半导体光学16发光谱
通过光致发光光谱计算激子解离效率
光致发光光谱（photoluminescence spectrum, PL谱）是一种常用的表征半导体材料光学性质的手段。
通过激发光源照射样品，测量样品发射的光谱特性，可以得到样品的发光峰值、半导体材料的载流子寿命和激子解离效率等重要信息。
本文将通过光致发光光谱计算激子解离效率的相关理论及计算方法进行探讨。
1. 光致发光光谱的基本原理光致发光光谱是指当外界光照射到样品后，通过测量样品发射光的能谱和强度变化，研究样品内部载流子的复合和发光过程。
在激子体系中，激子解离是一个重要的过程，激子的解离效率对半导体材料的发光性能有着重要影响。
通过光致发光光谱可以间接的推断出激子解离效率，为进一步研究半导体材料的光学性质提供了重要手段。
2. 激子解离效率的计算方法激子解离效率可以通过光致发光光谱中的激子发光峰和自由载流子发光峰的位置和强度变化来计算。
在样品中，由于激发光源的作用，激子和自由载流子会产生发光，通过测量样品的光谱可以得到激子和自由载流子的发光峰值。
激子解离效率可以通过以下公式计算：激子解离效率 = (激子发光峰值 - 自由载流子发光峰值) / 激子发光峰值其中，激子发光峰值和自由载流子发光峰值分别为在样品发光光谱中激子和自由载流子的发光峰值。
通过测量样品的光致发光光谱，并进行激子解离效率的计算，可以直观的了解激子解离过程对样品发光性质的影响。
3. 激子解离效率的影响因素激子解离效率受到多种因素的影响，主要包括材料的结构和纯度、激子的束缚能和载流子的密度等。
在材料的结构和纯度方面，晶格缺陷和杂质的存在会损害激子的稳定性，导致激子解离效率的降低。
而激子的束缚能和载流子的密度则会影响激子的形成和解离过程，进而影响激子解离效率的大小。
在研究激子解离效率时，需要综合考虑以上因素的影响，以更准确的评估半导体材料的光学性能。
4. 光致发光光谱计算激子解离效率的应用光致发光光谱计算激子解离效率是一种非常有效的手段，可以为半导体材料的光学性能研究提供重要的参考。
半导体物理第十章半导体的光学性质
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。
半导体物理第九章--半导体的光学性质
用透射法测定光在媒质（半导体） 中的衰减时发现, 光的衰减与光 强成正比, 若引入正比例系数α （光吸收系数）
dI I x
dx
光强在半导体媒质中的衰减规律
I x I0 expx
I0表示在表面（x=0）处入射光的强度 α的物理意义: 光入射导半导体内被吸收，使光强减小到原值 的1/e时，光波在半导体中所传播的距离即是吸收系数的倒数
本征吸收
0 :引起本征吸收的最低频率限；
cm1 100
0：本征吸收长波限
75
50
0
hc Eg
1.24eV Eg (eV )
[m]
25
0 4 8 12 16 μm
InSb的吸收谱
9.1 半导体的光吸收 9.1.2 本征吸收
3.光吸收时半导体中电子的跃迁要求
——能量守恒, 准动量守
恒。
很小
能量守恒和动量守恒E h h a E'
d2
vd
n E
n
V d
9.2 半导体的光电导 9.2.3 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。
9.2 半导体的光电导 9.2.3 复合中心和陷阱对光电导的影响
定光照下，定态光电导Δσs（对应Δns）越大，其 光电导灵敏度也越高。
前面推导的小注入时的Δσs公式为:
s qbI nn
可以看出，如果考虑到光电导灵敏度的话，材料光 电导的弛豫时间（由寿命τ来体现）越大，光电导 的定态值也越大（即光电导灵敏度越高）。
9.2 半导体的光电导 9.2.2 定态光电导及其弛豫过程
半导体量子点发光知识讲解
半导体量子点发光半导体量子点发光、半导体量子点的定义当半导体的三维尺寸都小于或接近其相应物质体相材料激子的玻尔半径Energy[¥ L1块状（三维〕和二錐、一维、零维纳米结构半导体材料的态密度示意图，二维是连续能级，而零维则变成分立能级.（约5.3nm ）时，称为半导体量子点。
二、半导体量子点的原理在光照下，半导体中的电子吸收一定能量的光子而被激发，处于激发态的电子向较低能级跃迁，以光福射的形式释放出能量。
大多数情况下，半导体的光学跃迁发生在带边，也就是说光学跃迁通常发生在价带顶和导带底附近。
半导体的能带结构可以用图的简化模型来表示。
如图所示，直接带隙是指价带顶的能量位置和导带底的能量位置同处于一个K空间，间接带隙是指价带顶位置与导带底位置的K空间位置不同。
电子从高能级向低能级跃迁，伴随着发射光子，这是半导体的发光现象。
診带iE1■对于半导体量子点，电子吸收光子而发生跃迁，电子越过禁带跃迁入空的导带，而在原来的价带中留下一个空穴，形成电子空穴对(即激子)，由于量子点在三维度上对激子施加量子限制，激子只能在三维势垒限定的势盒中运动，这样在量子点中，激子的运动完全量子化了，只能取分立的束缚能态。
激子通过不同的方式复合，从而导致发光现象。
原理示意图，如图所示，激子的复合途径主要有三种形式。
(1) 电子和空穴直接复合，产生激子态发光。
由于量子尺寸效应的作用，所产生的发射光的波长随着颗粒尺寸的减小而蓝移。
(2) 通过表面缺陷态间接复合发光。
在纳米颗粒的表面存在着许多悬挂键，从而形成了许多表面缺陷态。
当半导体量子点材料受光的激发后，光生载流子以极快的速度受限于表面缺陷态而产生表面态发光。
量子点的表面越完整，表面对载流子的捕获能力就越弱，从而使得表面态的发光就越弱。
(3) 通过杂质能级复合发光。
杂质能级发光是由于表面分子与外界分子发生化学反应生成其它杂质，这些杂质很容易俘获导带中的电子形成杂质能级发光。
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。
半导体材料的光谱学特性
半导体材料的光谱学特性半导体材料是现代科技中极为重要的一类材料，广泛应用于电子、光电子等领域。
在研究半导体材料的性质时，光谱学特性起着重要的作用。
通过分析和研究材料在光谱学上的表现，可以深入探究其电子结构、能带特性以及光电性能等方面的信息。
光谱学是研究光在物质中传播和相互作用的学科。
光谱学实验方案可以解析出各种材料的特征反射、透射、散射等光谱信号，并通过光源的能量与频率波长的关系掌握物质的光学特性和能带结构的重要信息。
对于半导体材料而言，光谱学特性包括吸收光谱、荧光光谱、拉曼光谱和透射光谱等。
吸收光谱是最常用的光谱学技术之一，它通过测量材料在特定波长下的光吸收强度来研究材料的能带结构和能量级分布。
半导体材料的吸收光谱通常会表现为能带间的跃迁。
根据量子力学理论，电子在能带中呈现离散能级，当外界光源的能量与材料内部的能级匹配时，电子就会吸收光子的能量，实现跃迁到高能级。
吸收光谱的特征峰值与材料结构以及其晶格缺陷等因素密切相关，因此通过分析吸收光谱，可以了解半导体材料的结构特点。
荧光光谱是指材料在受到光激发后，再释放出能量的过程中所产生的特定波长的光信号。
对于半导体材料而言，荧光光谱的研究可以揭示其电子结构和材料的缺陷性质。
当半导体材料受到能量激发后，电子会跃迁到较高能级，并在较短时间内返回到基态能级，释放出荧光光子。
荧光光谱的峰值位置、强度和寿命等参数可以提供关于材料电子结构和缺陷性质的重要线索。
通过荧光光谱的分析，可以探究半导体材料的光电物性及其潜在应用价值。
拉曼光谱是一种通过测量样品在受激光的照射下所产生的散射光谱来分析材料分子结构和晶格振动的方法。
对于半导体材料而言，拉曼光谱可以提供关于晶格振动模式、缺陷结构、晶格应变等方面的信息。
当激光作用于材料表面时，光子与分子或晶格发生相互作用，光子的能量被转移给了材料，从而改变了光的频率，形成的拉曼散射光就反映了材料内部结构的信息。
通过分析拉曼光谱，可以揭示半导体材料的微观结构及其表面性质。
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。
半导体材料光学性质的研究与优化
半导体材料光学性质的研究与优化光学性质是半导体材料中的重要特征之一，对于半导体材料的研究与应用具有至关重要的影响。
本文将从不同角度探讨半导体材料光学性质的研究与优化。
一、光学性质在半导体材料中的意义半导体材料在光学器件以及光电子领域具有广泛的应用，如激光器、光电导、太阳能电池等。
半导体材料的光学性质表现在光吸收、光发射、折射率以及光学吸收谱等方面。
这些性质直接影响着材料的效率和性能。
因此，研究与优化半导体材料的光学性质，对于提升器件效能有着重要意义。
二、探究光学性质的研究方法研究半导体材料的光学性质需要从实验与理论两个方面进行。
实验方法包括光学吸收光谱、光致发光光谱以及激光光谱等，这些实验手段可以通过测量得到材料的光学参数，如能带宽度、光学能隙和色散等。
理论方法则通过计算数值模拟或理论推导来得出材料的光学响应。
这些方法相互印证，共同揭示了半导体材料的光学行为。
三、研究光学性质的影响因素半导体材料的结晶形态、杂质浓度以及材料组成等是影响光学性质的重要因素。
这些因素会改变半导体材料的能带结构，从而使其光学行为发生变化。
以光吸收为例，当材料的能带宽度与入射光能量匹配时，光子能被吸收，从而形成吸收峰。
改变材料的能带宽度就可以调节吸收峰的波长范围。
通过调控材料的组成和结构，可以实现对光学性质的精确调控。
四、优化半导体材料的光学性质半导体材料的光学性质优化有助于拓宽其在光电子领域的应用。
一种常用的优化方法是多层膜结构的设计。
多层膜结构通过调节不同层的厚度和材料来实现对光学性质的优化。
例如，在激光器中，多层膜结构可以实现光反射和传输的控制，提高激光产生的效率。
此外，掺杂也是优化半导体材料的一种常用手段。
通过在半导体材料中引入特定的杂质原子，可以调节材料的能带结构，提高材料的光学性能。
五、前景与挑战随着半导体材料的研究不断深入，人们对于光学性质的研究也将迎来新的挑战。
一方面，随着材料结构的不断复杂化，传统的实验方法可能无法满足对光学性质的完全解析。
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(c) (d) A 1 ,k /c /. ●LO-声子伴线 激子极化激元从类激子支或瓶颈部分向 类光子支跃迁,同时发射一个或多个LO声子(LO-声子与载流子耦合比TO-声子和 AP都强).
类光子支发激子极化激元几乎无衰减长
距离传播,以相当高的几率穿过介质表面 进入真空.在此谱线区域,折射率
n2, csi1 nn 1si1 n2 130（0大于瓶颈
低温下 k B TLT , 激子位于LPB,可以
进一步发出声子驰豫到瓶颈积累； 高温下, 激子位于LPB的类激子部分（按 Boltzmann分布）,纵模支, UPB上.
●发光谱
ZnO (a) (b) A 5 , k c , k /c ; / 峰值来自于
UPB,附加极化激元和纵模激子复合.
A.自由激子辐射不可见. B.束缚激子复合发光约为3.34eV. C.低能端尾部来自于”瓶颈”,以上公式中 未考虑.
D.理论值：晶格的温度等于类激子极化激 元气的温度，与实验值复合很好. 第一支声子伴线与第二支声子伴线的强度 积分正比于温度
Q1,2II1 2llu um m d d T.
A.体激发：红宝石激光产生双光子激发， 厚度在毫米范围内,样品激发相对较均匀.
随着样品的厚度而增加,称为“空间散
射”. 5.非线性方法：
①双光子吸收
1 2 E f , k 1 k 2 k f .
激发纵模激子,UPB激子极化激元. 选择定则与单光子不同.
②双光子超拉曼散射
2 1 R f , 2 k 1 k R k f .
csi1 n n 1si1 n 5 1102 ,▲容易发生全反射.
▲●自由激子极化激元复合发光还受到小
逃逸层的限制.
极化强度 P P 0 e x tT 2 p ,I P 2 ,T 2 为
相驰豫时间. 小逃逸层厚度
les c vg T 21 3 0 1 5 0 c1 0 4p 0 s
1 0 0 .0m 3.
4.发光谱 ①激子极化激元发光非常微扰（即使在 低温下）. ▲半导体总发光效率 lum 通常很低,对于
直隙材料, 0 .0 0l1 u m 0 .1 .
▲原因： ●半导体内主要的复合过程是涉及缺陷中 心非辐射复合过程（大部分辐射来自于
束 缚激子复合物,施主-受主对和其它缺 陷中心）. ▲●激子极化激元在传播中可能被杂质或 声子散射,或被俘获. ●内反射. 在许多情况下,光子即使达到介 质表面还可能被反射回来.LPB中瓶颈处, 折射率n=5,典型临界角
激发纵模激子,LPB激子极化激元.
14.5 表面激子极化激元 1.实验 受抑全反射ATR 反射率
T s L ,R .
色散关系
LT1m 2 e.V
比较非耦合振子系统中表面极化激元.
2.比较表面声子极化激元
比较非耦合振子系统中表面极化激元.
提高发光效率有重要意义.
发射光谱PL：
I出 I出 ex 常 c ,数
即激发光频率一定，发射光强度随发射光
频率的分布. 对研究与激发与辐射复合过程有关的半导
体电子态,揭示辐射复合发光的物理过程有
更重要的意义. ④自由激子, 自由激子极化激元复合发光 ●驰豫
连续态激子发出声子驰豫到低能态：
处 c 120, 光发生全反射机会减弱）,发光
效率较高.
若忽略瓶颈部分,视激子按照oltzmann分
布, 激子数为
N E ki n E k 12ienx 0 E p ,o kitk nB h T feorkrw i n E 0,ise
其中Ekin
2k2 2M
.
发光强度为
Im lu m E k 12e in x E k p 0 ik ,o n B T W tm h E .ke ifn ro k w r in 0 E ,ise
面激发：紫外激发到连续态, 厚度在微米 范围内. B.在 T10 K0 范围内,两者激发的效果 一致；当 T10K,0 两者激发的效果偏离.
I1lum 降低,以至于低于 I2lum, 即
I1 I21,这是由于吸收尾引起的光子再吸 收(影响高温下激子极化激元的逃逸深度).
对于吸收尾,光子能量一定, 温度越高, 吸 收系数越大,温度一定,光子能量越大,吸
作为比较,共振区内,
多次循环过程,不会传播到远离表面处, 因此,最容易从光照面出射（称为前表面 发光）.对薄样品,在激发光吸收较弱的情 况下,背向发光（透射光）也是可能的. ③光谱 ●激发光谱PLE：
I出 Iecx Iex 常 c ,即数 发射光强度随激发
光频率的分布.
对分析发光的激发过程，激发机制以及
收系数越大.因此, I1lum中光子比 I2lum
中光子吸收更强,而体激发情况下吸收强 于面激发情况.
14.4 激子极化激元色散关系的实验测定
1.利用反射谱中FP模
①FP模
2nd
mm
,km
2 m
m ,m
nd
1,2,3,,
km
, nd
m
nm 即确定.
②L(附近R最小)之后,UPB出现.LPB
占传播模中比例减弱. nLPBnUP.B
mL P BmU ,P FPB 模对透射谱的调制
减弱,因此. 对反射谱的调制减弱.
2.布里渊散射 散射声学声子：
点处，
E f i p h V pk h ph
k f k i.
背向散射, E 2ki2kf.
其中 E 0 m L E O k ,Ei0 为n 偶极跃 迁下且 k0处激子能量.
跃迁几率 W mE kin E k lmi.n
m1,l11,发射一个LO声子,
W m E ki n E k m ik n 2 ,类光子激子极化激元
的波矢可略. m2,l10,发射两个LO声子, Im lumN, 直接反应了激子极化激元的初态粒子数分布.
背向散射, GaSe,CdS,ZnSe中观察到.
3.折射率
n 2 ,1 0 4,k 0 2 .5 0 1 6 c 0 1 m .
4.测定皮秒脉冲的群速度
测定脉冲的群速度,即确定散射关系的斜
率.
Vg
d
dk
～ 510 5c.
射样品L,后UP,变B成和L两P个B群脉速冲度,它不们同之,一间脉的冲距入离