光特性。通过光致发光光谱的测定不仅可以求得各个发光带的强度，而且也可以的到积分的辐射强度。在相同的测量条件下，不同的样品间可以求得相对的辐射效率。
光致发光光谱可以应用于：带隙检测，杂质等级和缺陷检测，复合机制以及材料品质鉴定。
2023/11/25
四、应用
1、组分测定
– 例如，GaAs1-xPx是由直接带隙的GaAs和间接带隙的GaP组成的混晶，它的带隙随x值而变化。发光的峰值波长取决于禁带宽度，禁带宽度和x值有关。因此，从发光峰峰值波长可以测定组分百分比x值。
2023/11/25
二、基本原理
光致发光是从量子力学的观点分析的一种发光机制。因为物质是由分子组成的，不同的物质具有不同的分子结构。当光照射物质时，电子吸收能量从某一个能级跃迁到一个较高能级上而形成处于激发态的电子，处于激发态的电子是不稳定的，它必然会在很短的时间内由高能态降至低能态，然后再降至基态，同时把光照时吸收的能量以光的形式释放出来，从而形成了光。
光致发光测量的结果经常用于相对的比较，因此只能用于定性的研究方面。
测量中经常需要液氦低温条件也是一种苛刻的要求。对于深陷阱一类不发光的中心，发光方法显然是无能为力的。
2023/11/25
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2023/11/25
三、光谱仪基本构造
反射
真空泵
镜
透镜
斩波器
激光器
激光器电源
样品室
样品
透镜
滤光片

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

半导体的光电与发光现象

杂质吸收中的电子跃迁
杂质吸收曲线
5、晶格振动吸收、
在晶体吸收光谱的远红外区，有时还发现一定的吸收带，这是晶格振动吸收形成的。在这种吸收中，光子能量直接转换为晶格振动动能。
半导体的发光
半导体中的电子可以吸收一定能量的光子而被激发。同样，处于激发态的电子也可以向较低的能级跃迁，以光辐射的形式释发能量，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、激子吸收、
实验发现，当光子能量 hv ≥ E g 时，本征吸收形成连续光谱。但在低温时，在
hv p 时，也出现了一系列吸收线，并发现，对应于这些吸收线并不 Eg
伴有光电导。这种吸收并不引起价带电子直接激发到导带，而形成所谓 “激子吸收”
3、自由载流子吸收、
与本征跃迁不同，自由载流子吸收中，电子从低能态到较高能态的跃迁是同一能带内发生的，但也必须满足能量守恒和动量守恒关系。一般是红外吸收。
单位时间内产生的光子数内部量子效率 = 单位时间内注入的电子 − 空穴对
外部量子效率 =
单位时间内发射到外部的光子数单位时间内注入的电子 − 空穴对
半导体的光电与发光现象
光在导电媒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地吸收光能，具有数量级为105cm-1的吸收系数。
当一定波长的光照射半导体材料时，电子吸收足够的能量，从价带跃迁到导带。电子从低能带跃迁到高能带的吸收，相当于原子中的电子从能量较低的能级跃迁到能级较高能级的吸收。
4、杂质吸收、
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；空穴也同样可以吸收光子而跃迁到价带，这种光吸收称为杂质吸收。

半导体光学

• 半导体激光器在新兴领域的应用拓展
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

半导体对光的吸收本征吸收杂质吸收激子吸收自由载流子吸收晶

雪崩倍增效应来放大光电信号以提高检测的灵敏度。 PN 结在高反向电
压下产生的雪崩效
应。其基本结构常常采用容易产生雪崩倍增效应的
Read 二极管结构（即
N+PIP+型结构， P+一面接收光），工作时加较大的反向偏压，使得其达
到雪崩倍增状态；它的光吸收区与倍增区基本一致（是存在有高电场的
P 区和 I 区）。
dΦe Φe, d
hv
hv
光源在波长 λ为 0→∞范围内发射的总量子流速率
Ne
Φe, d
0 hv
Φe, max
Φe, r d
hc 0
20. 热释电器件的噪声主要有电阻的热噪声、温度噪声和放大器噪声等。
热噪声：来自晶体的介电损耗和与探测器的并联电阻。
热噪声电压随调制频率的升高而下降
放大器噪声：来自放大器中的有源元件和无源器件，及信号源的阻抗和放大
25. 硅光电池：基本结构：一个大面积的 PN 结。
硅光电池的工作原理是光生伏特效应 . 当光照射在硅光电池的 PN结区时 , 会
在半导体中激发出光生电子空穴对 .PN 结两边的光生电子空穴对 , 在内电场
的作用下 , 属于多数载流子的不能穿越阻挡层 , 而少数载流子却能穿越阻挡
层. 结果 ,P 区的光生电子进入 N 区,N 区的光生空穴进入 P 区, 使每个区中的
分。
电子光学系统——将电子图像成像在荧光屏上。
荧光屏——将电子动能转换成光能，是像管的电 - 光转换部分。
像管的工作原理
亮度很低的可见光图像或者人眼不可见的光学图像经光电阴极转换成电
子图像；
电子光学系统将电子图像聚焦成像在荧光屏上，并使光电子获得能量增

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。