14半导体器件-光电器件-光吸收与光辐射2学时
第5章 半导体中的辐射和吸收-1
(5.10)式为波矢三个分量的数学表达式，图5.5 为其单位立
方和它的界面示意图。)
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可以看出：
空间中 单位立方体的体积=（2/l)3
(5.14)
可以认为：k 空间中，只要(5.10)式给出的 k 的数值是允许
的，体积为Vk的容积内能够存在的各种 k 的数 量等于边
长为 和k
k
x k
2 / l 的立方体的总个数。可通过 k 空间中 k 之间的能态数目求出态密度。假定一个薄的球
所谓黑体是指能够全部吸收入射的任何频率的电磁波的理想 物体。
平衡时物质具有一定的温度，可以用一个温度来描述光和物 质 的 相 互 作 用 ， 描 述 这 关 系 的 便 是 普 拉 克 发 布 （ Plank distribution）。在特定温度下。黑体辐射出它的最大能量。
经典理论不能够解析黑体辐射曲线。德国物理学家马克斯·普 朗克提出一个假设：这些辐射只能是一些不连续的值，即 电子振动的频率只能取一定值，而且辐射出的能量与其振 动频率成正比[7]。普朗克得出黑体辐射能量分布的公式， 并且同黑体辐射实验的结果完全符合，证明了电子的能级 是量子化，为量子力学奠定了基础。普朗克为此成为量子 力学的开创人，成为20世纪最重要的物理学家之一，他以 其对物理学的杰出贡献获得1918年诺贝尔物理奖。
2，受激辐射
在外来光子的作用下，处于高能级的电子会跃迁到低 能级，并发出与外来光子的特性完全相同的另一光 子。这种辐射不同于自发辐射，是在外来光子激发 下发射出来的，称为受激辐射。受激辐射的光谱窄， 相位一致，有偏振方向，输出功率大。
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入射一个光子引起一个激发原子受激跃迁，辐射出两个同样 的光子。同样地，这两个同样的光子又去激励其它激发 原子发生受激跃迁，获得更多的同样光子。在合适条件 下(提供泵浦的新能量和提供正反馈的谐振腔)，入射光子 就可以象雪崩一样得到放大，辐射出大量波长、相位、 方向等性能都相同的光子，这个过程就是光放大。所有 的激光器都是建立在这种光放大的工作原理基础上的，
电子技术基础教程第9章光电子器件及其应用优选全文
光敏电阻将光的强弱变化转变为电阻值的差异，从而
可以由流过电流表的不同电流直接显示亮度。其中R1、 R2用于调节表面刻度，RW用于控制表头的灵敏度。
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（2）红外测温仪的前置放大电路
调制光入射光敏电阻后转化为电信号，然后送放大
器进行放大。输出uO的大小即可反映温度的高低。
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光电耦合器件：光电器件与电光器件的组合。
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9.1 发光二极管（LED）
9.1.1 发光二极管的工作原理 1.发光二极管的外形、电路符号和伏安特性
外形图：
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电路符号和伏安特性
•LED的正向工作电压UF一般为1.5～3V； •反向击穿电压一般大于5V；
•正向工作电流IF为几毫安到几十毫安，且亮度随IF的增加而
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9.2.1 光电器件及其应用
箭头与
LED符号
1.光电二极管外形、电路符号及工作原理 的区别
外形
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光导模式
电路符号
光伏模式
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2.光电二极管的应用
（1）光电二极管的简单应用电路
光照射，2CU导 通，有电压输出
光照射2CU, VT导通， KA吸合。
简单光控电路
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光控继电器电路
增大；
•发光二极管正向工作电压的大小取决于制作材料；
•不同的半导体材料及工艺使发光二极管的颜色、波长、亮度、
光功率均不相同。
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2EF系列发光二极管的主要参数
型号
工作 电流
IF/mA
正向 发光 电压 强度
光电师的知识点总结
光电师的知识点总结第一部分：光电基础知识1. 光电效应光电效应指的是当金属或半导体受到光照射时，会产生电子的排出现象。
这是光电师工作中非常重要的基础知识。
光电效应分为外光电效应和内光电效应。
2. 光电元件光电元件是光电师研究和应用的基础。
常见的光电元件主要包括光敏电阻、光电二极管、光电晶体管等。
3. 光的波粒二象性光具有波粒二象性，既可以表现为波动，也可以表现为粒子。
光电师需要深入了解这一性质，以便更好地理解光电效应和光电元件的工作原理。
4. 光电信号的生成和传输光电师需要了解光电信号的生成和传输机制，包括光信号的接收、放大、转换和传输等方面的知识。
第二部分：光电测量技术1. 光电测量系统光电测量系统是光电师工作中常用的设备，主要包括光电传感器、光谱仪、光电倍增管、光电二极管等。
2. 光电检测原理与方法光电师需要掌握各种光电检测原理与方法，包括光电传感、光谱分析、光电放大、光电转换等。
3. 光电测量技术的应用光电测量技术在工业控制、环境监测、医学诊断等领域有广泛的应用，光电师需要了解这些应用领域的特点和需求，以便更好地开展工作。
第三部分：光电器件与应用1. 光电器件的分类和特性光电器件包括光敏电阻、光电二极管、光电晶体管、光电倍增管等，光电师需要深入了解这些器件的分类、特性和工作原理。
2. 光电器件的应用光电器件在光通信、光学成像、光谱分析、光电传感等方面有广泛的应用，光电师需要了解这些应用领域的需求和技术要求。
3. 光电器件的研发和制造光电师需要了解光电器件的研发和制造流程，包括光电器件的设计、加工、测试和封装等方面的知识。
第四部分：光电系统集成与优化1. 光电系统集成技术光电系统集成技术是光电师工作中非常重要的技术，需要深入了解光电器件的选择、配置、连接、控制等方面的知识。
2. 光电系统优化技术光电系统优化技术是光电师工作中必不可少的技术，需要了解光电系统的性能、效率、稳定性等方面的优化方法。
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）。
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。
2020年高中物理竞赛—基础光学12激光：光的吸收和辐射(共11张PPT)
基础光学
激光
激光又名莱塞 (Laser) 全名是 cation by stimulated emission of radiation）
世界上第一台激光器诞生于1960年 1954年制成了受激发射的微波放大器 ——梅塞（Maser） 它们的基本原理都是基于1916年爱因斯坦 提出的受激辐射理论
碰撞 电子
亚稳态
碰撞
三. 增益介质中光强随传播距离的变换关系
增益介质：处于粒子数反转态的介质。光传播时被放大。
经过介质薄层, 光强增量为
增
I0
I I+dI
益
dI GIdz
介
质
I dI
z
Gdz
I0 I
0
I
I I0eGz
G -- 增益系数 说明
I0
dz
o
z
z
在增益介质内，光强 I 随传播距离按指数增加。
一.光的吸收与辐射
自
E2
发
自 发
辐
辐 射
射
E1
系
(dN21 dt
)自发
N2 A21
数
受
E2
激
吸
受 激 吸 收
收
E1
系
(
dN12 dt
)吸收
kN1IB
数
受
激
E2
辐
射
E1
受
自发 受激
激
辐射 辐射
辐
射 系
光波的频率 相位偏振态
无关
全同
(
dN21 dt
)受激
kN 2 IB
数
一般情况下 B B
二.粒子数反转和光放大
《原子核物理》(辐照方向)课程大纲
《原子核物理》课程教学大纲课程性质：专业基础课教学对象：核工程与核技术辐射化工专业本科学生学时学分：54学时 3学分编写单位：核工程与技术学院编写人：杜纪富审定人：编写时间：2011年5月一、课程说明1、课程简介本课程是原子物理学课程的姊妹篇，它以阐述原子及原子核的结构、特性为中心。
主要内容包括核结构模型、原子核的放射性、α衰变、β衰变、γ衰变、核反应及核能和放射性的应用等。
2、课程教学目标本课程是近代物理学中的一个重要领域。
通过该门课程的学习，使学生了解和掌握原子核的基本性质和结构、放射性现象及一般规律、原子核反应、射线与物质的相互作用、离子加速器、原子能的利用、核技术及应用、粒子物理的一些简单理论，为学生将来继续学习核工程与核技术的课程奠定理论基础和实验技术能力。
3、预修课程与后续课程大学物理、量子力学、原子物理学4、教学手段及教学方法建议原子核物理学是现代物理学的重要内容，作为应用物理专业的学生，原子核物理学的基础知识理论成为必要的学习内容。
因此本门课程首先把基础知识和基本技能教给学生，使得学生扎实地学好，然后再介绍相关现代科学技术的重要成果。
本课程以讲授为主，然后在课程中会介绍与核辐射相关的案例以及实验等。
5、考核方式平时成绩占30%（考勤、课堂表现和作业），闭卷考试成绩占70%。
6、指定教材杨福家等著，原子核物理（第一版）复旦大学出版社，19937、教学参考书[1] 卢希庭主编，原子核物理，原子能出版社，2000年[2] 王炎森、史福庭，原子核物理学，原子能出版社， 1998年8、教学环节及学时安排表1 课程学时分配表9、教学大纲修订说明二、教学内容第一章原子核物理（8学时）教学目标1、了解原子核物理的研究对象及其发展历史2、理解原子核是由核子（中子和质子）组成的，原子核半径的两种含义。
3、理解原子核的结合能及其与质量的关系。
4、了解原子核的自旋、磁矩、电四极矩、宇称的定义。
本章重点1、原子核半径的两种含义以及结合能与质量的关系。
《光电材料与器件》课程教学大纲
《光电材料与器件》课程教学大纲一、课程名称（中英文）中文名称：光电材料与器件英文名称：Optoelectronics Materials and Devices二、课程代码及性质专业选修课程三、学时与学分总学时：32学分：2四、先修课程无五、授课对象材料及材料加工类专业本科生六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）【注：教学目的要突出各项“能力”，且与表1中的某项指标点相对应】本课程是功能材料专业的选修课之一，其教学目的包括：1、掌握激光的产生机制，光纤的传导机制以及熟悉光调制的基本原理。
2、理解光电技术在信息传输，光探测以及光伏等领域的应用原理。
3、能够关注和了解光电材料与技术在日常生活中的应用。
掌握文献检索、资料查询、现代网络搜索工具的使用方法。
能够应用现代工具撰写报告、设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令。
七、教学重点与难点：课程重点：（1）光电材料的工作原理和应用。
本课程重点介绍针对半导体材料的电学性能和其在激光领域的应用。
（2）在了解半导体材料相关物理理论知识的基础上，重点学习基于半导体的光电器件的种类、应用和影响性能的因素等。
（3）重点学习的章节内容包括：第2章“激光”（6学时）、第3章“波导”（6学时）、第5章“光探测器”（4学时）。
课程难点：（1）通过本课程的学习，充分理解基于半导体材料的激光基本原理，激光器的基本构造以及应用范围。
（2）通过对光电材料及其光电器件的学习，了解影响光电材料与器件性能的因素和改进策略，从而具备设计和改进光电器件响应性能的能力。
八、教学方法与手段：教学方法：（1）课程邀请相关科研工作者做前沿报告，调动学生学习积极性。
（2）课堂讲授和相关多媒体小视频相结合，提高学生听课积极性，视频与课程内容相关，加深记忆和理解概念；（3）通过期末专题报告的形式，让学生讲解生活中与课程相关的知识或技术，台下的学生听众提问，而台上的学生为自己的观点进行辩护，从而产生互动，加深记忆和理解，更主要是能激发学生的兴趣。
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半导体的光吸烈的吸收光能，具有数量级为105cm-1的 吸收系数。材料吸收辐射能导致电子从低能级跃迁到较高的能 级。对于半导体材料，自由电子和束缚电子的吸收都是很重要。
I I0e x
大量的实验表明，价带电子跃迁是半导体研究中最重要的吸 收过程。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量较高能级的 吸收。其区别在于：原子中的能级是不连续的，两能级间的能 量差是定值，因而电子的跃迁只能吸收一定能量的光子，出现 的是吸收线；而在晶体中，与原子能级相当的是一个由很多能 级组成，实际上是准连续的能带，因而光吸收也就表现为连续 的吸收带。
级组成。如果电子和空穴都以各向同性的有效质量m*n和 mp*来表示，激子的束缚能为：
Eenx
8
q4
02
2 r
h2n2
mr*
mr* m*pmn* /(m*p mn* )
n=1时，是激子的基态能级；n=时，激子能量为零，相
当于导带底能级，表示电子和空穴完全脱离相互束缚，电
子进入导带，空穴仍留在价带。
(h ) A(h Eg )1/2 hν Eg
0
hν Eg
A→B：直接跃，k值不变的跃迁
半导体光吸收-本征吸收
实验上发现，当间接带隙半导体受到大于 禁带宽度的光子照射时，开始发生吸收。 从能带上可以看出，如果发生的是直接跃 迁，其能量都远大于禁带宽度Eg。由此看 出对于间接带隙半导体，直接跃迁与吸收 能量情况发生了矛盾。而光吸收过程中， 电子的跃迁仍然需要满足能量守恒和动量 守恒。此时如果电子从价带等跃迁到导带 底，其动量已经不在同一个值，不满足直 接跃迁条件，这样的跃迁为间接跃迁。而 要想满足间接跃迁的能量和动量守恒，在 光吸收的过程中，需要声子的参与。
激子在晶体中产生后，并不停留在该处，可以在整个晶体中运动； 但由于激子作为一个整体是电中性的，因此不形成电流。
激子可以分为万尼尔（Wannier）激子和弗伦克尔（Frenkel）激 子，前者电子和空穴分布在较大的空间范围，库仑束缚较弱，电子 “感受”到的是平均晶格势与空穴的库仑静电势，这种激子主要是半 导体中；后者电子和空穴束缚在体元胞范围内，库仑作用较强，这种 激子主要是在绝缘体中。
半导体光吸收-自由载流子吸收
在某些p型材料中还能观察到另外一种自由载流子吸收。价带
之间的载流子吸收。这种吸收与半导体材料的价带结构相关。
如Ge的价带是由三个独立的能带组成。每个波失k有三个状
0 (nm)
1240 Eg (eV
)
材料名称 Eg(eV) 0 (nm)
Si
ZnO
1.12
3.36
1107 376(3.30eV)
GaAs 1.43 867
GaN 3.44 360
半导体光吸收-本征吸收
❖
k ' k 光子动量
半导体光吸收-本征吸收
直接带隙半导体在发生本征跃迁时 是直接跃迁过程。对于直接跃迁， 如果对于任何k值的跃迁都是允许的， 吸收系数与能量之间有如下关系：
❖ 光电导效应，连续吸收谱。
❖ 低温时发现，某些晶体在小于禁带的能量就出现 一系列吸收线；并且对应这些吸收线并不伴有光 电导。可见这种吸收并不引起价带电子直接激发 到导带，而是形成所谓的“激子吸收”。
半导体光吸收-激子
理论和实验都表明，如果光子能量小于Eg，价带电子受激发后虽然 跃出了价带，但还不足以进入导带而成为自由电子，仍然受到空穴的 库伦场作用。受激电子和空穴互相束缚而结合在一起成为一个新的系 统，这种系统称为激子，这样的光吸收称为激子吸收。
间接跃迁、二级过程； hv0 EP 电子能量差E
电子跃迁前后k值发 生变化。
k'k q
半导体光吸收-本征吸收
半导体光吸收-本征吸收
弗朗兹-克尔德什（franz-keldysh）效应（强电场效应）: 在强电场作用下，本征吸收的长波限向长波方向移动，意 味着光子能量比禁带小的能量也能被吸收，这是光子诱导 的隧道效应引起的。
半导体材料 ZnO GaN ZnSe 激子束缚能 60meV 25meV 22meV
半导体光吸收-自由载流子吸收
对于一般半导体材料，当入射光子的频率不够高，不足以 引起电子从带到带的跃迁或形成激子时，仍然存在着吸收， 而且其强度随波长增大而增加。这种吸收是自由载流子在同 一带内的跃迁引起的，称为自由载流子吸收，也称带内吸收。 自由载流子吸收中，电子从低能态到较高能态的跃迁是在同 一能带内发生的，这种跃迁同样必须满足能量守恒和动量守 恒关系。自由载流子吸收的能量较低，往往为红外吸收。
半导体光吸收
半导体光吸收-本征吸收
hv hv0 Eg
在绝对零度时，半导体的价带完全被电子占
满，不可能发生带内的电子激发。但是当有
一定能量的光子照射半导体材料时，价带的
电子有可能吸收光子能量从价带跃迁到导带，
而在价带中留下一个空位，形成电子-空穴对。
这种电子从价带跃迁到导带形成的吸收过程
为本征吸收。显然，要发生本征吸收，光子
激子可以通过两种途径消失：一种是通过热激发或其它能量的激发 使激子分离成为自由电子或空穴；另一种是激子中电子和空穴通过复 合，使激子消失而同时放出能量（发射光子或同时发射光子和声子。）
半导体光吸收-激子消失
激子中电子和空穴之间的作用类似氢原子中电子与质子之
间的相互作用。激子的能态也与氢原子相似，由一系列能
能量必须等于或大于禁带宽度Eg。Eg是发生 本征吸收的最低能量限制。对于本征半导体
材料，对应的本征吸收谱在低频方向必然存
在一个低频限制0，当频率小于0，或波长 大于相应的波长L0，称为半导体的本征吸收 限，吸收系数迅速降。
hv0
Eg
hc
0
0 (nm)
1240 Eg (eV
)
hc
hv0 Eg 0
伯斯坦（Burstein）移动（重掺杂效应）: 对于费米能级进入到能带中的重掺杂半导体，如n型重掺杂 半导体。在低温时，费米能级以下的能级均被电子填充， 因此导带的电子吸收光子只能跃迁到高于费米能级以上的 能级上。则吸收限频率增加，波长向短波方向移动，发生 蓝移(短波长，高能量)。
半导体光吸收-本征吸收