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
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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
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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。