中科大材料的光吸收和光发射课件

第二篇材料的光吸收和光发射

古代中国青铜器时代，通过材料的光泽和颜色来估计铜合金的组分，对材料的光学性质有了初步的认识。公元前四世纪周朝“光至，景亡；若在，尽古息”。描述了物体对光的透射、吸收和反射，一种朴实的观点。十九世纪末，二十世纪初，通过光与物质的相互作用的研究使得物理学和材料科学发生了重大转折：1）X光的发现－晶体结构；2）天然放射性的发现－原子和原子核时代；3）黑体辐射的发现－量子力学；4）激光器的发明－改变人们对光性质的认识；5）纳米材料所显示出来的特殊的光学性质，表明物体维度的变化会引起材料光谱性质发生显著变化－量子尺寸效应

光通过材料后，其强度或多或少地会减弱，实际上就是一部分光能量被固体吸收－光吸收对材料施加外界作用，如加电磁场等激发，有时会产生发光现象－光发射这里涉及两个相反的过程：光吸收和光发射。光吸收：光通过固体时，与固体中存在的电子、激子、晶格振动及杂质和缺陷等相互作用而产生光的吸收。光发射：固体吸收外界能量，其中一部分能量以可见光或近于可见光的形式发射出来。

研究材料光吸收和光发射的意义研究固体中的光吸收和光发射，可直接地获得有关固体中的电子状态，即电子的能带结构及其它各种激发态的信息。§1材料光学常数间的基本关系

§1.1吸收系数§1.2折射率和消光系数与电导率之间的关系§1.3折射率和消光系数的Kramers-Kronig

变换人眼所感受的叫可见光的波长范围：

=400—760nm

对应的频率范围：

=7.5

4.3

1014Hz§1.4反射与透射率电磁波谱—波长与频率的对应关系

可见，肉眼可见的光频段窄小c0

真空中光速，c0=3.0×108

m/s§1.1吸收系数当光射向或透射固体时，可能被反射、吸收或透过。吸收率：A反射率：R透过率：T

它们之间的关系为

§1.1吸收系数光在材料中传播时，其强度或多或少地被削弱，这一衰减现象为光的吸收光在材料中入射、反射、透射示意图

§1.1吸收系数入射光强：I0，反射光强：RI0，透入表面而进入体内的光强：（1－R）I0。经过距离为d而达到材料另一端时，光强减弱为，所以最后透射出的光强为：

为吸收系数，量纲为cm-1。设R=0时，则

表示光在材料中传播距离d=1/

时，光强衰减到原来的1/e。例如：对于

＝104cm-1的吸收体（如半导体GaAs），光经过该材料d=1m后，光强减小到原来的1/3。而对于金属铜而言，

＝107cm-1，d=10-3

m。

越大，材料对光吸收的本领越大。§1.1吸收系数吸收系数的基本情况

光在媒质中的传播时，就会产生折射现象。平面电磁波角频率：

沿某一方向（设为x轴）传播电场强度：E媒质的复数折射率：nc宏观电磁波理论电磁波在介质中的传播§1.1吸收系数宏观电磁波理论光波以c/n

的速度沿x方向传播，其振幅按的形式下降

n

是通常的折射率(一般半导体的n=3－4)，而

表示光能衰减的参量，即消光系数

消光系数吸收系数的基本情况

§1.1吸收系数光的强度正比于光场振幅的平方

宏观电磁波理论其中，吸收系数吸收系数表示光在材料中传播的指数衰减率。吸收系数

和消光系数

都表示物质的吸收。

吸收系数的基本情况

§1.1吸收系数宏观电磁波理论光在材料中的穿透深度（也叫趋肤深度）

d1：光强穿透深度d2：振幅穿透深度二者相差2倍穿透深度吸收系数的基本情况

§1.2折射率和消光系数与电导率之间的关系Maxwell方程组

先决条件：无限大、均匀、各向同性且不带电，材料的性质用介电常数

，磁导率

和电导率

来表征，入射光的波段设定为50nm~500m(25eV~0.002eV)，其下限设定为50nm，使波长足够短，但仍大于原子半径。材料可以被认为是连续介质

MaxwellEquations§1.2折射率和消光系数与电导率之间的关系Maxwell方程组

先决条件：无限大、均匀、各向同性且不带电，材料的性质用介电常数

，磁导率

和电导率

来表征，入射光的波段设定为50nm~500m(25eV~0.002eV)，其下限设定为50nm，使波长足够短，但仍大于原子半径。材料可以被认为是连续介质

MaxwellEquations目的：求解n、

与

之间的关系

§1.2折射率和消光系数与电导率之间的关系Maxwell方程组

矢量运算法则

（设电磁波沿x

方向传播）§1.2折射率和消光系数与电导率之间的关系Maxwell方程组

如果用于光学方面的材料为非磁性的，则它们的磁导率系数接近于真空的情形，

利用复数相等条件：实部与虚部分别相等，所以有§1.2折射率和消光系数与电导率之间的关系Maxwell方程组

讨论：（1）导电能力很差的材料，如电介质：

0，n

，消光系数

0，材料几乎是透明的

（2）导电能力较好的材料，如金属：

很大，

§1.2折射率和消光系数与电导率之间的关系光吸收系数与电导率之间的关系

（1）金属材料，其光的穿透深度

（2）不良导体

具有较小的消光系数

，其穿透深度

§1.2折射率和消光系数与电导率之间的关系光吸收系数与电导率之间的关系

举例：对半导体材料Ge

而言，电导率

＝0.11－1

cm－1，

＝16，满足条件因此折射率与电介质材料类似。§1.3折射率和消光系数的Kramers-Kronig

变换

不论是折射率n还是消光系数

都与微观粒子在光作用下的运动有关。那么，这些量之间有些什么内在联系？

Kramer's和Kronig

认为，凡是由因果关系确定的光学响应，其实部和虚部之间并不完全独立，而是有一定的相互关系的。

§1.3折射率和消光系数的Kramers-Kronig

变换

Kramers-Kronig（KK）变换

设

c

为复介电常数

根据Maxwell方程式，可以推得广义的Maxwell关系式

其中P代表Cathy积分主值

§1.3折射率和消光系数的Kramers-Kronig

变换

运用Kramers-Kronig（KK）变换

复折射率则折射率的色散关系

原则上讲，如果吸收光谱，就可以从上式求出折射率的色散关系

§1.4反射与透射率简单的正入射情形

（1）透明材料，

＝0

（2）金属材料

可见，对于金属材料，反射率很大，接近于1

24§2材料中的光吸收过程某一假设半导体材料的吸收光谱

25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，即光吸收处于激发态的电子会自发或受激再从激发态跃迁到基态，并将吸收的能量以光的形式辐射出来（辐射复合），即发光或光发射；当然也可以无辐射的形式如发热将吸收的能量发散出来（无辐射复合）。26材料的光吸收区主要可以划分为六个区基本吸收区吸收边缘界限自由载流子吸收晶体振动引起的吸收杂质吸收自旋波或回旋共振吸收

27

基本吸收区:谱范围在紫外－可见光－近红外光。电子从价带跃迁到导带引起光的强吸收，吸收系数很高，常伴随可以迁移的电子和空穴，出现光电导。

282.吸收边缘界限：电子跃迁跨越的最小能量间隙，其中对于非金属材料，还常伴随激子（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—激子）的吸收而产生精细光谱线。

293.自由载流子吸收：导带中电子或价带中空穴在同一带中吸收光子能量所引起的，它可以扩展到整个红外甚至扩展到微波波段，显然吸收系数是电子（空穴）的浓度的函数。金属材料载流子浓度较高，因而这一区吸收谱线强度很大，甚至掩盖其它吸收区光谱。304.晶体振动引起的吸收：波长在20～50

m入射光子和晶格振动（声子）相互作用引起的315.杂质吸收：杂质在本征能带结构中引入浅能级，电离能在0.01eV左右，只有在低温下易被观察到。（为什么？）326.自旋波或回旋共振吸收：自旋波量子、回旋共振与入射光产生作用，能量更低，波长更长，达到mm量级。33§2.1基本吸收半导体GaAs的吸收光谱

在1.4eV

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。通过光谱学的方法研究幂指数吸收区的光学过程、规则及机制34强吸收区：吸收系数

(

)为104cm-1-106cm-1，

(

)随光子能量ħ的变化为幂指数规则，其指数可能为1/2，3/2，2等e指数吸收区：吸收系数为102cm-1左右，

(

)随ħω为e指数变化律弱吸收区：吸收系数

(

)一般在102cm-1以下

35几种重要半导体材料的能隙和

0

的关系

36§2.2允许和禁戒的直接跃迁基本吸收分为两类：

直接跃迁间接跃迁

37假定：半导体是纯净半导体材料，0K

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直接跃迁电子吸收光子能量从价带到导带的直接跃迁

381、允许的直接跃迁如果所有跃迁都是许可的，跃迁几率Pif

是一个常数。吸收系数

可近似表示为

这里Ni(Ei)、Nj(Ej)和N分别表示电子跃迁的初态态密度、末态态密度和联合态密度39对于抛物线型简单能带结构，设价带顶为坐标原点（并对直接带隙）

能量守恒要求mr

为约化有效质量

40在单位能量间隔内，k

空间从k到k+dk

范围内的状态数（或态密度）为

显然，吸收系数与成正比

理论上可以求得

B与

无关，上式中n

为纯净半导体材料的折射率

允许的直接跃迁，其吸收系数

与频率(h

)1/2成正比412、禁戒的直接跃迁在某些材料中，由于对称性的不同，在某些情况下，即使是直接带隙的材料中，在k＝0处，由于量子力学的选择定则的限制，电子的直接跃迁是禁止的，而k

0的跃迁是允许的。在这种情况下，有这样的跃迁称之为k=0被禁戒的跃迁。此时，跃迁几率Pif不再是一个常数，它正比于k2，即正比于42禁戒的直接跃迁，其吸收系数

与频率(h)3/2

成正比（与

有关）

禁戒的直接跃迁吸收系数43§2.3间接跃迁实验中还常常发现在纯的半导体材料如锗、硅和重掺杂的半导体中出现平方吸收边，即：

它是间接跃迁的结果

两种情况可以导致这种间接跃迁吸收

声子参与下的跃迁：

电子不仅吸收光子，同时还和晶格交换一定的振动能量，即放出或吸收一个声子。这种吸收与直接跃迁光吸收不同，其吸收系数与温度密切相关（为什么？）。其原因是不同的温度晶格振动是不同的，声子的数密度随温度有一分布，且光吸收系数（1-103cm-1）比直接跃迁（104-106cm-1)小得多。

杂质散射参与的吸收

44某些半导体材料其导带底k值和价带顶k'

值不同（间接带隙材料），电子从价带到导带的跃迁由声子参与来完成

45电子吸收光子能量从价带到导带的间接跃迁。Ep

表示声子的能量

电子要吸收一个声子才能跃迁到导带

电子要发射一个声子才能跃迁到导带

在满足能量守恒律时，动量也必须守恒。因为光子动量很小，不足以改变电子的动量，因此必须有声子的参与。q为声子波矢表示电子在跃迁时发射（－）或吸收（+）一个声子

46能量守恒律要求

假定：材料具有抛物线型简单能带结构能量处于Ei

的初态态密度为能量处于Ef

的终态态密度为47显然吸收系数正比于初态和终态态密度之积，并对所有两态之间相隔为的可能组合进行积分，对态密度的卷积化为对初态Ei（价带）的积分。考虑到吸收系数正比于电子和声子相互作用几率

Np

表示能量为Ep

的声子之数密度，于是吸收系数为

间接跃迁材料的吸收系数48声子分布遵从玻色分布

伴随声子的吸收过程（因为只有吸收声子的能量，才能保证）

既可以伴随声子的吸收过程，也可以伴随光子发射。当伴随声子发射的吸收系数

49如果光子能量

两种吸收均有，总吸收系数为

如何理解左图所示的吸收曲线？§2材料中的光吸收过程如果光子能量

两种吸收均有，总吸收系数为

间接跃迁材料的吸收系数讨论：1)以

a

为主

a

＝0

由

线段得到吸收边斜率为

伴随声子吸收过程，并对应吸收系数较低的线段

将此线段延伸到与

h

相交，得到

随着温度的降低，线段的斜率随之降低。

2)对应于吸收系数较高的线段，它既包括声子的发射也包括声子的吸收过程。

e＝0

但在低温下发射一个声子的几率远大于吸收一个声子的几率，因此这段直线的斜率，基本上由发射声子的几率决定，即

随着温度的降低，此直线段的斜率也随之降低，将此线段延伸至与能量轴相交，得

3)通过测量关系，可以获得两个重要的参数Ep

和Eg。4)不同温度下，Eg

可能不同，随着温度的降低，一般Eg

增大，在这种情况下，会发现随着测量温度的降低，吸收边“蓝移”；也可能随着温度降低Eg

减小，将出现吸收边“红移”，究竟是“红移”还是“蓝移”要视具体情况而定。

以

e为主

a＝0

e＝0

总之§3激发态载流子的光吸收在不吸收声子的情况下，不能引起带隙间的跃迁，但可以引起同一带内的跃迁。

载流子的光吸收：同一带中的载流子，如导带中的电子或价带中的空穴，吸收光子后，引起载流子在一个能带内的跃迁。吸收基本上发生在远红外波段。

特点是吸收光谱没有精细结构

吸收系数

与光波

n成正比，n在1.5～3.5

之间

半导体材料导带中的自由载流子的光吸收

为满足动量守恒，必须有声子或电离杂质的散射来补偿电子动量的改变一般地，激发态载流子的光吸收系数可以表示为

理论分析表明(S.Visvanathan,Phys.Rev.120(1960)376;H.Y.Fan,W.G.SpitzerandR.J.Collins,Phys.Rev.101(1956)566)载流子光吸收主要对因与如下三种机制

电子－声学声子作用电子－光学声子作用电子－电离杂质作用

晶格点阵中相邻的离子以相同的方向运动晶格点阵中相邻的离子以相反的方向运动

§4晶格吸收晶格振动，因此所有固体都具有一个由于光子和声子相互作用所引起的吸收区域晶格振动的频率在红外波段（10～100

m）红外吸收光谱和喇曼散射被广泛地用来研究材料的晶格振动问题。通过对晶格振动的研究可以了解材料的结构、相变以及杂质和缺陷的有关问题

§5杂质和缺陷吸收

实际晶体中总是或多或少地含有杂质和缺陷（包括空位、位错、层错、形变等），晶格周期性势场局部受到破坏。该局部区的电子态将不同于其它部分，从而在禁带中出现浅能级，为载流子的跃迁提供了机会。有意识的掺杂是控制和改善微电子和光电子器件的必由之路。然而不适当的杂质和缺陷会给器件带来致命的问题。杂质和缺陷上的原子参与晶格振动，在晶格振动谱中也可显示出来电子吸收光子能量从基态跃迁到各相应的浅能级激发态低温下半导体的杂质吸收光谱是杂质能级的直接实验证据

离子晶体中正负离子缺位引起的局部能级

A为正离子缺位，B为负离子缺位

正离子缺位引起一个带负电的缺陷，容易俘获空穴以保持电中性。而俘获了空穴的负电中心（正离子缺位），给处于价带的电子跃迁提供了机会，类似于杂质半导体的受主。当价带中的电子受激被激发到俘获了空穴的负电中心的能级上（A能级），从而在价带产生空穴。对卤元素过量的碱卤化合物晶体，通常在紫外光区出现一吸收带，称为V带，吸收中心称为V心。§5.1正离子缺位当负离子过剩时，正离子出现缺位

负离子缺位引起一个带正电的缺陷，容易俘获电子以保持电中性。而俘获了电子的正电中心（负离子缺位），当晶体受到光照后，这个被束缚的电子（B能级上）就有可能被电离到导带中。与半导体中施主相似，在可见光出现吸收带，F带，吸收中心为F心（来自德文Farbzentren）。§5.2负离子缺位当正离子过剩时，负离子出现缺位

离子晶体中其它杂质在其中也能形成一些浅能级，电子吸收光子后产生跃迁，出现如R1、R2、M和N等带，遍及红外到远红外光区，相应的吸收中心称为R1、R2、M和N等色心。§5.3其它色心§6激子光谱可以将激子简单地理解为束缚的电子-空穴对。在价带自由运动的空穴和在导带自由运动的电子，有可能通过库仑相互作用重新束缚在一起，形成束缚的电子-空穴对－激子。

激子的吸收和发光光谱与带到带之间跃迁的光谱不同，具有特征结构。

半导体中激子的束缚能（或激子结合能）一般很低，约几个或十几个mV。因此，在室温下，一般观测不到激子的吸收现象。

GaAs带间跃迁吸收边对比，其主要特征是在吸收边低能方向出现一系列吸收峰，而且吸收强度比带间跃迁吸收高得多。n=1，2，3，...

的吸收谱被归结为自由激子吸收，而标号为D0-X的吸收峰为中性施主杂质上束缚激子的吸收。二者共同点是在吸收边低能方向出现一系列吸收峰，不同点是Cu2O中吸收峰的标号不是从n=1开始，而是n=2，3，4，…这是由于选择定则决定的。另外，由于带边背景吸收的影响，吸收峰呈现不对称性。

讨论

与带间跃迁的吸收光谱不同，上述分立吸收峰出现的同时并不伴随光电导，说明这些分立的吸收峰不是由于价带电子到导带的跃迁引起的，很可能是价带电子被激发到导带底部以下某些分立能级引起的，因此提出激子跃迁的假设。为什么激子的运动不伴随光电导的变化？其原因是激子本身是电中性的，空穴－电子对的运动朝一个方向。由于激子的能量低于自由电子的能量，由此可以理解，为什么激子吸收的能量低于带隙Eg，以及激子吸收峰分布在带-带间跃迁吸收边的低能方向。§7光电效应、光电导和光生伏特半导体吸收光后产生三个重要效应光电效应光电导效应光生伏特效应

这三种效应在光电器件和光电子技术中具有重要的作用，根据这些效应可制成不同的光电转换器件(或称光敏元件)

§7.1光电效应光线照射在某些物体上，而使电子从这些物体表面逸出的现象称为光电效应，也称光电子发射，逸出的电子称为光电子。爱因斯坦方程描述入射光能量和光电子动能、逸出功的关系

入射光能量：h

光电子动能：mv2/2逸出功：A三个重要特征：1）h

>A（或功函数）时，才会有光电子发射出来，才会产生光电效应；

h

<A

时，不能产生外光电效应；

h

=A

时，光电子的初速度v

＝0

可以产生此光电子的单色光频率为v0，为该物质产生光电效应的最低频率，称其为红限频率。

显然，如果入射光的频率低与于红限频率，不论入射光的强度有多大，也不会使物质发射光电子。而对于高于红限频率入射光，即使是光线很弱也会产生光电子。

2）当入射光的频谱成分或频率不变时，光电流与入射光的强度成正比。3）由于电子逸出时具有一定的初动能可以形成光电流，为使光电流为零需加反向电压才能使其截止。§7.1光电效应§7.1光电效应光电管的应用：真空光电管，将光信号变为电信号光电管结构示意图

§7.1光电效应光电管的构成：一个阴极K和一个阳极A构成，共同封装在一个真空玻璃泡内，阴极K和电源负极相联，阳极A

通过负载电阻同电源正极相接，管内形成电场。工作原理：当光照射阴极时，电子便从阴极逸出，在电场作用下被阳极收集，形成电流I，该电流及负载RL

上的电压将随光照强弱而变化，从而实现了光信号转换为电信号的目的。§7.1光电效应真空光电管的伏安特性曲线显示其饱和光电流与入射光的强度成正比。

§7.2光电导物体受光照射后，若其内部的原子释放出电子并不逸出物体表面，而仍留在内部，出现两种效应1）物体的电阻率发生变化，光电导效应2）产生光电动势的现象，光生伏特效应半导体材料在光线作用下电导率增加的现象就是光电导效应光电导的来源主要有带间载流子跃迁和杂质激发，相应的有本征光电导和杂质光电导之分

§7.2光电导光照后，吸收光子后光电导n0

和p0

分别为热平衡载流子浓度

热平衡时的电导率

光照引起的附加光电导

光电导灵敏度，在本征状态下，

§7.2光电导讨论

因为本征载流子浓度n0、p0与温度成指数增加关系。因此，温度越低，n0

与p0

越小，而就会越大，也就是说，温度低，则灵敏度高。在实验中，常观测到光电导与材料内部杂质有密切关系。

§7.2光电导在实验上主要有如下几个结果

1、恒定光照下光电导同光强的关系

a、线性光电导：在光强较低时，光电导与光强成线性关系

b、抛物线性光电导：光电导同光强平方根成正比

2、光电导的驰豫时间光电导的驰豫时间反映半导体对光反应的快慢程度上升曲线和下降曲线

§7.2光电导a、线性光电导

电子—空穴对产率：定义I为单位时间内通过单位面积的光子数，

为吸收系数，

每个光子产生的电子－空穴对量子产额。电子－空穴对产生率为I；电子－空穴对又在不停地复合，复合速率为

在稳态下：产生率和复合率达到平衡

典型的代表体系有硅、氧化亚铜

§7.2光电导b、抛物线型光电导

代表体系如硫化铊（Tl2S3）

对于线性光电导，t＝0时开始光照

§7.2光电导线性光电导上升曲线表示单位时间内净剩余载流子数目t＝0，

n

＝0对于线性光电导，t＝0时停止光照

线性光电导下降曲线§7.2光电导§7.2光电导驰豫时间的一半

线性光电导上升和下降曲线物理意义：表示

n上升或下降到定态值§7.2光电导抛物线型光电导上升和下降曲线

1）开始光照时

上升曲线方程2）停止光照时

下降曲线方程驰豫时间驰豫时间的物理意义：在这个时间值内，光电导增加到定态值得0.76，而光照停止后，电导下降到原来的一半

§7.2光电导物体受光照射后，若其内部的原子释放出电子并不逸出物体表面，而仍留在内部，出现两种效应1）物体的电阻率发生变化，光电导效应2）产生光电动势的现象，光生伏特效应半导体材料在光线作用下电导率增加的现象就是光电导效应光电导的来源主要有带间载流子跃迁和杂质激发，相应的有本征光电导和杂质光电导之分

§7.2光电导光照后，吸收光子后光电导n0

和p0

分别为热平衡载流子浓度

热平衡时的电导率

光照引起的附加光电导

光电导灵敏度，在本征状态下，

§7.2光电导讨论

因为本征载流子浓度n0、p0与温度成指数增加关系。因此，温度越低，n0

与p0

越小，而就会越大，也就是说，温度低，则灵敏度高。在实验中，常观测到光电导与材料内部杂质有密切关系。

§7.2光电导在实验上主要有如下几个结果

1、恒定光照下光电导同光强的关系

a、线性光电导：在光强较低时，光电导与光强成线性关系

b、抛物线性光电导：光电导同光强平方根成正比

2、光电导的驰豫时间光电导的驰豫时间反映半导体对光反应的快慢程度上升曲线和下降曲线

§7.2光电导a、线性光电导

电子—空穴对产率：定义I为单位时间内通过单位面积的光子数，

为吸收系数，

每个光子产生的电子－空穴对量子产额。电子－空穴对产生率为I；电子－空穴对又在不停地复合，复合速率为

在稳态下：产生率和复合率达到平衡

典型的代表体系有硅、氧化亚铜

§7.2光电导b、抛物线型光电导

代表体系如硫化铊（Tl2S3）

对于线性光电导，t＝0时开始光照

§7.2光电导线性光电导上升曲线表示单位时间内净剩余载流子数目t＝0，

n

＝0对于线性光电导，t＝0时停止光照

线性光电导下降曲线§7.2光电导§7.2光电导驰豫时间的一半

线性光电导上升和下降曲线物理意义：表示

n上升或下降到定态值§7.2光电导抛物线型光电导上升和下降曲线

1）开始光照时

上升曲线方程2）停止光照时

下降曲线方程驰豫时间驰豫时间的物理意义：在这个时间值内，光电导增加到定态值得0.76，而光照停止后，电导下降到原来的一半

光敏电阻

光电导应用一例光敏电阻是一种用光电导材料制成的没有极性的光电元件，也称为光导管，它基于半导体光电导效应工作光敏电阻没有极性，工作时可加直流偏压或交流电压当无光照时，光敏电阻的阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小；当它受到一定波长范围的光照射时，其阻值(亮电阻)急剧减小，电路中电流迅速增加

根据电流值的变化可推算出照射光强的大小

§7.2光电导§7.2光电导光敏电阻结构

§7.2光电导光敏电阻的几个特性a、暗电阻、亮电阻：光敏电阻未受光照时的阻值称为暗电阻，受强光照射时的阻值称为亮电阻。暗电阻越大而亮电阻越小，灵敏度越高。b、伏安特性c、光谱特性

d、响应时间和（调制）频率特性

e、温度特性

§7.2光电导光敏电阻的伏安特性在一定光照下，所加的电压越高，电流越大；在一定的电压作用下，入射光的照度越强，电流越大，但并不一定是线性关系

§7.2光电导光敏电阻的光谱特性

图20对于不同波长的光，光敏电阻的灵敏度是不同的。在选用光电器件时必须充分考虑到这种特性

§7.2光电导光敏电阻的频率特性

光电器件的响应时间反映它的动态特性。响应时间越短，表示动态特性越好。对于采用调制光的光电器件，调制频率的上限受相应时间的限制。光敏电阻的响应时间一般为10-1～10-3s，光敏二极管的响应时间约2×10-5s

§7.2光电导光敏电阻的温度特性

随着温度的升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的变化也会影响光谱特性曲线。硫化铅光敏电阻等光电器件随着温度的升高光谱响应的峰值将向短波方向移动，所以红外探测器往往采取制冷措施§7.3光生伏特对于半导体p-n

结而言，光照后产生电压差的现象，将太阳能转变为电能，即太阳能电池工作原理

照射在p-n

结上，由于本征吸收，在结区产生电子－空穴对。在光激发下，多数载流子的浓度一般改变很小，而少数载流子的浓度变化很大。这里主要讨论光生少数载流子的运动。

§7.3光生伏特光生伏特效应当光子能量大于p-n

结禁带宽度后，光照射在p-n

结上，产生本征吸收，在结区产生电子－空穴对。p-n

结中存在内建电场，结两边的光生少数载流子受该内建场的作用，各自向相反的方向运动。p

区的电子穿过p-n

结进入n

区，而n

区的空穴进入p

区，从而在p

型和n型区有电荷积累；使得p

端的电势升高，n

端的电势降低，从而在p-n

结两端形成一光生电动势。如果p-n

结两端接上负载，在适当的光照下将有电流流过负载，光敏二极管的光电流I

与照度之间呈线性关系。

§7.3光生伏特（a）开始光照

（b）平衡态

半导体二极管p-n

结的光生伏特原理图

§7.3光生伏特半导体光敏二极管与普通二极管相比，有许多共同之处，它们都有一个PN结，均属单向导电性的非线性元件。光敏二极管一般在负偏压情况下使用，它的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流(暗电流)很小(处于载止状态)。半导体光敏二极管§7.3光生伏特光电池的两个重要概念：开路电压和短路电流

a、开路电压：有光照，但外电路断开，在p-n

结两端形成的电势差V0，即光电池的开路电压（V0）。b、短路电流：有光照，外电路短路，在p-n结两端不能形成光生电压，但流过外电路的电流最大，为光电池的短路电流I0。§7.3光生伏特光电流Il

的主要来源或组成光电流Il

由两个组成部分，即：Ige

和IghIge：由p

区产生能扩散到势垒区的电子部分Igh：由n

区产生能扩散到势垒区的空穴部分G：单位体积内产生载流子的产生率A：p-n

结的结面积，Ln、Lp：电子和空穴载流子的扩散长度，e：电子的电荷。Il与p-n

结的特征参数和光照等密切相关。结面积A越大，则Il

越大。§7.3光生伏特有负载时的光生伏特等效电路

光照在p-n

结两端产生光生电动势，相当于在p-n

结两端加正向电压V（注意在开路时与开路电压V0

相等）。在有负载而形成回路后，p-n

结中有正向电流If

流过。有负载时，由于光电压输出电压为V，这样流过负载的电流I则是光电流Il减去p-n

结中的正向电流If

。

有负载R时半导体光电二极管D的等效电路图

光电池在工作时共有三股电流：光生电流Il，在光生电压V

作用下p-n

结的正向电流If，流经外电路的电流I。Il

和If

都流经p-n

结，但方向相反。

§7.3光生伏特p-n

结的开路电压和短路电流p-n

结在有V正向电压偏置时的正向电流If

取下面的形式

其中Is为p-n

结的反向饱和电流开路时p-n

结开路电压V0

和短路时p-n

结短路电流I0短路电流I0

即为光电流显然，p-n

结的开路电压和短路电流与p-n

本身特征参数和光照的关系

§7.3光生伏特（a）GaAs

光电二极管I－V关系；（b）光电二极管的Il

和V0与光强的关系一般Il

与光强成正比，开路电压V0与光强成对数关系§7.3光生伏特必须指出两点：只有在有负载时才有If，否则此时的电路相当于开路，尽管由于光照产生了光生电动势，但没有载流子流动。

V0

并不是随着光照强度无限地增大。当光生电压V0增大到p-n

结势垒消失时，即得到最大的光生电压Vmax，它与材料的掺杂程度有关。实际情况下，Vmax

与禁带宽度Eg

相当。

§7.3光生伏特如何提高负载所能获得尽可能高的电压或大的电流要使负载获得尽可能高的电压和大的电流，一方面显然是将多个光电二极管串并联使用；另一方面就是提高太阳能光电池的光电转化效率。太阳能电池的电池效率参数

理论计算表明半导体材料的禁带宽度在1.1～1.5eV之间，对太阳光的利用效率最高。§7.4光电池太阳能电池是一典型的光电池，一般由一个大面积硅p-n

结组成。光电池种类繁多早期：氧化亚铜光电池，但换效率低，已很少使用。目前：应用较多的是硒光电池和硅光电池。硒光电池：光谱特性与人眼视觉很相近，频谱较宽，故多用于曝光表、照度计等分析、测量仪器。硅光电池：与其它半导体光电池相比，性能稳定，是目前转换效率最高(达到17％)的几乎接近理论极限的一种光电池。此外，还有薄膜光电池、紫光电池、异质结光电池§7.4光电池薄膜光电池：把硫化镉等材料制成薄膜结构，以减轻重量、简化阵列结构，提高抗辐射能力和降低成本。紫光电池：把硅光电池的PN结减薄至结深为0.2～0.3m，光谱响应峰值移到600nm左右，来提高短波响应，以适应外层空间使用。

异质结光电池：利用不同禁带宽度的半导体材料做成异质PN结，入射光几乎全透过宽禁带材料一侧，而在结区窄禁带材料中被吸收，产生电子—空穴对。利用这种“窗口”效应提高入射光的收集效率，以获得高于同质结硅光电池的转换效率，理论上最大可达30％，但目前工艺尚未成熟，转换效率仍低于硅光电池。§7.4光电池光电池核心部分是一个PN结，一般做成面积较大的薄片状，来接收更多的入射光

硒光电池结构示意图制造工艺：先在铝片上覆盖一层P型硒，然后蒸发一层镉，加热后生成N型硒化镉，与原来P型硒形成一个大面积PN结，最后涂上半透明保护层，焊上电极，铝片为正极，硒化镉为负极。

§7.4光电池硅光电池结构示意图硅光电池是用单晶硅组成制造工艺：在一块N型硅片上扩散P型杂质(如硼)，形成一个扩散PN（P+N）结；或在P型硅片扩散N型杂质(如磷)，形成N+P的PN结，然后焊上两个电极。P端为光电池正极，N端为负极，一般在地面上应用作光电探测器的多为P+N型。

§7.4光电池半导体光生伏特效应还广泛应用于辐射探测器，包括光辐射及其它辐射。其优点是不需要外接电源，而是通过辐射或高能粒子激发产生非平衡载流子，并通过测量光生电压来探测辐射或粒子流强度。116§8材料中的光发射过程

材料在受到激发（光照、外加电场或电子束的轰击等）后，物体本身只要不发生化学变化，总要回复到原来的平衡状态，这样一部分能量会以光或热的形式释放出来。如果这部分能量以可见光或近可见光的电磁波形式发射出来，就成为光发射。通常光发射分为两种：荧光和磷光。物质受激时发光称为荧光，持续时间<10-8s；外来激发停止后物体继续发光称为磷光，持续时间>10-8s。117研究材料的发光目的是制备性能优良的发光材料，有助于了解晶体中杂质和缺陷的作用，载流子的运动以及能量的传递和转化等问题。固体发光学已形成一门新的学科。光发射的全过程分为首先是激发，然后是发射。可激活系统在吸收光子或在电磁场作用下激发到高能态为激发，而后激活系统要回复到较低的平衡态而将能量释放出来为发射。§8材料中的光发射过程118根据固体的能带结构，光发射大致可分为5个过程

§8材料中的光发射过程导带到价带的跃迁激子复合能带和杂质能级之间的跃迁施主到受主的跃迁在等电子中心的跃迁

119§8.1导带到价带的跃迁

导带到价带的跃迁主要分为直接跃迁和间接跃迁两种导带的电子跃迁到价带与价带中的空穴相遇复合产生光子

电子和空穴的复合主要发生在能带的边缘载流子有一热分布，使得发射光谱有一定的宽度120§8.1导带到价带的跃迁对于直接带隙跃迁，发射出的光子频率

Eg

为禁带宽度

直接跃迁一般见于II－VI族化合物和大多数III－V族化合物

121§8.1导带到价带的跃迁对于间接带隙跃迁，为满足动量守恒的要求，需要声子的参与

1）当吸收一个声子时，发射的光子频率

2）当发射一个声子时，发射的光子频率

EP为声子能量

间接跃迁多见于IV元素半导体和部分III—V族化合物效率低下，很多时候很难观察到较强发射光谱

122§8.1导带到价带的跃迁Photonemissioninanindirect-gapsemiconductor.Therecombinationofanelectronnearthebottomoftheconductionbandwithaholenearthetopofthevalencebandrequirestheexchangeofenergyandmomentum.Theenergymaybecarriedoffbyaphoton,butoneormorephononsarerequiredtoconservemomentum.Thistypeofmultiparticleinteractionisunlikely.Why?123Photonabsorptioninanindirect-gapsemiconductor.Thephotongeneratesanexcitedelectronandaholebyaverticaltransition;thecarriersthenundergofasttransitionstothebottomoftheconductionbandandtopofthevalenceband,respectively,releasingtheirenergyintheformofphonons.Sincetheprocessissequentialitisnotunlikely.But124§8.1导带到价带的跃迁导带到价带的跃迁中还有一种名叫边缘发射边缘发射：浅能级电子与价带空穴复合而发光例如：ZnS、CdS

等在低温下受激发后，在基本吸收边附近出现一组由许多窄谱线组成的发射光谱。125§8.2激子复合受光辐射，一个电子由价带跃迁到导带中，价带中留下一空穴，产生电子－空穴对，但它们彼此具有相互吸引库仑力，它们会形成某一种稳定的束缚态。这种束缚着的电子－空穴对称为激子。能量略低于导带底能量（激子的能量稍低于导带底能量，为什么？因为电子—空穴对的库仑相互作用，导致其能量低于自由电子的能量），激子复合后，就会把能量释放出来产生窄的光谱线。126对直接带隙材料，其产生的光谱线§8.2激子复合127对间接带隙材料，伴随声子发射。其产生的光谱线§8.2激子复合128§8.3能带和杂质能级之间的跃迁

半导体中的杂质在能带结构中引起杂质中心能级，分为受主A和施主D

受主为负电中心，形成发光中心能级；施主为正电中心，形成陷阱能级能带和杂质能级之间的跃迁产生的发光有六个过程129

价带的电子吸收光子跃迁到导带，价带有空穴，导带有电子热平衡后，陷阱D俘获导带电子

D上的电子由于热扰动，跃迁到导带热平衡后，价带中的空穴被A俘获

A上空穴跃迁到价带中去导带中的电子和发光中心A上的空穴复合而发光，同样D上的电子也可向价带跃迁与空穴复合而发光§8.3能带和杂质能级之间的跃迁六个过程130§8.4施主到受主的跃迁施主D中的电子可以与受主A中的空穴复合而发光，在实际中经常遇到

当掺杂浓度较低时，可以将分散在母体中的杂质当作类氢原子处理，即将受主和施主看成点电荷，把母体晶格看作连续介质。在施主－受主间电子和空穴跃迁复合而发光光子能量

r为发生跃迁发光的施主和受主中心间的距离131§8.4施主到受主的跃迁施主到受主的跃迁发出的光谱线是不连续的，为什么？因为施主和受主在晶格中占领晶格格点位置，格点间的距离是一定的，且为晶格常数的整数倍，因此发出的光谱是不连续的谱线

132§8.5在等电子中心的跃迁当晶体中的原子被具有相同化合价的另一原子替代时，例如N原子替代GaP

中的P原子时，N原子周围就形成等电子中心。等电子中心能够俘获一个电子或带负电，从而在短距离内它能够吸引一个空穴，构成一个束缚激子。如果束缚激子复合时，同样可以发射出光子。因为束缚在等电子中心的激子被限制在一个很小的范围内，具有较大的复合几率，从而有较多的发光效率。133134135136稀土元素原子的电子构型中存在4f

轨道，具有丰富的电子能级，为多种能级的跃迁创造了条件，从而获得多种发光性能。根据激发源的不同，稀土发光材料可分为光致发光（以紫外光或可见光激发）阴极射线发光（以电子束激发）X射线发光（以X射线激发）电致发光（以电场激发）材料稀土发光材料137稀土发光材料光致发光材料

稀土节能荧光灯是具有高照度、高节电、高显色、高寿命且结构紧凑等特点的新一代光源。上世纪70年代末，稀土荧光灯在国外开始得到迅速发展。目前，西欧年产8000万支，占电光源总产量的40％；日本年产量为10000万支，占电光源总量的20％以上；我国年产量为1200万支，仅占电光源总量的0.5％。138稀土发光材料阴极射线发光材料－显示用荧光粉

铕激活的YVO4：Eu、Y2O2S：Eu等在薄板电视中，稀土元素在薄膜中制成夹层结构，从红色变为蓝色仅需50毫秒139稀土发光材料X射线发光（以X射线激发）

医用X射线照相时，为将X射线图像转换为可视图像，需使用增感屏。增感屏也有多种，其中高灵敏度增感屏使用Gd2O2S∶Tb荧光粉。与其它荧光粉相比，Gd2O2S∶Tb可通过X射线励磁发出高效率的白光或绿光。

140电致发光材料

稀土发光材料目前大力研究开发掺杂稀土的电致发光的薄膜材料，一种等离子显示板（PlasmaDisplayPanel，PDP）已经开发成功，制成了壁挂式的彩色电视机。等离子显示屏中大都采用稀土荧光粉。1411421.稀土磁性材料，包括稀土永磁材料、信息存储材料（磁光、巨磁阻、磁泡）、磁致伸缩材料、磁致冷材料、超导材料等。2.稀土发光材料，包括发光二极管、三基色灯粉、稀土掺杂玻璃光纤等。

3.稀土催化材料，包括钙钛矿、铈锆粉以及稀土催化材料在能源环境领域中的应用等。4.稀土储能材料，包括稀土贮氢材料、NiH

电池材料等。

5.稀土玻璃、陶瓷材料，包括稀土高温结构和功能陶瓷，车用氧传感器、滤紫外稀土玻璃、抛光粉、脱色剂、稳定剂、掺杂剂等。6.稀土农用、医用、日用材料，包括农用转光薄膜、稀土化肥、农用产品添加剂、医疗器械、稀土医用添加剂、助染纤维织物、皮革鞣制等。

7.其他稀土功能材料，包括稀土发热材料、冶金应用、稀土激光材料等。稀土材料§9电致发光半导体发光二极管根据激励方式的不同，光发射通常有以下4种：1、光致发光－由紫外光到近红外光这个范围内的光束激发的发光（光泵发光），日光灯就是一个典型的实例。2、阴极射线致发光－电子束轰击发光材料，例如我们的电脑柱面显示器，电视机等；3、辐射致发光－由高能量射线如

射线或X射线激发某些物质发光。4、电致发光－发光材料在电场的作用下将电能直接转变为光能的一种发光现象。例如电子线路中的发光二极管，光盘驱动器中的半导体激光器。它有个显著特点就是可以将体积做得非常小，发光光子频率可以通过改变电场的强度加以控制。

由于电子－空穴对的复合，半导体材料可以发射光但是，可以发射光子的材料在室温下靠热激发不能够发出明亮的光，因为靠热激发产生的电子－空穴对浓度不够高，不足以产生可以分辨出的光辐射然而，外界能量如电场能可以激发足够数量的电子－空穴对以至于产生数量较大的自发复合辐射，导致材料明亮发光一个获得足够数量的电子－空穴对的传统办法就是使p-n

结处于正向偏置状态，在同一空间（结区）注入大量的电子和空穴，它们相遇复合发出较强的光发光二极管例如，对于直接带隙材料GaAs

而言，在室温时，其本征热激发的载流子浓度为n0=p0=1.8

106/cm3

，电子－空穴对的复合系数

r

＝10-10cm3/s，单位时间单位体积内产生的光子数就为

r

n0p0

，

r

n0p0=324个光子/cm3-s。GaAs的带隙为1.4eV=1.4

1.6

10-19J，这样，光子的辐射功率密度为324

1.4

1.6

10-19=7.4

10-17W/cm3。对于2

m厚的GaAs

产生的光强I=1.5

10-20W/cm2，非常小。而同样大小的GaAs基p-n

结在正向偏置时，产生光强可以达到46W/cm2，比起热激发的高出1021倍。对于2

m200m10m的p-n

结，其辐射光子功率可以达到0.9mW，非常强！载流子注入引起的！！！Spontaneousphotonemissionresultingfromelectron-holeradiative

recombination,asmightoccurinaforward-biasedp-njunction.常见的电致发光材料有三种类型：粉末型、薄膜型和结型半导体发光二极管就是一种结型电致发光材料（元件）

p-n

结的导带中电子与价带中的空穴相遇而复合发光但在热平衡时，由于没有非平衡的载流子，从而没有发光现象对p-n

结外加一正向偏压，从外界向p-n

结不断地注入载流子，维持非平衡载流子而实现复合发光，它直接电能转变为光能但并不是每一个二极管的p-n

结在外加电场作用下都能发光，它对材料有一定的要求§9.1电致发光光子谱密度单位时间单位频率单位体积内的光子数，有时也称为自发发射速率，rsp(

)

r：电子－空穴复合寿命

(

)：光学关联态密度fe(

)：能级填充几率，§9.1电致发光光子谱密度ThespontaneousemissionofaphotonresultingfromtherecombinationofanelectronofenergyE2withaholeofenergyE1=E2-h

.Thetransitionisrepresentedbyaverticalarrowbecausethemomentumcarriedawaybythephotonisnegligible.§9.2自发辐射光子流密度或通量

其中已经运用了N区的电子和P

区的空穴俩各自的Fermi分布函数§9.3LED的特性Thelight-emittingdiode(LED)isaforward-biasedp-njunctionwithalargep-njunctionwithalargeradiativerecombinationratearisingfrominjectedminoritycarriers.Thesemiconductormaterialisusuallydirect-gaptoensurehighquantumefficiency.Electronsareabundantinn-typematerial,andholesareabundantinp-typematerial,butthegenerationofcopiousamountsoflightrequiresthatbothelectronsandholesbeplentifulinthesameregionofspace.Thisconditionmaybereadilyachievedinthejunctionregionofaforward-biasedp-ndiode.§9.3LED的特性§9.3LED的特性InternalPhotonFluxThetotalnumberofcarrierspersecondpassingthroughthejunctionregion:

Thecarrierinjection(pumping)rate(carrierspersecondpercm3):§9.3LED的特性InternalPhotonFlux稳态时注入的载流子浓度因为

i：internalquantumefficiencyInternalPhotonFlux因为OutputPhotonFluxandEfficiency§9.3LED的特性Thephotonfluxgeneratedinthejunctionisradiateduniformlyinalldirections;however,thefluxthatemergesfromthedevicedependsonthedirectionofemission.A方向光的衰减程度

：n区半导体的吸收系数l1：结到器件表面的距离另外，光的反射系数，对正入射A方向总的衰减OutputPhotonFluxandEfficiency§9.3LED的特性B方向总的衰减也很大，但C方向有可能没有光出射，完全被反射占的组分为Theoutputphotonflux

0OutputPhotonFluxandEfficiency§9.3LED的特性

e:总的穿透系数Theexternalquantumefficiency

exItistheratiooftheexternallyproducedphotonflux

0totheinjectedelectronflux.TheLEDoutputopticalpowerP0Theoverallquantumefficiency

(alsocalledthepower-conversionefficiencyorwall-plugefficiency)OutputPhotonFluxandEfficiency§9.3LED的特性TheratiooftheemittedopticalpowerP0totheappliedelectricalpoweriV.Forh

=eV,asisthecaseforcommonlyencounteredLEDs,itfollowsthatResponsivity§9.3LED的特性

:发射出光的功率P0

对注入电流i

的比值，单位：W/ALEDresponsivitiesareinthevicinityof10to50

W/mA.SpectralDistribution§9.3LED的特性Underconditionsofweakpumping,suchthatthequasi-FermilevelsliewithinthebandgapandareatleastafewkBTawayfromthebandedges,thespectraldensityachievesitspeakvalueatthefrequencyTheFWHMofthespectraldensityis§9.3LED的特性SpectraldensitiesversuswavelengthforsemiconductorLEDswithdifferentbandgaps.Thepeakintensitiesarenormalizedtothesamevalue.

Materials§9.3LED的特性Materials

LEDshavebeenoperatedfromthenearultraviolettotheinfrared.Inthenearinfrared,manybinarysemiconductormaterialsserveashighlyefficientLEDmaterialsbecauseoftheirdirect-bandgapnature.Ternaryandquaternarycompoundsarealsodirect-gapoverawiderangeofcompositionsThesematerialshavetheadvantagethattheiremissionwavelengthcanbecompositionallytuned.ParticularlyimportantamongtheIII-Vcompoundsisternaryandquaternaryone,suchasResponseTime§9.3LED的特性TheresponsetimeofanLEDislimitedprincipallybythelifetime

oftheinjectedminoritycarriersthatareresponsibleforradiativerecombination.TypicalrisetimesofLEDsfallintherange1to50ns,correspondingtobandwidthsaslargeashundredsofMHz.DeviceStructures§9.3LED的特性Surface-emittingconfiguration：

Thesurface-emittingLEDemitslightfromafaceofthedevicethatisparalleltothejunctionplane.Lightemittedfromtheoppositefaceisabsorbedbythesubstrateandlostor,preferably,reflectedfromametalliccontact(whichispossibleifatransparentsubstrateisused).Edge-emittingconfiguration：emitslightfromtheedgeofthejunctionregion，andisusuallyusedfordiodelasersDeviceStructures§9.3LED的特性DeviceStructures§9.3LED的特性(b)isparticularlysuitableforefficientcouplingoftheemittedlightintoanopticalfiber.§9.3LED的特性SpatialPatternofEmittedLightRadiationpatternsofsurface-emittingLEDs:(a)Lambertianpatternofasurface-emittingLEDintheabsenceofalens;(b)patternofanLEDwithahemisphericallens;(c)patternofanLEDwithaparaboliclens.§9.3LED的特性ElectronicCircuitry(a)anidealdccurrentsource;(b)adccurrentsourceprovidedbyaconstant-voltagesourceinserieswitharesistor;(c)transistorcontrolofthecurrentinjectedintotheLEDtoprovideanalogmodulationoftheemittedlight;(d)transistorswitchingdigitalmodulationoftheemittedlight.§9.4制作LED对材料的要求

发出可见光的半导体材料，其禁带宽度Eg

：1.8～2.9eV

Ge

和Si

可以制成优良的p-n

结，但带隙在光谱的红外部分，而且是间接带隙材料，复合跃迁几率低，不宜作发光材料。

GaAs是直接带隙材料，但带隙小于1.8eV，不能发出可见光。

CdS

是直接带隙材料，带隙也落在可见光范围内，但不易制成p-n结。（为什么？）离子键化合物，结合牢固

三元系合金制造半导体发光二极管：通过对二元系的替代形成三元系合金，可以调整半导体的带隙，也可以改变带隙类型，如可以在直接带隙和间接带隙间进行转化。通常有GaAs1-yPy

以P替代GaAs

中的As，y＝0，GaAs

不能发出可见光；随着y的增