1.1 半导体材料的基本特性——半导体的光电性质

E2 h E1
hv E2 E1
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受激辐射Fra Baidu bibliotek
• 能量为hv的光子照射进来， 电子被这一光子激发而从E2 能级跳到E1能级，并发射一 个光子，称为受激辐射。 • 特点： 1. 受激辐射光与外来光的频 率、偏振方向、相位及传播 方向均相同; 2. 具有光的放大作用。
h

红外线（IR） 是波长介于微波与可见光之间的电磁波， 波长在770纳米至1毫米之间，在光谱上位于红 色光外侧。具有很强热效应，并易于被物体吸 收，通常被作为热源。所有高于绝对零度（273.15℃）的物质都可以产生红外线。现代物 理学称之为热射线。
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白炽灯、LED和 CFL的红外热成像
直接跃迁：仅涉及光子和电子，
跃迁前后电子波矢不发生变化
间接跃迁：有声子参与，跃迁
前后电子波矢发生变化
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激子吸收
入射光子能量小于半导体的禁带宽度时，价带上的电 子离开价带同留在价带上的空穴形成一个较弱的束缚态。 这个电子-空穴对组成的束缚态称为激子。

杂质吸收
束缚在杂质能级上的电子和空穴发生跃迁引起的光吸 收称为杂质吸收。
h
E2
全同光子
E1
hv E2 E1
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半导体的光电性质
1.光吸收
半导体中的光吸收是电子由较低能级跃迁到较 高能级造成的。 本征吸收 激子吸收 杂质吸收 自由载流子吸收 声子吸收
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本征吸收
价带上的电子吸收光子能量后跃迁至导带引起的 光吸收称为本征吸收。本征吸收的条件是入射光子能 量不小于半导体的禁带宽度。

自由载流子吸收
价带上的空穴或导带上的电子在其所在能带的能级间 发生跃迁引起的光吸收称为自由载流子吸收。

声子吸收
晶格振动引起的光吸收称为声子吸收。 hm44@sina.com
半导体的光吸收机制
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半导体的吸收光谱
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2.光电导
光的吸收产生额外的载流子（声子吸收除外）， 因此造成电导率的增加。由于光吸收引起的增加的电 导率称为光电导。 光持续照射时，光生载流子的产生过程和复合过 程达到动态平衡，此时光电导达到稳态。 利用半导体的光电导可制作光电导器件。
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γ射线和宇宙射线

光与原子的相互作用

自发辐射 受激吸收 受激辐射


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自发辐射
• 原子自发地从高能级返回到 低能级并放出光子的过程， 称为自发辐射 • 特点： 1. 原子的跃迁是自发的、独 立的，与外界作用无关； 2. 光的振动方向、相位都不 一定相同，不是相干光。
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电脑与人的热成像


紫外线（UV） 频率高于可见光的，不能引起视觉，对生 命有危害，来自太阳的紫外线几乎被大气中的 臭氧完全吸收，臭氧保护着地球的生命，少量 透过大气的紫外线会晒黑皮肤或使进行日光浴 的人体产生晒斑。 X射线 波长比紫外线还短的电磁波，它们很易穿过 大多数物质。其波长可与原子尺寸相比拟。 波长最短，波长尺寸约为原子核大小量级； γ射线产生于核反应及其他特殊的激发过程； 宇 宙射线来自地球之外的空间。
三、半导体的光电性质

光的基本性质 光与原子的相互作用 半导体的光电性质


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光的基本性质
光色 波长(nm) 红 橙 黄 绿 青 兰 紫 760~622 622~597 597~577 577~492 492~470 470~455 455~400 频率(Hz) 中心波长 (nm) 660 610 570 540 480 460 430
3.9 1014 ~ 4.8 1014 14 14 4.8 10 ~ 5.0 10 5.0 1014 ~ 5.4 1014 5.4 1014 ~ 6.1 1014 6.1 10 14 ~ 6.4 10 14 14 14 6.4 10 ~ 6.6 10 14 14 6.6 10 ~ 7.5 10
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无线电波 波长比可见光长得多，不能引起人的视觉， 可以引起电子的振荡。由于波长很长，一个金属 网笼，甚至桥梁上的钢架就可以将其阻止。 微波 波长范围分布从毫米到几十厘米，他们在食 物里很容易被水分子吸收，可使食物迅速被加热。

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h
E2
E1
hv E2 E1
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受激吸收
• 原子吸收能量为hv =E2－E1 的光子，从低能级E1跃迁到 高能级E2的过程称为光的吸 收，又称为受激吸收。 • 特点： 1. 不是自发产生的，必须有 外来光子的“刺激”才会产生; 2. 外来光子必须符合hv =E2 －E1的条件。
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