半导体物质的光学性质—中国光学光电子行业网

半导体（semiconductor）指电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质。半导体室温时电阻率约在10-5～107欧·米之间，温度升高时电阻率指数则减小。

半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类：

锗和硅是最常用的元素半导体；
化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ 族化合物（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。
除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。

如果用适当波长的光照射半导体，那么电子在吸收了光子后将由价带跃迁到导带，而在价带上留下一个空穴，这种现象称为光吸收．要发生光吸收必须满足能量守恒定律，也就是被吸收光子的能量要大于禁带宽度E_g，即

hν≥E_g （1）

其中h是普朗克常量，ν是光的频率．若光子能量小于禁带宽度，则光不能被吸收，而透射过晶体，这时晶体是透明的．例如食盐（NaCl）晶体，它的禁带宽度很大，约有10eV，所有光都能透射过去，因此它是透明的．而半导体晶体的禁带宽度在1eV左右，例如硅的禁带宽度是1.1eV，砷化镓的禁带宽度是1.4eV，由式（1）可算出吸收光的波长（λ＝c/ν，c是光速）分别为1.127μm和0.885μm，属于红外光范围．凡波长比上述波长短的光，即可见光都将被吸收，因此它们都是不透明的．

电子被光激发到导带而在价带中留下一个空穴，这种状态是不稳定的，由此产生的电子、空穴称为非平衡载流子．隔了一定时间后，电子将会从导带跃迁回价带，同时发射出一个光子，光子的能量也由式（1）决定，这种现象称为光发射．光发射现象有许多的应用，如半导体发光管、半导体激光器都是利用光发射原理制成的，只不过其中非平衡载流子不是由光激发产生，而是由电注入产生的．发光管、激光器发射光的波长主要由所用材料的禁带宽度决定，如半导体红色发光管是由GaP晶体制成，而光纤通讯用的长波长（1.5μm）激光器则是由Ga_xIn_1-xAs或Ga_xIn_1-x As_yP_1-y合金制成的．

不是所有的半导体都能发射光．例如：最常见的半导体硅和锗就不能发射光，这是由它们的能带性质所决定的．它们的能带称为间接能带，电子从导带通过发射光跃迁到价带的几率非常小，而只能通过其它方式，如同时发射一个声子跃迁至价带．因此硅和锗这两种在微电子器件中已得到广泛应用的材料，却不能用作光电子材料．其它的Ⅲ-Ⅴ族化合物，如GaAs、InP等的能带大部分是直接能带，能发射光，因此被广泛用来制作发光管和激光器．目前科学家正在努力寻求能使硅发光的方法，例如制作硅的纳米结构、超晶格微结构，如果能够成功，则将使微电子器件、光电子器件都做在一个硅片上，能大大提高效率，降低成本，这称为光电集成．

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