固體發(fā)光材料.docx

1、固體物理專題-發(fā)光材料一、發(fā)光1、當某種物質(zhì)受到激發(fā)（射線、高能粒子、電子束、外電場等）后，物質(zhì)將處于激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)的能量會通過光或熱的形式釋放出來。如果這部分的能量是位于可見、紫外或是近紅外的電磁輻射，此過程稱之為發(fā)光過程。2、發(fā)光就是物質(zhì)在熱輻射之外以光的形式發(fā)射出多余的能量，這種發(fā)射過程具有一定的持續(xù)時間。熱輻射：任何絕對零度以上的物質(zhì)都會發(fā)射熱輻射，大多數(shù)位于紅外區(qū)。一般600以上會有部分可見光成分。熱輻射是一種平衡輻射，基本上只與物體溫度有關，而與物質(zhì)種類無關。（例如：太陽光，白熾燈泡，燒熱的爐膛。）發(fā)光：是一種非平衡輻射（偏離原先的熱平衡態(tài)），是物體吸收外來能量后所發(fā)出的總輻射中超

2、出熱輻射的部分。發(fā)光材料不需要加熱，是一種“冷光”。非平衡輻射有許多種，除了發(fā)光以外，還有反射，散射等。光輻射的特征一般可用五個宏觀光學參量描述：亮度、光譜、相干性、偏振度和輻射期間。亮度：亮度高低不能區(qū)分各種類型的非平衡輻射；光譜改變及相干性：不僅在發(fā)光中存在，在聯(lián)合散射和康普頓-吳有訓效應中也有。而且，作為在特定條件下的發(fā)光，如激光及超輻射（特殊條件下的自發(fā)發(fā)射），具有相干性。偏振度：在發(fā)光現(xiàn)象中并沒有帶普遍性的特點。輻射期間：發(fā)光有一個比較長的延續(xù)時間，這個延續(xù)時間有長有短，總之都比反射、散射的10-14秒持續(xù)時間長。指去掉激發(fā)后，輻射還可延續(xù)的時間。3、固體發(fā)光的兩個基本特征（）任何物

3、體在一定溫度下都具有平衡熱輻射，而發(fā)光是指吸收外來能量后，發(fā)出的總輻射中超出平衡熱輻射的部分。（）當外界激發(fā)源對材料的作用停止后，發(fā)光還會持續(xù)一段時間，稱為余輝。這是固體發(fā)光與其他光發(fā)射現(xiàn)象的根本區(qū)別。二、材料的發(fā)光機理分立中心發(fā)光發(fā)光材料的發(fā)光中心受激發(fā)時并未離化，發(fā)光過程全部局限在中心內(nèi)部。被激發(fā)的發(fā)光中心內(nèi)的電子雖然獲得了躍遷至激發(fā)態(tài)的能量，但并未離開中心，遲早會釋放出激發(fā)能，回到基態(tài)而發(fā)出光來。這種發(fā)光是單分子過程，并不伴隨有光電導，故又稱為“非光電導型”發(fā)光。自發(fā)發(fā)光：受激發(fā)的粒子（如電子），受粒子內(nèi)部電場作用從激發(fā)態(tài)A而回到基態(tài)G時的發(fā)光。受迫發(fā)光：受激發(fā)的電子只有在外界因素的影響

4、下才發(fā)光（亞穩(wěn)態(tài)發(fā)光）。復合發(fā)光發(fā)光材料受激發(fā)時分離出一對帶異號電荷的粒子，一般為空穴和電子，這兩種粒子復合時便發(fā)光，稱為復合發(fā)光。由于離化的帶電粒子在發(fā)光材料中漂移或擴散，從而構成特征性光電導，故又稱為“光電導型”發(fā)光。三、材料的發(fā)光特征1、顏色特征不同的發(fā)光材料有著不同的發(fā)光顏色。2、發(fā)光強度特征發(fā)光強度代表發(fā)射光的能量，是一個客觀數(shù)值；發(fā)光的亮度是人眼的感覺，是主觀判斷的結(jié)果，其中包含了眼睛對不同顏色視覺的差別。發(fā)光效率用來表征材料的發(fā)光本領。量子效率：發(fā)光的量子數(shù)與激發(fā)源輸入的量子數(shù)的比值。能量效率（功率效率）：發(fā)光的能量與激發(fā)源輸入的能量的比值。流明效率（光度效率）：發(fā)光的流明數(shù)與激

5、發(fā)源輸入的能量的比值（lm/W）。發(fā)光材料把某種形式的激發(fā)能量轉(zhuǎn)化為發(fā)光能。因此對于一個有效的發(fā)光材料應具備如下要求：.能夠有效地吸收激發(fā)能量；.能夠把吸收的激發(fā)能量有效地傳遞給發(fā)光中心；.發(fā)光中心具有高的輻射躍遷效率。3、發(fā)光持續(xù)時間特征規(guī)定當激發(fā)停止時，其發(fā)光亮度L衰減到初始亮度L0的10%時所經(jīng)歷的時間為余輝時間，簡稱余輝。人眼能夠感覺到余輝的長發(fā)光期間者為磷光；人眼感覺不到余輝的短發(fā)光期間者為熒光。熒光與磷光無嚴格區(qū)別。但在有機物發(fā)光中，分子從單態(tài)躍遷到基態(tài)的發(fā)光叫熒光。從三重態(tài)躍遷到基態(tài)的發(fā)光叫磷光。極短余輝：余輝時間1s的發(fā)光4、相關名詞解釋光通量光通量是指光源在單位時間內(nèi)向周圍空

6、間輻射的能引起視覺反應能量，即可見光的能量。它描述的是光源的有效輻射值，其國際單位是1m（流明）。同樣功率的燈具的光通量可能完全不同，這是因為它們的光效不同的緣故。比如：普通照明燈泡只有10 1m/W，而金屬鹵素燈可以達到80 1m/W。照度是指發(fā)光體照射在被照物體單位面積上的光通量，其國際單位是lx（勒克斯）。照度的定義和測量比較復雜，象平均柱面照度、等效球照度、標量照度等，它們的測量條件和計算方法有所不同。在建筑和裝飾工程中經(jīng)常會遇到、燈光系統(tǒng)中偶爾也涉及到照度概念。亮度是指發(fā)光體在單位面積內(nèi)發(fā)光強度。單位是：cd/cm2。坎德拉（cd）為發(fā)光強度的國際單位。與照度定義幾乎相同，如果我們把

7、每一物體都視為光源的話，那么亮度就是描述光源光亮的程度，而照度正好是把每一物體都作為被照物體，用一塊木板來舉例說明，當一定光束照到木板時我們講木板有多少照度，然后木板將多少光束反射到人眼，就稱為木板的多少亮度，那么有如下式子：亮度等于照度乘以反射率。在同一房間同一位置一塊白布和一塊黑布的照度是相同的，而亮度是不同的。色溫色溫是指光源發(fā)射的顏色與黑體在某一溫度下輻射的光色相同時，黑體的溫度稱為該光源的色溫，一般以開氏K為單位。比如3200K和5600K等。色溫高，光線的顏色偏冷：色溫低，光線的顏色偏暖：色溫適中時，光線接近于白色。自然界正常日照下，光線的色溫一般都要高于人工燈具的色溫。通常情況下

8、，陽光的色溫為5600K左右，而演播室及演出用燈具的色溫都在3200K左右。（熱光源）近年來電視演播室興起的冷光源布光，是對傳統(tǒng)光源的變革。冷光源的色溫高，耗能低，發(fā)熱小，在進行室內(nèi)外攝相時，色溫轉(zhuǎn)換簡單，畫面自然，當然冷光源對調(diào)光臺的性能要求也要高些。二、發(fā)光材料發(fā)光材料的要求發(fā)光材料是能把某種形式的激發(fā)能量轉(zhuǎn)化為發(fā)光能。因此對于一個有效的發(fā)光材料應具備如下要求：a.能夠有效地吸收激發(fā)能量；b.能夠把吸收的激發(fā)能量有效地傳遞給發(fā)光中心；c.發(fā)光中心具有高的輻射躍遷效率。1、發(fā)光材料的主要分類發(fā)光材料的發(fā)光方式是多種多樣的，主要類型有：光致發(fā)光、陰極射線發(fā)光、電致發(fā)光、熱釋發(fā)光、光釋發(fā)光、輻射

9、發(fā)光等。1、1光致發(fā)光定義：用光激發(fā)產(chǎn)生的發(fā)光叫做光致發(fā)光。光源波長：紫外-可見-紅外例如：熒光燈紫外線做為激發(fā)光源。上轉(zhuǎn)換材料紅外光做為激發(fā)光源上轉(zhuǎn)換發(fā)光都發(fā)生在摻雜稀土離子的化合物中，主要有氟化物、氧化物、含硫化合物、氟氧化物、鹵化物等。其原理有激發(fā)態(tài)吸收（ESA）、能量傳遞上轉(zhuǎn)換（ETU）和光子雪崩（PA）三種。目前的主要應用為紅外光激發(fā)發(fā)出可見光的紅外探測，生物標識，和長余輝發(fā)光的警示標識，防火通道指示牌或者室內(nèi)墻壁涂裝充當夜燈的作用等。1、2電致發(fā)光定義：用電場或電流激發(fā)產(chǎn)生的發(fā)光，以前也叫場致發(fā)光。電致發(fā)光分為兩種類型：1）、注入式電致發(fā)光：半導體p-n結(jié)在較低正向電壓之下注入少數(shù)

10、載流子，然后少數(shù)載流子與多數(shù)載流子在結(jié)區(qū)附近相遇復合而發(fā)光或者通過局域中心而發(fā)光。例如：發(fā)光二極管（LED），半導體激光器（LD），有機薄膜電致發(fā)光，都是注入式發(fā)光。2）、高場電致發(fā)光：兩塊平板你電極之間放入發(fā)光材料，在直流或是交流強電場的作用下，多數(shù)載流子被加速碰撞激發(fā)發(fā)光中心，隨后導致復合發(fā)光。1、3陰極射線發(fā)光定義：發(fā)光物質(zhì)在電子束激發(fā)下產(chǎn)生的發(fā)光。發(fā)光過程：電子束的電子能量通常在幾千至幾萬電子伏特，入射到發(fā)光材料中產(chǎn)生大量次級電子，離化和激發(fā)發(fā)光中心產(chǎn)生發(fā)光。用途：主要用于雷達、電視、示波器和飛點掃描等方面。其主要部件是陰極射線管。1、4射線及高能粒子發(fā)光定義：X射線、射線、粒子、粒子

11、、質(zhì)子或中子等激發(fā)下，物質(zhì)產(chǎn)生的發(fā)光叫做射線及高能粒子發(fā)光。發(fā)光過程：粒子的減速、高能光子的吸收、電子-空穴對的產(chǎn)生、能量傳遞到發(fā)光中心、光發(fā)射。應用領域：射線探測、核醫(yī)學成像等。2、發(fā)光材料的形態(tài)發(fā)光材料的形態(tài)有晶體、非晶、納米晶、薄膜。2、1晶體晶體包括單晶和多晶單晶：整個晶格是連續(xù)的。多晶：由大量小單晶顆粒組成的集體。每個小晶粒的尺寸為微米量級，呈現(xiàn)出粉末狀態(tài)，如熒光粉。2、2非晶非晶：組成物質(zhì)的原子或離子排列不具有周期性，如玻璃，有時稱作無定形材料。非晶中質(zhì)點的分布類似液體，所以非晶質(zhì)體也可被認為是過冷液體，因此嚴格說來只有晶體才是固體。晶體與非晶的不同點在于晶體的內(nèi)部質(zhì)點排列是有規(guī)律

12、的，長程有序，具有固定熔點，而非晶內(nèi)部質(zhì)點排列是無規(guī)律，長程無序但一般短程有序，沒有固定熔點。2、3納米晶顆粒尺度小于100nm的晶粒組成的發(fā)光材料。與多晶材料（尺度微米量級）相比，其可以尺度更小。顆粒尺度的減小，具有更大的比表面積，表現(xiàn)出較為明顯的量子限制效應，對于提高發(fā)光強度，調(diào)節(jié)發(fā)光波長具有特殊作用。納米晶可以單獨存在，也可以摻入玻璃材料中，形成納米晶玻璃。2、4薄膜在合適的襯底上鍍上發(fā)光材料，可以制備出發(fā)光薄膜。這層發(fā)光材料的形態(tài)可以是單晶、多晶甚至是非晶。某些應用場合需要采取薄膜的形態(tài)。發(fā)光材料的構成主要有以下三種形式：a.由多晶或單晶形態(tài)的基質(zhì)材料和激活劑（發(fā)光中心）組成，也可能加

13、入起到能量傳遞作用的敏化劑；b.只有基質(zhì)材料，利用某種本征缺陷做為發(fā)光中心；c.只有基質(zhì)材料，利用本征激子態(tài)或帶邊電子態(tài)產(chǎn)生發(fā)光。3、發(fā)光材料主要由基質(zhì)和激活劑組成，此外還添加一些助溶劑、共激活劑和敏化劑。1）基質(zhì)是發(fā)光材料的主要組分，約占重量的90以上。單一或混合的化合物都可作基質(zhì)。某種絕緣體或半導體材料，形成基本的能帶結(jié)構。對于激發(fā)能量的吸收起到主要作用。混合基質(zhì)常使用具有同一晶型的物質(zhì)，如ZnSCaS、CaSSrS等。2）激活劑對基質(zhì)起激活作用，并形成發(fā)光中心，摻雜進入基質(zhì)的某種離子或基團，通常是高效的發(fā)光中心，例如稀土離子，過渡族金屬離子等。激活劑可以在基質(zhì)形成的能帶結(jié)構的禁帶中形成孤

14、立的 能級系統(tǒng)，通過這些能級產(chǎn)生發(fā) 光所需的基態(tài)和激發(fā)態(tài)。其重量約占基質(zhì)11000110000，甚至1100000。周期表中大多數(shù)元素都可做激活劑，常用的有Cu、Mn、Au等。3）助溶劑的作用是，在制備發(fā)光材料時，使激活劑容易擴散到基質(zhì)晶格中而形成發(fā)光中心，同時還起保護氣氛作用，其摻入量約占配料的25。常用的助溶劑主要為各種鹽類，如LiCl、KCl、CaF2等。4）共激活劑用于與激活劑協(xié)同激活基質(zhì)，用量與激活劑相當。5）敏化劑用于增強材料發(fā)光，并能把吸收的能量傳遞到激活劑，從而提高發(fā)光效率。三、發(fā)光材料的應用照明光源： 熒光燈中的熒光粉、LED照明顯示與顯像：電視機（陰極射線管，等離子體平板電

15、視）、LED大屏幕顯示、交通指示。高能物理輻射探測： 高能物理與核物理實驗。核醫(yī)學成像： 計算機CT、SPECT、PET成像。發(fā)光材料用于探測X射線或射線。示蹤劑和標記物： 生物醫(yī)學領域，認識生命過程，例如熒光量子點。四1發(fā)光和猝滅并不是激發(fā)能量全部都要經(jīng)過傳輸，能量傳輸也不會無限的延續(xù)下去。激發(fā)的離子處于高能態(tài)，它們就不是穩(wěn)定的，隨時有可能回到基態(tài)。在回到基態(tài)的過程中，如果發(fā)射出光子，這就是發(fā)光。這個過程就叫做發(fā)光躍遷或輻射躍遷。如果離子在回到基態(tài)時不發(fā)射光子，而將激發(fā)能散發(fā)為熱（晶格振動），這就稱為無輻射躍遷或猝滅。一般而言，電子和空穴總是通過某種特定的中心而實現(xiàn)復合的。如果復合后發(fā)射出光

16、子，這種中心就是發(fā)光中心（它們可以是組成基質(zhì)的離子、離子團或有意摻入的激活劑）。有些復合中心將電子和空穴復合的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊岫话l(fā)射光子，這樣的中心就叫做猝滅中心。發(fā)光和猝滅在發(fā)光材料中互相獨立互相競爭的兩種過程。猝滅占優(yōu)勢時，發(fā)光就弱，效率也低。反之，發(fā)光就強，效率也高。2斯托克斯定律和反斯托克斯發(fā)光如果我們把一種材料的發(fā)射光譜和激發(fā)光譜加以比較，就會發(fā)現(xiàn)，在絕大多數(shù)的情況下，發(fā)光譜帶總是位于相應的激發(fā)譜帶的長波邊。例如，發(fā)光在紅區(qū)，激發(fā)光多半在藍區(qū)；發(fā)光在可見區(qū)，激發(fā)光多半在紫外區(qū)斯托克斯定律：指發(fā)射的光子能量小于吸收的光子能量，材料的發(fā)光譜帶位于其相應激發(fā)譜帶的長波邊，即材料吸收高能量的短

17、波輻射，而發(fā)射出低能量的長波輻射。）發(fā)光中心的能級結(jié)構示意圖下面一組代表基態(tài)，E01，E02，E03代表基態(tài)時的不同振動能級。上面一組是激發(fā)態(tài)，也有不同的振動能級E11，E12，E13假定系統(tǒng)吸收了一個光子，從E01躍遷到E12。系統(tǒng)在E12會馬上與周圍環(huán)境相互作用，交出一部分能量，轉(zhuǎn)移到E11，然后從E11躍遷回到基態(tài)。這樣發(fā)射出的光子，因為損失了一部分能量，必然小于激發(fā)光子的能量（E12E01）。這是一般的情況，因為系統(tǒng)在和周圍環(huán)境取得熱平衡后在振動能級上的分布，大致是和exp(-E/KT)成正比的，其中E是較高振動能級與最低振動能級間的距離。系統(tǒng)與周圍晶格的熱平衡所需的時間遠遠短于電子在

18、激發(fā)態(tài)上的壽命。由此可見，系統(tǒng)一旦被激發(fā)到高的振動能級，絕大多數(shù)要趨向低振動能級。因此，發(fā)光的光子能量，必然小于激發(fā)光子的能量。但是也存在這樣的幾率（盡管很?。?，即中心從周圍環(huán)境獲得能量，從E12轉(zhuǎn)移到E13，然后從E13躍遷到E01。這樣，發(fā)光光子的能量就有可能大于激發(fā)光子的能量。這種發(fā)光稱為反斯托克斯發(fā)光，它在實際上是存在的。但是它的強度很低，常常被看作是一種例外情況，沒有實用價值。實際上，對大多數(shù)發(fā)光材料而言，即使用發(fā)光區(qū)內(nèi)的波長還能夠激發(fā)發(fā)光，效率也是極低的。隨著激發(fā)波長的增長，效率趨近于零。因此過去認為，反斯托克斯發(fā)光只有理論上的意義。這種反斯托克斯發(fā)光的產(chǎn)生，是通過吸收兩個激發(fā)光子

19、而發(fā)出一個大能量的光子來實現(xiàn)的。這同我們前面講的那種從晶格振動取得能量的情況有些不同。已經(jīng)知道，兩個光子“合成”一個大光子的過程是多種多樣的，目前只是利用其中的一種做成應用器件，多數(shù)過程還處于初始的研究階段。就現(xiàn)在應用的反斯托克斯發(fā)光的效率而言，還在10-2的數(shù)量級。由于發(fā)光強度是和激發(fā)光（紅外光）強度的平方或立方成正比的，當激發(fā)強度下降時，效率會迅速下降，變的很低。現(xiàn)有材料的激發(fā)光譜又比較窄，激發(fā)波長稍長（例如長于1000nm），激發(fā)效率就很低。因此，想利用它來把白熾燈中的紅外線轉(zhuǎn)變成可見光，以提高白熾燈的效率，目前還不是切實可行的。在對多種上轉(zhuǎn)換發(fā)光過程進行深入的研究之后，一定能找出一種效

20、率高得多的反斯托克斯發(fā)光材料。對于非晶半導體,其吸收光譜的大致范圍如圖3.8所示。與紫外一可見光區(qū)相對應的吸收形式是本征吸收和激子吸收。當用紫外光或可見光照射非晶半導體時,可使價帶電子吸收光子后躍遷到導帶,形成電子一空穴對,這種帶間躍遷就是本征吸收。本征吸收條件是:hEg當導帶中的電子與價帶中的空穴復合時，電子由高能級躍遷到低能級。非平衡載流子就復合過程的微觀機構講，復合過程大致可以分為兩種：直接復合電子在導帶和價帶之間的直接躍遷，引起電子和空穴的直接復合；間接復合電子和空穴通過禁帶的能級(復合中心)進行復合。載流子復合時，一定要釋放出多余的能量。放出能量的方法有三種：發(fā)射光子。伴隨著復合，特

21、有發(fā)光現(xiàn)象，常稱為發(fā)光復合或輻射復合；發(fā)射聲子。載流子將多余的能量傳給晶格，加強晶格的振動；將能量給予其它載流子，增加它們的動能，稱為俄歇復合。每一個電子在單位時間內(nèi)都有一定的概率和空穴相遇而復合，這個概率（復合率）顯然和空穴濃度成正比，復合概率也與它們的運動速度（遵守玻爾茲曼分布）有關間接復合，半導體中的雜質(zhì)和缺陷在禁帶中形成一定的能級，它們除了影響半導體的電特性以外，對非平衡載流子的壽命也有很大的影響。半導體中雜質(zhì)越多，晶格缺陷越多，壽命就越短。這說明雜質(zhì)和缺陷有促進復合的作用。這些促進復合過程的雜質(zhì)和缺陷稱為復合中心。間接復合指的是非平衡載流子通過復合中心的復合。禁帶中有了復合中心能級，

22、就好像多了一個臺階，電子空穴的復合可分兩步走：第一步，導帶電子落入復合中心能級；第二步，這個電子再落入價帶與空穴復合。復合中心恢復了原來空著的狀態(tài)，又可以再去完成下一次的復合過程。顯然，一定還存在上述兩個過程的逆過程。激子復合，自由激子代表了低激發(fā)密度下純半導體中電子和空穴對能量最低的本征激發(fā)態(tài)。這種因庫侖互作用而相互束縛在一起的電子空穴對降低了系統(tǒng)的總能量，使之小于禁帶寬度，這一能量差就是自由激子的束縛能。對足夠純的半導體材料，低溫下激發(fā)電子和空穴形成激子的時間遠小于帶帶躍遷輻射復合壽命，因而其本征輻射復合的主要特征可以是激子復合導致的狹窄譜線的發(fā)光光譜。光激發(fā)載流子首先通過發(fā)射聲子弛豫到帶

23、邊緣，然后形成自由激子。它在晶體中運動并最終通過輻射復合給出特征性發(fā)光譜線。這里參與輻射復合的是因庫侖相互作用而束縛在一起、形成分立能級的電子空穴對，其發(fā)光光譜具有尖銳譜線的特征。激子作為一個整體，它是電中性的，它可以在晶體中自由運動，但不會引起電流。同時激子是一個能量系統(tǒng)，它可以以輻射的方式或非輻射的方式把能量重新釋放出來。如果以輻射方式釋放能量，就可以形成發(fā)光過程。這種激子發(fā)光是低溫時的主要發(fā)射機理。如圖2.6所示為激子復合過程。半導體表面確實有促進復合的作用。表面復合是指在半導體表而發(fā)生的復合過程。表面處的雜質(zhì)和表面特有的缺陷也在禁帶形成復合中心能級，因而，就復合機構講，表面復合是間接復

24、合俄歇復合，載流子從高能級向低能級躍遷，發(fā)生電子空穴復合時，把多余的能量傳給另一個載流子，使這個載流子被激發(fā)到能量更高的能級上去，當它重新躍遷回低能級時，多余的能量常以聲子形式放出，這種復合稱為俄歇復合。施主-受主復合，施主-受主復合也稱為DAP復合，它是施主能級俘獲的電子和受主能級俘獲的空穴之間的復合。這是一種重要的輻射能量小于禁帶寬度的復合發(fā)光機制。復合過程如圖2.9所示淺能級和主帶之間的復合，淺能級和主帶之間的復合如圖2.10所示。它可以是淺受主與導帶電子之間的復合圖2.9(a)或者是淺施主與價帶空穴之間的復合圖2.9（b）。產(chǎn)生這種復合的原因主要是雜質(zhì)能級和晶格缺陷的存在。半導體帶間躍

25、遷的基本理論半導體帶間光躍遷過程有帶帶躍遷、激子躍遷、子帶間躍遷、和雜質(zhì)中心有關的躍遷、自由載流子的帶內(nèi)躍遷、晶格振動態(tài)之間的躍遷和共振等等。紫外和可見光波段，有時包括紅外波段（對窄禁帶半導體），是一個電子從價帶躍遷到導帶引起的強而寬的吸收區(qū)域，稱為基本吸收區(qū)。這是半導體光吸收過程中最為重要的一個部分，其吸收系數(shù)可高達104105cm-1。躍遷過程伴隨著非平衡載流子的產(chǎn)生和光電導現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而為半導體的應用開辟了新的途徑。在這一吸收區(qū)的低能端，吸收系數(shù)陡峭的下降，可以在101102meV的能量范圍內(nèi)下降34個數(shù)量級之多。基本吸收區(qū)低能端的這種陡峭界限，是半導體和絕緣體吸收光譜中最突出的一個特

26、征，稱之為吸收邊或吸收限。事實上，吸收邊大致對應于將電子從價帶頂激發(fā)到最低導帶底的最小光子能量。半導體按其禁帶寬度附近能帶狀態(tài)在k空間的相對位置，可以分為直接帶隙和間接帶隙半導體。前者導帶的最低能量狀態(tài)和價帶的最高能量狀態(tài)位于波矢空間同一位置，通常是在k空間的原點附近，GaN即為這種材料。對這種材料，吸收邊附近吸收光子誘發(fā)的電子從價帶到導帶的躍遷過程，可以在沒有其他準離子參與的情況下完成，稱之為直接躍遷。后一類半導體，導帶的最低能量狀態(tài)和價帶最高能量狀態(tài)位于波矢空間的不同位置，它們的價帶最高能量狀態(tài)在k空間原點，而導帶的最低能量狀態(tài)則在第一布里淵區(qū)方向或方向的邊界或邊界附近，對于這類半導體，吸收邊附近吸收光子導致的電子從價帶到導帶的躍遷過程，因動量守恒的要求，需要其他粒子的協(xié)助才能完成，稱之為間接躍遷，其躍遷概率也較小。如圖2.11為間接能帶下的直接躍遷與間接躍遷圖。這種能帶結(jié)構，如果沒有其他準粒子的參與，能量大于Eg的光子，由于動量很小，還不足以使價帶頂?shù)碾娮榆S遷到波矢空間中kc,min附近能量為Eg的最低導帶狀態(tài)。所以間接躍遷過程是電子與光子及聲子同時互作用的兩步過程，可以假定電子先豎直地躍遷到