光电子复习提纲汇总

《光电子学》复习讲义2014

第一部分：光电物理基础

【1】基本概念

1)本征吸收：半导体吸收一个能量大于禁带宽度Eg的光子，电子由

价带跃迁到导带，这样的过程称为本征吸收。

2)激子吸收：在半导体中受激电子与空穴构成的新系统可以看成一

种“准粒子”，并称之为激子。激子可以通过所含电子和空穴的复合而辐射光子和声子，其中能发射光子的激子复合过程对提高发光效率有很大的实用意义。

3)杂质吸收：杂质吸收有三种情况，1：从杂质中心的基态到激发态

的激发可以引起线状吸收谱。2：电子从施主能级到导带或从价带到受主能级的吸收跃迁。3：从价带到施主能级或从被电子占据的受主能级到导带的吸收跃迁。

4)费米能级的概念：P22

5)热平衡状态下本征和杂质半导体的费米能级图1-14 P24

6)非平衡态载流子的产生、复合图1-15

7)直接复合：自由电子直接由导带回价带与空穴复合

8)间接复合：自由电子和空穴通过晶体中的杂质、缺陷在禁带中复

合

9)非本征吸收：包括杂质吸收自由载流子吸收激子吸收晶格吸收

10)本征发光：导带电子和价带空穴复合所产生的发光现象

11)激子发光：激子在运动过程中，将能量从晶体的一处运输到另一

处，电子空穴复合发光的过程称为激子发光。

12)杂质发光：杂质发光有三种发光方式，1：电子从导带到施主能级

或从受主能级到价带的跃迁，主要是无辐射跃迁。2:电子从导带到受主能级或从施主能级到价带。3：施主受主对的辐射跃迁

13)内光电效应：表现为光电导和光生伏特效应。

14)外光电效应：即光电子发射效应（金属或半导体受光照射，如果

光子能量足够大可以使电子从材料表面逸出的现象）

15)金属逸出功：电子从金属中逸出需要的最小能量

16)电子亲和势：导带体上的电子向真空逸出时所需要的最小能量

17)光电发射第二定律：光电发射体发射的光电子最大动能随入射光

频率的增大而线性增加，与入射光强无关。

18)辐射度量:与物理学对电磁辐射度的规定完全一致，适用于整个电

磁波段

19)光度量：以人的视觉特性为基础建立，只适用于可见光波段

20)偏振光及偏振度：振动方向与传播方向不对称性叫做偏振，具有

偏振性的光叫做偏振光。光束中偏振部分的光强度和整个光强度之比值称为偏振度。

【2】基本原理

1)杂质吸收与本征吸收的光谱范围如何理解？

答：（1）本征吸收区对应于价带电子吸收光子后跃迁至导带的强吸收区，它处于紫外可见光与近红外区。

（2）杂质吸收因固体材料及材料中杂质各类而异。假设杂质具有浅能级（约0.01eV），这种杂质吸收仅在较低温下（使kT〈杂质电离能，k为玻尔兹曼常数〉，才能被观察到。

2)半导体掺杂的目的？对半导体发光的限制作用？

答：纯正的半导体是靠本征激发来产生载流子导电的，但是仅仅依靠本征激发产生的载流子数量很少，而且容易受到外界因素如温度等的影响。掺入相应的三价或五价元素则可以在本征激发外产生其他的载流子，可以大幅度的改善本征半导体的导电性。

（1）为了使半导体的电导率发生大的变化；因为杂质的电离能比禁带宽度要小得多，所以杂质的种类和数量对半导体的导电性能影响很大。

(2) 杂质能级的位置有性质不同的两类：“浅能级”和“深能级”，前者起着“陷阱”的作用，后者通常是复合能级。

室温下用电子束激发GaAs 发光时的相对效率与杂质浓度

载流子的产生与杂质能级复合中心的平衡

3) 半导体本征发光中的直接跃迁与间接跃迁的定义与区别？代表材

料分别是？

答：（1）直接跃迁：仅涉及一个（或多个）光子的跃迁；间接跃迁涉及一个（或多个）光子，还包含声子的跃迁；

（2）直接跃迁以III-V 族化合物半导体以及由它们组成的三四元固溶体为主,代表材料GaAs;间接跃迁代表材料Si 基发光材料.

4) 自发发射、受激发射、受激吸收的关系？如何提高半导体的发光

效率？

答：（1）爱因斯坦关系：33

2121c

8B A νπh = 1221112=g B g B （2）吸收系数较高；直接带隙跃迁；优化杂质能级吸收与发射；根据器件设计自发辐射与受激辐射系数的比重。

5) 金属、半导体光电子发射光电子发射的三个步骤？

答：第一步：体内电子吸收光子能量被激发跃迁到高能级第二步：被激发的电子向表面运动，运动过程中会与其它电子或晶格碰撞，失去部分能量。

第三步：克服表面势垒的束缚逸出表面。

6)本征光电导产生的条件？

答：（1）光子能量大于该半导体的禁带宽度；

（2）电子在导带中有足够的迁移率；

（3）由光的辐射产生的载流子数与材料中通常可得到的自由载流子相比，是可测量出来的。

【3】基本计算

1)金属、半导体光电子发射阈值的计算

2)马吕斯定律对偏振度的计算

3)单层减反膜厚的计算

4)朗伯定律计算

E=Icosα/R2

第二部分：光电转换

【1】基本概念

1)光电导效应：当半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起载

流子的变化，导致材料电导率的变化的现象；P73

2)P型光电导，N型光电导

3)本征光电导，杂质光电导；器件及适用范围

4)常见光电导材料：a、CdS和CdSe，低成本可见光光电导材料，

光电导增益G=103-104，响应时间较长，工作波段在紫、蓝、绿短波区。b、PbS，近红外灵敏光电导材料，光谱范围在1-3.4um，2um处最灵敏，响应时间约200us。c、InSb，近红外灵敏光电导材料，响应峰波长约5um，热噪声较大。d、碲镉汞（Hg1-xCdxTe），中红外灵敏光电导，峰值波长10um左右，通过调节Hg和Cd的