光电子器件是利用半导体光电效应制成的半导体器件

光电子器件是利用半导体光电效应制成的半导体器件第六章光电子器件本章内容6-1辐射跃迁和光的吸收6-2发光二极管6-3半导体激光器6-4太阳能电池6-5光电探测器6-1

辐射跃迁与光的吸收

一、电磁波谱6-1

辐射跃迁与光的吸收二、辐射跃迁辐射跃迁是指电子从高能级跃迁至低能级，并发射出一个光子的过程。辐射跃迁是光吸收的逆过程，主要包括本征辐射跃迁、杂质辐射跃迁、施主与受主之间的辐射跃迁和激子辐射跃迁。1.本征辐射跃迁导带中的电子向价带跃迁，同价带中的空穴复合，产生能量大于或等于禁带宽度的光子，即为本征辐射跃迁。复合过程分为两种：直接复合和间接复合。6-1

辐射跃迁与光的吸收直接复合：导带中的自由电子直接回到价带，与价带中的自由空穴复合。间接复合：自由电子和自由空穴通过禁带中的复合中心进行复合。半导体内的杂质或缺陷都可作为复合中心。电子先落在复合中心上而失去导电性，又由于库仑力的作用而与空穴复合。2.杂质辐射跃迁杂质半导体中施主能级和受主能级与导带和价带之间产生辐射跃迁，形成光辐射。6-1

辐射跃迁与光的吸收

杂质辐射跃迁有以下几种：

电子从导带到受主能级的辐射跃迁

空穴从施主能级到价带的辐射跃迁

电子从导带到施主能级的辐射跃迁

空穴从受主能级到价带的辐射跃迁辐射能较小，称为浅能级辐射跃迁深能级辐射跃迁6-1

辐射跃迁与光的吸收3.施主与受主之间的辐射跃迁4.激子辐射跃迁如果在半导体中既有施主杂质，又有受主杂质，就可能发生施主与受主之间的辐射跃迁，发射出的光子能量小于禁带宽度。激子复合而产生的光辐射本征辐射>激子辐射>杂质深能级辐射>杂质浅能级辐射

辐射光子的能量：6-1

辐射跃迁与光的吸收三、光的吸收光的吸收是指电子吸收光子能量从低能级跃迁至高能级的过程。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。

本征吸收、杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收和晶格吸收。6-1

辐射跃迁与光的吸收本征吸收产生的条件：或只与禁带宽度有关结果：产生等量的自由电子和自由空穴

阈值波长6-1

辐射跃迁与光的吸收2.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。

T=300K，Si的阈值波长为1.1µm，Ge的阈值波长为1.8µm，GaAs的阈值波长为0.92µm。6-1

辐射跃迁与光的吸收杂质吸收产生的条件：光子能量大于杂质电离能

阈值波长6-1

辐射跃迁与光的吸收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。

T=300K，掺P的和掺B的Si阈值波长均为29µm，掺B的Ge阈值波长为120µm，掺Au的Ge阈值波长为25µm。实际上，杂质吸收还可以由价带与施主能级之间的跃迁和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。6-1

辐射跃迁与光的吸收3.自由载流子吸收自由载流子：能够在能带内自由运动的载流子。导带内的电子或价带内的空穴吸收光子能量，在本能带内由低能级跃迁到高能级，称为自由载流子吸收。

自由载流子吸收的光子能量小于杂质吸收和本征吸收。4.激子吸收激子：当光子能量小于Eg时，受激电子虽然跃出了价带，但还不足以进入导带形成自由电子，受激电子和留在价带的空穴通过库仑力相互作用，彼此束缚，这种束缚态称为激子。因这种激子能在半导体中运动，所以称为自由激子。6-1

辐射跃迁与光的吸收激子吸收：激子的能级在禁带中，能产生激子的光吸收称为激子吸收。5.晶格吸收原子吸收能量较低的光子，将其转变为晶格的振动能量。半导体中本征吸收和杂质吸收要远大于其它吸收，而且，其它吸收并不直接产生非平衡载流子，而是将吸收的光子能量转化为热能，使温度升高，再激发载流子。因此我们一般只考虑本征吸收和杂质吸收。

光与物质的相互作用有三种形式：受激吸收、自发辐射和受激辐射。四、光与物质的相互作用6-1

辐射跃迁与光的吸收在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光的作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴。1.受激吸收：

激发光子的能量必须满足高能级上的粒子可以跃迁到任意一个较低能级，频率范围很宽。在高能级E2的电子处于不稳定状态，即使没有外界的作用，也会自发地向低能级E1跃迁，跃迁的同时，以发射光子的方式释放能量，这种跃迁称为自发辐射。自发辐射的特点：2.自发辐射：6-1

辐射跃迁与光的吸收各个原子独立进行跃迁，其辐射的光子无规律，频率、相位、方向、偏振态各不相同，辐射光为非相干光。3.受激辐射：高能级E2

上的电子受到频率为外来光子的激发，从高能级跃迁到低能级，同时放出一个光子，其能量为受激辐射产生条件：外来光子的能量等于跃迁能级差。全同光子：发射出光子的频率、相位、传播方向和偏振状态均与激发光子相同。6-1

辐射跃迁与光的吸收

发光二极管的主要工作过程是自发辐射，半导体激光器则是受激辐射，而太阳能电池和光电探测器的工作过程则是光吸收。6-1

辐射跃迁与光的吸收五、受激吸收、自发辐射和受激辐射的关系

设在单位物质内，处于低能级E1和处于高能级E2的粒子数分别为N1和N2。

系统处于热平衡状态时，粒子分布遵循玻耳兹曼统计分布在热平衡状态下，总是有N1>N2，受激吸收速率大于受激辐射速率。受激辐射速率+自发辐射速率=吸收速率

假如光子的受激辐射大于光子的吸收，则电子在较高能级的浓度会