半导体的光学性质和光电与发光现象
聚集发光量子点
聚集发光量子点聚集发光量子点是一种新型的发光材料，它具有高亮度、高色纯度、长寿命等优点，因此在显示、照明、生物医学等领域有着广泛的应用前景。
量子点是一种纳米级别的半导体材料，其尺寸在1-10纳米之间，具有独特的光电性质。
当量子点受到激发时，会发生电子跃迁，从而产生发光现象。
聚集发光量子点是指将多个量子点聚集在一起，形成一种新的发光材料。
聚集发光量子点具有以下几个特点：1.高亮度：由于量子点具有狭窄的发光峰，可以通过调节量子点的尺寸和组成来实现不同波长的发光，从而获得高亮度的发光效果。
2.高色纯度：量子点的发光峰宽度很窄，可以实现高色纯度的发光效果，比传统的荧光材料更加优越。
3.长寿命：量子点具有较长的寿命，可以在长时间内保持稳定的发光效果。
4.可调性：通过调节量子点的尺寸和组成，可以实现不同波长的发光，从而实现发光颜色的可调性。
聚集发光量子点在显示领域有着广泛的应用。
目前，液晶显示器是主流的显示技术，但其色彩饱和度和对比度有限。
聚集发光量子点可以作为液晶显示器的背光源，可以实现更高的色彩饱和度和对比度，从而提高显示效果。
聚集发光量子点在照明领域也有着广泛的应用。
传统的白炽灯和荧光灯存在能量浪费和污染环境的问题，而聚集发光量子点可以实现高效的发光效果，从而提高照明效率，减少能源浪费和环境污染。
聚集发光量子点在生物医学领域也有着广泛的应用。
由于其高亮度、高色纯度和长寿命等特点，可以用于生物成像和药物传递等方面。
例如，可以将聚集发光量子点标记在药物分子上，实现对药物分子的追踪和定位，从而提高药物的治疗效果。
聚集发光量子点是一种具有广泛应用前景的新型发光材料，其在显示、照明、生物医学等领域都有着重要的应用价值。
随着技术的不断发展和创新，聚集发光量子点的应用前景将会更加广阔。
半导体物理课件1-7章(第一章)
室温下，金刚石的禁带宽度为6～7eV，它是绝 缘体；硅为1.12eV，锗为0.67eV，砷化镓为1.43eV， 所以它们都是半导体。
★本征激发：
一定温度下，价带电子依靠热激发获得能量脱 离共价键，成为准自由电子。价带电子激发成 为导带电子的过程，称为本征激发。
•*第8章 半导体表面MIS结构 •*第9章 半导体异质结构 •*第10章 半导体的光学性质和光电与发光现象 •*第11章 半导体的热电性质 •*第12章 半导体磁和压阻效应 •*第13章 非晶态半导体
第1章 半导体中的电子状态
本章重点 •半导体材料中的电子状态及其运动规律
处理方法 •单电子近似——能带理论
Springer (2010) • 7 Donald A. Neamen 《半导体物理与器件》，4th Ed，电子工业出版社 • ……
课程设置：
绪论：
2014年诺贝尔物理学奖被授予了日 本科学家赤崎勇、天野浩和美籍日 裔科学家中村修二
表彰他们发明了蓝色发光二 极管(LED)，并因此带来的
1.2.2 半导体中的电子状态和能带
•★自由电子运动规律
动量方程 p m0v
能量方程 E p2
波方程
Φ
(
r
,t
2m0
)=A
e
i
(k
r
t
)
( x )e it
k为波矢，大小等于2/λ
• 方向与波面法线平行，即波的传播方向。
德布罗意假设:一切微观粒子都具有波粒二象性.
具有确定的动量和确定能量的自由粒子，相当于 频率为和波长为的平面波
半导体照明技术(第一讲)
半导体照明技术
等厚干涉
杨氏干涉
等倾干涉
牛顿环
图1-9 各种干涉条纹
半导体照明技术
2)光的衍射 光在传播路径中，遇到不透明或透明的障碍物，绕过障
碍物，产生偏离直线传播的现象称为光的衍射。 只有当小孔、 单缝或小屏的尺寸小于波长或和波长差不多时，才能观察到 明显的衍射现象．
c=λν
图1-1 电磁波谱和可见光谱
半导体照明技术
在电磁波谱中，波长为380~780nm(1nm＝10-9m)的电磁波，作 用于人眼能产生视觉，这部分电磁波叫可见光。可见光只占电磁 波谱极小的一部分。
单色光:由单一波长组成的光。 可见光按波长依次排列可以得到可见光谱。不同波长的可见光， 在视觉上会形成不同的颜色。 通常将可见光分为： 红(780~630nm)、橙(630~600nm)、黄(600~570nm)、 绿(570~490nm)、青(490~450nm)、蓝(450~430nm)和 紫(430~380nm)等七种单色光。 将可见光按波长从380~780nm依次展开，光将分别呈现紫、蓝、 青、绿、黄、橙、红色。
LED构造图
半导体照明技术
三、LED产业链 LED产业链大致可分为五部分：原材料，LED上游产业，LED 中游产业，LED下游产业，测试仪器和生产设备。
1、原材料
LED的原材料包括衬底材料砷化镓、氮化铝、磷化镓、磷砷 化镓、铟镓铝磷、铟镓氮等。它们大部分是III—V族化合物半导
体单晶，生产工艺比较成熟。原材料的纯度一般都要在6N以上。
图1-7 光的漫反射
图1-8 光的漫透射
半导体照明技术
（7）光的偏振 振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于
LED光学特性
LED光学特性发光二极管有红外（非可见）与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学来量度其光学特性。
1．发光法向光强及其角分布Iθ1）发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱的重要性能。
LED大量应用要求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90°。
当偏离正法向不同θ角度，光强也随之变化。
发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。
2）发光强度的角分布Iθ是描述LED发光在空间各个方向上光强分布。
它主要取决于封装的工艺（包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否）⑴为获得高指向性的角分布（如图1）①LED管芯位置离模粒头远些；②使用圆锥状（子弹头）的模粒头；③封装的环氧树脂中勿加散射剂。
采取上述措施可使LED2θ1/2=6°左右，大大提高了指向性。
⑵当前几种常用封装的散射角（2θ1/2角）圆形LED：5°、10°、30°、45°2．发光峰值波长及其光谱分布1）LED发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，绘成一条分布曲线——光谱分布曲线。
当此曲线确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。
LED的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及pn结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关。
LED光谱分布曲线1蓝光InGaN/GaN2绿光GaP:N3红光GaP:Zn-O4红外GaAs5Si光敏光电管6标准钨丝灯①是蓝色InGaN/GaN发光二极管，发光谱峰λp=460～465nm；②是绿色GaP:N的LED，发光谱峰λp=550nm；③是红色GaP:Zn-O的LED，发光谱峰λp=680～700nm；④是红外LED使用GaAs材料，发光谱峰λp=910nm；⑤是Si光电二极管，通常作光电接收用。
无论什么材料制成的LED，都有一个相对光强度最强处（光输出最大），与之相对应有一个波长，此波长叫峰值波长，用λp表示。
半导体物理教学大纲
《半导体物理》教学大纲课程名称：半导体物理学英文名称：Semiconductor Physics课程编号：课程类别：专业选修课使用对象：应用物理、电信专业本科生总学时： 48 学分： 3先修课程：热力学与统计物理学；量子力学；固体物理学使用教材：《半导体物理学》刘恩科等主编，电子工业出版社出版一、课程性质、目的和任务本课程是高等学校应用物理专业、电子与信息专业本科生的专业选修课。
本课程的目的和任务是：通过本课程的学习使学生获得半导体物理方面的基本理论、基本知识和方法。
通过本课程的学习要为应用物理与电信专业本科生的半导体集成电路、激光原理与器件、功能材料等后续课程的学习奠定必要的理论基础二、教学内容及要求本课程所使用的教材，共13章，概括可分为四大部分。
第1～5章，晶体半导体的基本知识和性质的阐述；第6～9章归结为半导体的接触现象；第10～12章，半导体的各种特殊效应；第13章，非晶态半导体。
全部课堂教学为48学时，对上述内容作了必要的精简。
10～13章全部不在课堂讲授，留给学生自学或参考，其他各章的内容也作了部分栅减。
具体内容和要求如下：第1章半导体中的电子状态1.半导体的晶格结构和结合性质2.半导体中的电子状态和能带3.半导体中电子的运动有效质量4.本征半导体的导电机构空穴5.回旋共振6.硅和锗的能带结构7.III-V族化合物半导体的能带结构8.II-VI族化合物半导体的能带结构9.Si1-xGex合金的能带10.宽禁带半导体材料基本要求：将固体物理的晶体结构和能带论的知识应用到半导体中，以深入了解半导体中的电子状态；明确回旋共振实验的目的、意义和原理，进而了解主要半导体材料的能带结构。
（限于学时，本章的第7-10节可不讲授，留学生参阅，不作具体要求）。
重点：半导体中的电子运动；有效质量；空穴概念。
难点：能带论的定性描述和理解；锗、硅、砷化镓能带结构第2章半导体中杂质和缺陷能级1.硅、锗晶体中的杂质能级2.III-V族化合物中的杂质能级3.氮化镓、氮化铝、氮化硅中的杂质能级4.缺陷、位错能级基本要求：根据不同杂质在半导体禁带中引入能级的情况，了解其性质和作用，由其分清浅杂质能级（施主和受主）和深能级杂质的性质和作用；了解缺陷、位错能级的特点和作用。
光学性能
• 掺粒的入C玻d璃Se在xS51-3x纳0n米m光颗 激发下，当颗粒尺寸 小至5nm时，会出现 激子发射峰。
• 550nm吸收和发射 • 掺杂能级
分散在乙二醇里的CdS纳米粒子 固相CdS纳米粒子的发射光
的发射光谱，激发波长为310 nm 谱，激发波长为345 nm
• 由图看出，随着微粒尺寸的变小而有明显的蓝移。
• 纳米微粒吸收带“蓝移”的解释有两个方 面：
• 一、量子尺寸效应 • 由于颗粒尺寸下降能隙变宽，这就导致光
吸收带移向短波方向。 • Ball等对这种蓝移现象给出了普适性的解释：
已被电子占据分子轨道能级与未被占据分 子轨道能级之间的宽度 (能隙)随颗粒直径减 小而增大，这是产生蓝移的根本原因，这种 解释对半导体和绝缘体都适用。
• 二、表面效应 • 由于纳米微粒颗粒小，大的表面张力使晶
格畸变，晶格常数变小。
• 对纳米氧化物和氮化物微粒研究表明： • 第一近邻和第二近邻的距离变短。 • 键长的缩短导致纳米微粒的键本征振动频
率增大，结果使红外光吸收带移向了高波 数。
• B 红移
• 在一些情况下，粒径减小至纳米级时光吸收带 相对粗晶材料呈现“红移”现象。即吸收带移 向长波长。
>10nm 5nm
• 激子带的吸收系数随粒径的减
小而增加，即出现激子吸收峰
并蓝移。
CdSexS1-x玻璃的光吸收谱
• (4) 纳米微粒的发光
• 光致发光是指在一定波长光照射下被激发到高 能级激发态的电子重新跃回到低能级被空穴俘 获而发射出光子的现象。
• 电子跃迁可分为：非辐射跃迁和辐射跃迁。 • 通常当能级间距很小时，电子跃迁通过非辐射
半导体照明技术(第二讲)精选全文
半导体照明技术
3．眩光 当视野内由于亮度分布或亮度不适宜，或存在着极端的亮度对
比，以致引起不舒适感觉和降低目标可见度的视觉现象，统称为眩 光。
可见度是指人眼辨认物体存在或物体形状的难易程度。
通常将眩光分为不舒适眩光和失能眩光： (1)不舒适眩光：产生不舒适感觉，但并不一定是降低视觉功效 或可见度的眩光。 (2)失能眩光：降低视觉功效和可见度的眩光。
半导体照明技术
五、视觉功效 人们完成视觉工作的效率称为视觉功效。用来定量评价视觉器 官完成给定视觉作业的能力。其主要的评价指标有以下几个方面：
半导体照明技术
3、光度量
光是能量的一种存在形式，光对物质的作用是与光能量的转化 相关的。在照明技术中，由于光作用于人的眼睛所产生的视觉强度， 不仅与光能量的大小有关，还与光的波长有关，所以在照明技术中， 为了更好地研究光在照明工程中的应用，通常采用的是以视觉效果 来评价光辐射的量——光度量。在照明工程中，常用的光度量有光 通量、发光强度、照度和亮度等。
位是：瓦（W）。
P dQe dt
半导体照明技术
（3）辐射强度J 单位时间在单位立体角内所辐射的能量，单位为：W/sr。
J dp
d
对于点辐射源，在整个空间的辐射通量P为：
2
P Jd o d 0 J sind
如果辐射通量在空间分布均匀，即J φθ不随φ和θ而改变，则：
P 4J
半导体照明技术
向θ变化，就称这些面辐射源是遵守朗伯定律的辐射源。这种源 又称为余弦辐射体或朗伯光源，对于这些表面，所有方向亮度
半导体照明应用的原理
半导体照明应用的原理什么是半导体照明半导体照明是一种基于半导体材料的照明技术。
相比传统的光源如白炽灯、荧光灯等，半导体照明具有更高的能效、更长的寿命、更好的颜色表现以及更小的体积等优势。
半导体照明应用广泛，包括家庭照明、商业照明、汽车照明等。
半导体照明的工作原理半导体照明的工作原理基于半导体材料中的特殊物理现象。
以下是半导体照明的工作原理的简要说明：1.半导体材料的带隙: 半导体材料具有一个禁带，禁带内电子不能自由移动，导带和价带之间的能量差称为带隙。
半导体材料根据带隙大小可以分为导电性能不同的P型和N型材料。
典型的半导体材料有硅(Si)和氮化镓(GaN)等。
2.注入载流子: 当P型和N型半导体相接触时，由于带隙的影响，电子从N型半导体的导带跃入P型半导体的价带，形成N-P结。
这个过程称为注入载流子。
3.复合辐射: 在N-P结中，电子和空穴会发生复合辐射的过程。
在这个过程中释放出能量，这些能量以光的形式辐射出来。
4.光出射: 在半导体材料中，光线由高折射率的材料向低折射率的材料中传播时，会出现全反射现象。
通过在半导体材料的一侧加入一个光学结构，可以改变光的传播路径，使光能够从半导体材料中出射。
半导体照明的优势半导体照明相比传统的光源有以下的优势：•能效高: 半导体照明的能效远远高于传统光源。
半导体发光二极管(LED)的光电转换效率可以达到70%以上，而白炽灯只有不到10%的光电转换效率。
•寿命长: 半导体照明的寿命非常长，可以达到几万小时甚至更久。
这是因为半导体照明没有像传统光源那样使用脆弱的灯丝或气体放电管，因此可以避免因灯丝烧毁或放电管损坏而导致的灯泡失效。
•颜色表现好: 半导体照明可以通过调整半导体材料的成分和结构来实现各种颜色的发光，色彩饱和度高、色温可调节，可以满足不同应用场景对颜色的要求。
•体积小: 半导体照明的器件体积非常小，可以实现灵活的设计和集成。
这使得半导体照明可以应用于各种复杂的环境和场景中。
半导体对光的吸收本征吸收杂质吸收激子吸收自由载流子吸收晶
雪崩 倍增效应 来放大光电信号以提高检测的灵敏度。 PN 结在高反向电
压下产生的雪崩效
应。其基本结构常常采用容易产生雪崩倍增效应的
Read 二极管结构 （即
N+PIP+型结构， P+一面接收光） ，工作时加较大的反向偏压，使得其达
到雪崩倍增状态；它的光吸收区与倍增区基本一致（是存在有高电场的
P 区和 I 区）。
dΦe Φe, d
hv
hv
光源在波长 λ为 0→∞范围内发射的总量子流速率
Ne
Φe, d
0 hv
Φe, max
Φe, r d
hc 0
20. 热释电器件的噪声主要有电阻的热噪声、温度噪声和放大器噪声等。
热噪声：来自晶体的介电损耗和与探测器的并联电阻。
热噪声电压随调制频率的升高而下降
放大器噪声：来自放大器中的有源元件和无源器件，及信号源的阻抗和放大
25. 硅光电池：基本结构：一个大面积的 PN 结。
硅光电池的工作原理是光生伏特效应 . 当光照射在硅光电池的 PN结区时 , 会
在半导体中激发出光生电子空穴对 .PN 结两边的光生电子空穴对 , 在内电场
的作用下 , 属于多数载流子的不能穿越阻挡层 , 而少数载流子却能穿越阻挡
层. 结果 ,P 区的光生电子进入 N 区,N 区的光生空穴进入 P 区, 使每个区中的
分。
电子光学系统——将电子图像成像在荧光屏上。
荧光屏——将电子动能转换成光能，是像管的电 - 光转换部分。
像管的工作原理
亮度很低的可见光图像或者人眼不可见的光学图像经光电阴极转换成电
子图像；
电子光学系统将电子图像聚焦成像在荧光屏上，并使光电子获得能量增
LED主要参数与特性
LED主要参数与特性led面板灯赛德利照明认为led是利用化合物材料制成pn结的光电器件。
它具备pn结结型器件的电学特性：I-V特性、C-V特性和光学特性：光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以与热学特性。
本文将为你详细介绍。
1、LED电学特性1.1 I-V特性表征LED芯片pn结制备性能主要参数。
LED的I-V特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。
I-V特性曲线图1 LED I-V特性曲线如图1：〔1〕正向死区：〔图oa 或oa′段〕a点对于V0 为开启电压，当V＜Va，外加电场尚克制不少因载流子扩散而形成势垒电场，此时R很大；开启电压对于不同LED其值不同，GaAs 为1V，红色GaAsP 为1.2V，GaP 为1.8V，GaN 为2.5V。
〔2〕正向工作区：电流IF 与外加电压呈指数关系：IF = IS (e qVF/KT –1)IS为反向饱和电流。
V＞0 时，V＞VF 的正向工作区IF 随VF 指数上升：IF = IS e qVF/KT〔3〕反向死区：V＜0 时pn 结加反偏压V= - VR 时，反向漏电流IR〔V= -5V〕时，GaP 为0V，GaN 为10uA。
〔4〕反向击穿区 V＜- VR ，VR 称为反向击穿电压；VR 电压对应IR 为反向漏电流。
当反向偏压一直增加使V＜- VR 时，那么出现IR 突然增加而出现击穿现象。
由于所用化合物材料种类不同，各种LED 的反向击穿电压VR 也不同。
1.2 C-V特性鉴于LED 的芯片有9×9mil (250×250um)，10×10mil，11×11mil (280×280um)，12×12mil (300×300um)，故pn 结面积大小不一，使其结电容〔零偏压〕C≈n+pf左右。
C-V 特性呈二次函数关系〔如图2〕。
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《半导体物理学》教学大纲
课程编号：
英文名称：Semiconductor Physics
学分：2 学时：32（其中实验学时：0）
先修课程：热力学与统计物理、量子力学
一、 目的与任务
本课程为电子科学与技术专业（光电子方向）的学科基础教育必修课程，是《光电技术与实验》、
《激光原理与技术》和《光电成像原理与技术》专业基础课程和专业课程的先导课程。课程的目的旨
在为后继的专业课程奠定理论基础，任务旨在让学生掌握半导体物理学的基本概念、基本理论和结论
以及相关的分析方法。
二、 教学内容（32学时）
第一章 半导体的能带理论（4学时）
1.1. 半导体的晶格结构和结合性质
1.2. 半导体中电子状态和能带
1.3. 半导体中电子的运动 有效质量
1.4. 本征半导体的导电机构 空穴
第二章 半导体中杂质和缺陷能级（2学时）
2.1硅、锗晶体中的杂质能级
2.2 Ⅲ－Ⅴ族化合物中的杂质能级
2.3缺陷 位错能级
第三章 半导体中载流子的统计分布（5学时）
3.1 状态密度
3.2 费米能级和载流子的统计分布
3.3 本征半导体的载流子浓度
3.4 杂质半导体的载流子浓度
3.5 一般情况下的载流子统计分布
3.6 简并半导体
第四章 半导体的导电特性（2学时）
4.1. 载流子的漂移运动
4.2. 迁移率与杂质浓度和温度的关系
4.3. 电阻率及其与杂质浓度和温度的关系
4.4. 玻耳兹曼方程 电导率的统计理论
4.5. 载流子的散射
4.6. 强电场下的效应 热载流子
4.7. 霍耳效应
第五章 非平衡载流子（6学时）
5.1. 非平衡载流子的注入与复合
5.2. 非平衡载流子的寿命
5.3. 准费米能级
5.4. 复合理论
5.5. 陷阱效应
5.6. 载流子的扩散运动 载流子的漂移运动 爱因斯坦关系式
5.7. 连续性方程式
第六章 p-n结（4学时）
6.1. p-n结及其能带图
6.2. p-n结电流电压特性
6.3. p-n结电容
6.4. p-n结击穿
6.5. p-n结的隧道效应
第七章 金属和半导体的接触（3学时）
7.1. 金属半导体接触及其能级图
7.2. 金属半导体接触整流理论
7.3. 少数载流子的注入和欧姆接触
第八章 半导体表面与MIS结构（4学时）
8.1 表面态
8.2 表面电场效应
8.3 MIS结构的电容—电压特性
8.4 硅－二氧化硅系统的性质
第九章 异质结（2学时）
9.1 异质结及其能带图
9.2 异质结的电流输运机构
9.3 异质结在器件中的应用
三、 考核与成绩评定
课程以课堂教学为主，成绩采用平时考核（10％）、作业（20％）和结课闭卷考试（70％）方式。
成绩评定按百分制，六十分为及格。
四、 大纲说明
1. 本大纲是根据我校光信息科学与技术、电子科学与技术（光电子）、光电信息科学与工程、光电信
息工程专业培养计划及其知识结构要求，并适当考虑专业特色而制定的。
2. 在保证基本教学要求的前提下，教师可以根据实际情况，对内容进行适当的调整和删节。
3. 本大纲适合光电类相关专业。
五、 教材、参考书
教材
刘恩科、朱秉升、罗晋生等.半导体物理学[M].北京：国防工业出版社，2001.
参考书
叶良修编著.半导体物理学[M]上册.北京：高等教育出版社，1983.
编写教师：白廷柱、陈思颖
责任教授：
教学院长签字：
《Semiconductor Physics》
Course Code:
Course Name: Semiconductor Physics
Class Hour: 32
Credit: 2
Course Description
Semiconductor materials and devices play important roles in modern industry society and
information products. Mastering the basic physical properties and basic knowledge of
semiconductors is prerequisite for further studies on relevant courses.
This course covers the rudimentary knowledge and basic theories of semiconductor physics,
including the lattice structure and electronic state of semiconductors; impurities and defect
energy levels in semiconductors; statistical distribution of carriers in semiconductors;
scattering and conductivity of carriers; generation, recombination and motion law of
nonequilibrium carriers; and surface and interface characters of semiconductors, such as p-n
junction, contact of metal and semiconductor, MIS structure, heterojunction.