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半导体的光学性质

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。半导体材料吸收光子能量转换成电能是光电器件的工作基础。光垂直入射到半导体表面时，进入到半导体内的光强遵照吸收定律：

式中，表示距离表面x远处的光强；为入射光强；为材料表面的反射率；为材料吸收系数，与材料、入射光波长等因素有关。
本征吸收
半导体吸收光子的能量使价带中的电子激发到导带，在价带中留下空穴，产生等量的电子与空穴，这种吸收过程叫本征吸收。
要发生本征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，即，从而有：

其中h是普朗克常量，ν是光的频率．c是光速，ν0：材料的频率阈值，λ0：材料的波长阈值，下表列出了常见半导体材料的波长阀值。
几种重要半导体材料的波长阈值

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，光子的能量也由上式决定，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GaxIn1-xAs或GaxIn1-xAsyP1-y合金制成的。
非本征吸收
非本征吸收包括杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收和晶格吸收等。
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（空穴跃迁到价带），这种吸收称为杂质吸收。杂质吸收的波长阈值多在红外区或远红外区。
自由载流子吸收
导带内的电子或价带内的空穴也能吸收光子能量，使它在本能带内由低能级迁移到高能级，这种吸收称为自由载流子吸收，表现为红外吸收。
激子吸收
价带中的电子吸收小于禁带宽度的光子能量也能离开价带，但因能量不够还不能跃迁到导带成为自由电子。这时，电子实际还与空穴保持着库仑力的相互作用，形成一个电中性系统，称为激子。能产生激子的光吸收称为激子吸收。这种吸收的光谱多密集与本征吸收波长阈值的红外一侧。
晶格吸收
半导体原子能吸收能量较低的光子，并将其能量直接变为晶格的振动能，从而在远红外区形成一个连续的吸收带，这种吸收称为晶格吸收。
半导体对光的吸收主要是本征吸收。对于硅材料，本征吸收的吸收系数比非本征吸收的吸收系数要大几十倍到几万倍。
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。
半导体的光学性质有如下特点
⑴绝缘体的禁带宽度大，纯净的离子晶体大致为几个电子伏特以上，三氧化二铝为9eV，氯化钠为8eV，所以从可见光到红外区不会发生光吸收，是透明的，但对紫外光不透明。
⑵掺杂后造成部分较低的局域能级，如Cr3＋有未充满的电子组态3d54s1，形成局域能级（1.7eV），可以吸收较高能量的光（蓝、绿光），造成氧化铝显红颜色。
例子
发光二极管
发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如下图所示：

PN结发光二极管示意图
假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、价带中间附近而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比越大光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数微米以内产生。
P－N结的辐射发光特点：
⑴受激发电子越过能隙（禁带）与空穴结合，会发生半导体发光；
⑵N`型半导体导带中有电子，价带中无空穴，故不发光；
⑶P型半导体价带中有空穴，导带中无