半导体物理2013(第十章)

1、第第1010章章 半导体的光学性质半导体的光学性质 10.110.1 半导体的光吸收半导体的光吸收 10.210.2 半导体的光电导半导体的光电导 10.310.3 半导体的光生伏特效应半导体的光生伏特效应 10.410.4 半导体发光及半导体激光半导体发光及半导体激光 本章重点讨论光与半导体相互作用的一般规律本章重点讨论光与半导体相互作用的一般规律, , 以光子与半导体中的电子、原子的相互作用来研究以光子与半导体中的电子、原子的相互作用来研究 半导体的光学性质，主要讲解以下四个方面：半导体的光学性质，主要讲解以下四个方面： 10.1 半导体的光吸收 10.1.1 吸收系数，反射系数和透射系数

2、 l1 1 半导体的光吸收系数半导体的光吸收系数 用透射法测定光在媒质（半导体）用透射法测定光在媒质（半导体） 中的衰减时发现，光的衰减与光中的衰减时发现，光的衰减与光 强成正比，若引入正比例系数强成正比，若引入正比例系数 （光吸收系数）（光吸收系数） dI I x dx 光强在半导体媒质中的衰减规律光强在半导体媒质中的衰减规律 0 expI xIx I I0 0表示在表面（表示在表面（x=0 x=0）处入射光的强度）处入射光的强度 的物理意义的物理意义：光入射导半导体内被吸收，使光强减小到原值：光入射导半导体内被吸收，使光强减小到原值 的的1/e1/e时，光波在半导体中所传播的距离即是吸收系

3、数的倒数。时，光波在半导体中所传播的距离即是吸收系数的倒数。 l由电磁场理论，光波在媒质（半导体）中传播，光强由电磁场理论，光波在媒质（半导体）中传播，光强I I随传随传 播距离播距离x x的变化的变化 式中，式中，为光波角频率；为光波角频率；c c为光速；为光速；k k为消光系数为消光系数 吸收系数表示式吸收系数表示式 为入射光在自由空间的波长为入射光在自由空间的波长,k,k为媒质的消光系数。为媒质的消光系数。对于对于 吸收系数很大的情况吸收系数很大的情况（例如（例如 ），），光的吸收实际上光的吸收实际上 集中在晶体很薄的表面层里。集中在晶体很薄的表面层里。 0 2 exp kx I xI

4、c 10.1 半导体的光吸收 10.1.1 吸收系数，反射系数和透射系数 15 10 cm l2 2 反射系数和透射系数反射系数和透射系数 当光波（电磁波）照射到导电媒质界面时，必然发生反当光波（电磁波）照射到导电媒质界面时，必然发生反 射和折射。考虑光从空气垂直入射于折射率射和折射。考虑光从空气垂直入射于折射率N=n-ikN=n-ik的媒质的媒质 界面时：界面时： 反射系数反射系数：指界面反射能流密度和入射能流密度之比，：指界面反射能流密度和入射能流密度之比， 用用R R表示（表示（n n为媒质折射率）为媒质折射率） 透射系数透射系数：指透射能流密度和入射能流密度之比值，：指透射能流密度和入

5、射能流密度之比值， 用用T T表示（表示（d d是半导体样品厚度）是半导体样品厚度） 2 2 2 2 1 1 nk R nk 2 1expTRd 10.1 半导体的光吸收 10.1.1 吸收系数，反射系数和透射系数 光吸收光吸收: :光在电介质中传播时强度衰减的现象，即产生光的吸光在电介质中传播时强度衰减的现象，即产生光的吸 收。收。 电子吸收光子能量后电子吸收光子能量后 将发生不同的跃迁将发生不同的跃迁 （即能量状态密度）（即能量状态密度） 1.1.本征吸收本征吸收：电子由价带向导带的跃迁所引起的光吸收，它：电子由价带向导带的跃迁所引起的光吸收，它 是最重要的吸收，又叫基本吸收。是最重要的吸

6、收，又叫基本吸收。 本征吸收的特点是产生电子本征吸收的特点是产生电子- -空穴对，从而引起光电导。空穴对，从而引起光电导。 10.1 半导体的光吸收 10.1.2 本征吸收 不同能带的状态之间；不同能带的状态之间； 同一能带的不同状态之间；同一能带的不同状态之间； 禁带中能级与能带之间禁带中能级与能带之间 2.2.本征吸收长波限本征吸收长波限 )( 24. 1 : 0 0 0 000 m eVE eV E hc Ehh gg g ：本征吸收长波限：本征吸收长波限 率限；率限；引起本征吸收的最低频引起本征吸收的最低频 为本征吸收限。为本征吸收限。， 3.3.吸收谱吸收谱 。强衰减为原来的强衰减为

7、原来的 长度时，光长度时，光中传播中传播为吸收系数，光在介质为吸收系数，光在介质； 的关系的关系或或与与吸收系数吸收系数 e eIxI h x /1 /1 0 0481612 25 50 75 100 1 cm 的吸收谱的吸收谱InSb 10.1 半导体的光吸收 10.1.2 本征吸收 m 本征吸收本征吸收 l光吸收时半导体中电子的跃迁要求光吸收时半导体中电子的跃迁要求 能量守恒，准动量守恒。能量守恒，准动量守恒。 能量守恒和动量守恒能量守恒和动量守恒 上式近似写成上式近似写成 EhE a EhhE hkhqhk光子动量 hkhqhk 10.1 半导体的光吸收 10.1.2 本征吸收 很小很小

8、 很小很小 4 4. . 直接跃迁（竖直跃迁）直接跃迁（竖直跃迁） 概念：概念：在本征吸收过程中，价带中的一个电子仅仅只吸在本征吸收过程中，价带中的一个电子仅仅只吸 收一个光子，而不涉及与晶格振动交换能量，便被激发到收一个光子，而不涉及与晶格振动交换能量，便被激发到 导带中去的跃迁过程。导带中去的跃迁过程。 跃迁前后能量改变为跃迁前后能量改变为 跃迁前后动量没有改变跃迁前后动量没有改变 电子跃迁前后波矢电子跃迁前后波矢k没有发生改变没有发生改变 EEEh hkhkkk 10.1 半导体的光吸收 10.1.2 本征吸收 l直接带隙材料直接带隙材料：导带极小值：导带极小值 和价带极大值都处于同一波

9、和价带极大值都处于同一波 矢矢k的半导体材料（的半导体材料（GaAs, GaSb等）等） l直接跃迁的吸收光谱是连续直接跃迁的吸收光谱是连续 的吸收带，对于直接带隙半的吸收带，对于直接带隙半 导体可以从光吸收的测量来导体可以从光吸收的测量来 求得禁带宽度的数值。求得禁带宽度的数值。 10.1 半导体的光吸收 10.1.2 本征吸收 l5. 5. 间接跃迁（非竖直跃迁）间接跃迁（非竖直跃迁） 概念：概念：在半导体本征吸收过程中电子激发，不但吸收光在半导体本征吸收过程中电子激发，不但吸收光 子的能量而且还与晶格热振动交换能量的跃迁过程。子的能量而且还与晶格热振动交换能量的跃迁过程。 跃迁前后能量改

10、变为跃迁前后能量改变为 跃迁前后动量没改变跃迁前后动量没改变 EEEh hkhkhqkkq 10.1 半导体的光吸收 10.1.2 本征吸收 l间接带隙材料间接带隙材料：导带极小值：导带极小值 和价带极大值不在同一波矢和价带极大值不在同一波矢 k的半导体材料（的半导体材料（Si, Ge） 10.1 半导体的光吸收 10.1.2 本征吸收 比本征吸收限波长还长的光子也能被吸收，因为还存在比本征吸收限波长还长的光子也能被吸收，因为还存在 其他吸收过程，如：其他吸收过程，如：激子吸收、自由载流子吸收、杂质吸收激子吸收、自由载流子吸收、杂质吸收 及及晶格振动吸收晶格振动吸收。 1. 1. 激子吸收激子

11、吸收 如果光子能量如果光子能量h小于小于Eg，价带电子受激发后虽然跃出，价带电子受激发后虽然跃出 了价带，但还不足以进入导带成为自由电子，仍然受到价了价带，但还不足以进入导带成为自由电子，仍然受到价 带空穴的库仑作用。受激电子和空穴互相束缚而结合在一带空穴的库仑作用。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，称为起成为一个新的系统，称为激子激子。这样的光吸收称为激子。这样的光吸收称为激子 吸收。吸收。 实验证明，在低温下某些晶体在本征连续吸收光谱出实验证明，在低温下某些晶体在本征连续吸收光谱出 现之前，即现之前，即h0 稳定值，稳定值，时时， ，则有，则有时时，设设 变化过程变化过

12、程光照后非平衡载流子的光照后非平衡载流子的 t tnU ，由连续性方程得由连续性方程得复合率为复合率为 1 00 0 小注入（直线性光电导）小注入（直线性光电导） 10.2 半导体的光电导 10.2.2 定态光电导及其弛豫过程 下面以下面以nn起主要光电导作用为例来讨论，只考虑起主要光电导作用为例来讨论，只考虑 均匀掺杂半导体中均匀产生非平衡载流子的情况均匀掺杂半导体中均匀产生非平衡载流子的情况： ns Iqtb 光电导上升过程中：光电导上升过程中：)1 ()1 ( /tt tb t s t n eeIq t t t t t t t s t s s e entn nnt n dt nd 所以所

13、以 ， 停止光照后停止光照后 0 012 3 4 012 3 4 t tt s 光照光照 停止光照停止光照 10.2 半导体的光电导 10.2.2 定态光电导及其弛豫过程 由光电导的上升由光电导的上升 和衰减的表达式和衰减的表达式 可以看出，载流可以看出，载流 子的寿命子的寿命的大的大 小直接影响着光小直接影响着光 电导变化的快和电导变化的快和 慢，也即寿命影慢，也即寿命影 响着光电导的弛响着光电导的弛 豫过程的快慢。豫过程的快慢。 强注入（抛物线性光电导）强注入（抛物线性光电导） nnU 2 g g成反比成反比寿命与寿命与直接复合情况直接复合情况 tI I tnnntn dt nd I nn

14、t tI I nnt nI dt nd s s 21 21 2 21 21 21 2 1 1 0 00 g gbbg g bb g g g g bb g gbb g g bb g gbb ， 时，时， ， ， tanh 10.2 半导体的光电导 10.2.2 定态光电导及其弛豫过程 n g t 1 )tanh()( 2/ 12/ 1 tIr r I nb b )( r I nn s b )(1 1 )( 2/1 2/1 tIrr I n b b 光电导灵敏度及光电导增益光电导灵敏度及光电导增益 光电导一般指单位光照度引起的光电导光电导一般指单位光照度引起的光电导。在。在 一定光照下，定态光电导

15、一定光照下，定态光电导s s（对应（对应n ns s）越大，）越大， 其灵敏度也越高。其灵敏度也越高。 前面推导的小注入时的前面推导的小注入时的n ns s公式为：公式为： 可以看出，如果考虑到光电导灵敏度的话，材料可以看出，如果考虑到光电导灵敏度的话，材料 光电导的弛豫时间（由寿命光电导的弛豫时间（由寿命来体现）越大，光来体现）越大，光 电导的定态值也越大（即灵敏度越高）。电导的定态值也越大（即灵敏度越高）。 btIns 10.2 半导体的光电导 10.2.2 定态光电导及其弛豫过程 但另一方面，寿命但另一方面，寿命大，意味着弛豫时间长，大，意味着弛豫时间长， 也就是光敏材料对光信号的反应慢

16、。所以在实际应也就是光敏材料对光信号的反应慢。所以在实际应 用中，常希望得到较大的光电导灵敏度（即要求大用中，常希望得到较大的光电导灵敏度（即要求大 的弛豫时间的弛豫时间），又希望能有较好的高频信号响应），又希望能有较好的高频信号响应 （反应快，即小的弛豫时间（反应快，即小的弛豫时间），二者是相互矛盾），二者是相互矛盾 的，需要根据实际情况来选用适当的材料。的，需要根据实际情况来选用适当的材料。 此外，即使由同一种材料制成的光敏电阻，当此外，即使由同一种材料制成的光敏电阻，当 结构不同时，可以产生不同的光电导效果，通常用结构不同时，可以产生不同的光电导效果，通常用 “光电导增益因子光电导增益因

17、子G G”表示光电导效应的增强。表示光电导效应的增强。 10.2 半导体的光电导 10.2.2 定态光电导及其弛豫过程 以下图为例，光敏电阻两端接电压以下图为例，光敏电阻两端接电压V V。在外电。在外电 场作下，光生载流子（以光生电子为例）在两电极场作下，光生载流子（以光生电子为例）在两电极 间的定向运动形成电路中的光电流。间的定向运动形成电路中的光电流。 10.2 半导体的光电导 10.2.2 定态光电导及其弛豫过程 设光生电子寿命为设光生电子寿命为 n n，电子从一个电极漂，电子从一个电极漂 移到另一个电极的渡越时移到另一个电极的渡越时 间为间为t t。 10.2 10.2 半导体的光电导

18、半导体的光电导 10.2.2 10.2.2 定态光电导及其弛豫过程定态光电导及其弛豫过程 若若n nt t，则表示该样品每吸收一个光子产，则表示该样品每吸收一个光子产 生光生载流子的过程中，会有多个电子从负极流向生光生载流子的过程中，会有多个电子从负极流向 正极，这样，电极较靠近时光电流会大于电极远离正极，这样，电极较靠近时光电流会大于电极远离 时的光电流。用光电导增益因子时的光电流。用光电导增益因子G G表示这种光电导表示这种光电导 效应的增强，数值上：效应的增强，数值上： 2 l V l V l E l v l G nn n n n n d n t n t t tt t t 10.2 10

19、.2 半导体的光电导半导体的光电导 10.2.3 10.2.3 复合中心和陷阱对光电导的影响复合中心和陷阱对光电导的影响 l高阻光电材料中典型高阻光电材料中典型 的复合中心对光电导的复合中心对光电导 的影响的影响: :这样的材料对这样的材料对 光电导起决定作用的光电导起决定作用的 是非平衡多数载流子，是非平衡多数载流子， 因为非平衡少数载流因为非平衡少数载流 子被陷在复合中心上，子被陷在复合中心上， 等待与多数载流子的等待与多数载流子的 复合。复合。 l少数载流子陷阱作少数载流子陷阱作 用用: :主要是延长了主要是延长了 自由的非平衡多子自由的非平衡多子 的寿命，因而增加的寿命，因而增加 了定

20、态光电导的灵了定态光电导的灵 敏度。敏度。 10.2 半导体的光电导 10.2.3 复合中心和陷阱对光电导的影响 l多数载流子陷阱作用多数载流子陷阱作用: : 延长了光电导的上升延长了光电导的上升 和下降的驰豫时间和下降的驰豫时间， 同时使复合中心上的同时使复合中心上的 非平衡少子浓度相应非平衡少子浓度相应 的增加，于是的增加，于是增加了增加了 导带中非平衡电子的导带中非平衡电子的 复合概率，即减少了复合概率，即减少了 光生电子的寿命，降光生电子的寿命，降 低了定态光电导灵敏低了定态光电导灵敏 度。度。 10.2 10.2 半导体的光电导半导体的光电导 10.2.3 10.2.3 复合中心和陷

21、阱对光电导的影响复合中心和陷阱对光电导的影响 10.3 10.3 半导体的光生伏特效应半导体的光生伏特效应 用适当波长的光照射非均匀半导体，如用适当波长的光照射非均匀半导体，如pnpn 结结( (或金属或金属- -半导体接触半导体接触) )等，由于势垒区中内建等，由于势垒区中内建 电场（也称为自建电场）的作用，半导体内部电场（也称为自建电场）的作用，半导体内部 产生电动势（光生电压）；如将产生电动势（光生电压）；如将pnpn结短路，则结短路，则 会出现电流（光生电流）。这种由内建电场引会出现电流（光生电流）。这种由内建电场引 起的光电效应，称为光生伏特效应。起的光电效应，称为光生伏特效应。 l

22、pnpn结中的光生伏特效应结中的光生伏特效应 10.3 10.3 半导体的光生伏特效应半导体的光生伏特效应 一、光生伏特效应的产生原理一、光生伏特效应的产生原理 pnpn结的光生伏特效应原理示意图结的光生伏特效应原理示意图 RL I 由于由于pnpn结内建电场结内建电场E E0 0的作用，结两边的光生的作用，结两边的光生 少数载流子发生定向移动。少数载流子发生定向移动。P P区光生电子穿过区光生电子穿过pnpn 结进入结进入n n区，而区，而n n区光生空穴穿过区光生空穴穿过pnpn结进入结进入p p区，区， 使使p p端电势升高，端电势升高，n n端电势降低，于是端电势降低，于是pnpn结两

23、端形结两端形 成了光生电动势，即成了光生电动势，即pnpn结的光生伏特效应。结的光生伏特效应。 由于光照产生的载流子的定向移动在由于光照产生的载流子的定向移动在pnpn结内结内 部形成由部形成由n n区流向区流向p p区的光生电流区的光生电流I IL L，同时光生电，同时光生电 压产生后相当于在压产生后相当于在p p区加正向电压，产生正向电区加正向电压，产生正向电 流流I IF F。随着。随着I IF F的增大，当的增大，当I IF F和和I IL L相等时，相等时，pnpn结两端结两端 建立稳定的电势差建立稳定的电势差V V，称为开路电压。若将，称为开路电压。若将pnpn结结 与外电路连接起

24、来，会有电流通过电路，与外电路连接起来，会有电流通过电路，pnpn结起结起 到电源的作用，这也是光电池的工作原理。到电源的作用，这也是光电池的工作原理。 10.3 10.3 半导体的光生伏特效应半导体的光生伏特效应 l金属金属- -半导体接触结构中的光生伏特效应半导体接触结构中的光生伏特效应 当一定频率范围的光照射在当一定频率范围的光照射在P P型半导型半导 体阻挡层，阻挡层中的本征吸收产生体阻挡层，阻挡层中的本征吸收产生 光生非平衡载流子对，导带的光生非光生非平衡载流子对，导带的光生非 平衡电子在内电场平衡电子在内电场E0E0作用下被拉向金作用下被拉向金 属一边，而价带光生非平衡空穴被属一边

25、，而价带光生非平衡空穴被E0E0 拉向半导体一边，形成一股由金属流拉向半导体一边，形成一股由金属流 向半导体的光生电流向半导体的光生电流I IL L。光生电流使。光生电流使 半导体一边带上正电荷而金属一边带半导体一边带上正电荷而金属一边带 上负电荷，相当于在阻挡层两边加上上负电荷，相当于在阻挡层两边加上 正向电压而使势垒降低，形成一股与正向电压而使势垒降低，形成一股与 光生电流相反的正向电流光生电流相反的正向电流I IF F 。当光。当光 生电流与正向电流达到平衡状时，金生电流与正向电流达到平衡状时，金 属和半导体之间建立起稳定的光生伏属和半导体之间建立起稳定的光生伏 特电势差。特电势差。 1

26、0.3 10.3 半导体的光生伏特效应半导体的光生伏特效应 + _ _ IL IF lP-nP-n结光生电流表示结光生电流表示 式中：式中：A A为为pnpn结面积；结面积； 为两侧扩散长度为两侧扩散长度(L(Ln n+L+Lp p) )内内 电子电子- -空穴对的平均产生率；空穴对的平均产生率；L Ln n和和L Lp p分别为电子和分别为电子和 空穴的扩散长度。空穴的扩散长度。 npL LLAQqI Q 10.3 10.3 半导体的光生伏特效应半导体的光生伏特效应 二、光电池的电流电压关系二、光电池的电流电压关系 l现在考虑现在考虑pnpn结型光电池的电流电压特性：结型光电池的电流电压特性

27、： 当特定频率的稳定光照射光电池时，假设光电池当特定频率的稳定光照射光电池时，假设光电池 两端的光生电压为两端的光生电压为V V，这个电压就相当于加在阻，这个电压就相当于加在阻 挡层（或挡层（或pnpn结）上的正向偏压，通过阻挡层的正结）上的正向偏压，通过阻挡层的正 向电流向电流 式中：式中：V V为光电池的光生电压；为光电池的光生电压；IsIs为反向饱和电流。为反向饱和电流。 1exp 0T k qV II sF 10.3 10.3 半导体的光生伏特效应半导体的光生伏特效应 l光电池与负载相连后，负载上流过的光电池与负载相连后，负载上流过的电流电流I I 上式是光电池的伏安特性。由此可得上式

28、是光电池的伏安特性。由此可得 1exp 0T k qV IIIII sLFL 1ln 0 s L I II q Tk V 10.3 10.3 半导体的光生伏特效应半导体的光生伏特效应 l光电池开路电压（光电池开路电压（I=0I=0） l光电池短路电流（光电池短路电流（V=0V=0） 1ln 0 s L OC I I q Tk V LSC II 10.3 10.3 半导体的光生伏特效应半导体的光生伏特效应 无无 光光 照照 有有 光光 照照 10.4 半导体发光及半导体激光 10.4.1 辐射跃迁与半导体发光 l电子的跃迁伴随着发射电子的跃迁伴随着发射 光子，称为光子，称为辐射跃迁辐射跃迁 l跃

29、迁过程不发射光子，跃迁过程不发射光子， 称为称为无辐射跃迁无辐射跃迁 l半导体中电子产生有辐半导体中电子产生有辐 射跃迁未必就能向外发射跃迁未必就能向外发 射光子，只有在辐射跃射光子，只有在辐射跃 迁占优势，发射的光子迁占优势，发射的光子 数大于被吸收及其它损数大于被吸收及其它损 耗的光子数时，半导体耗的光子数时，半导体 才能向外发射光子才能向外发射光子 辐射跃迁可分为两种情形辐射跃迁可分为两种情形 l导带电子跃迁到价带与空穴复合伴随着发射光子，导带电子跃迁到价带与空穴复合伴随着发射光子， 这种情形称为本征辐射跃迁这种情形称为本征辐射跃迁 l非能带之间的电子跃迁，归为非本征跃迁。非能带之间的电

30、子跃迁，归为非本征跃迁。 l电子跃迁发射光子的能量近似为电子跃迁前后所电子跃迁发射光子的能量近似为电子跃迁前后所 具有的能量之差。具有的能量之差。 10.4 半导体发光及半导体激光 10.4.1 辐射跃迁与半导体发光 l半导体发光机理：光致发光，电致发光和阴极射半导体发光机理：光致发光，电致发光和阴极射 线发光线发光 l电致发光：电致发光：p-np-n结发光，异质结发光，雪崩击穿发结发光，异质结发光，雪崩击穿发 光和隧道效应发光。光和隧道效应发光。 l实际应用最普遍最广泛的就是半导体实际应用最普遍最广泛的就是半导体p-np-n结正向注结正向注 入的电致发光入的电致发光 10.4 半导体发光及半

31、导体激光 10.4.1 辐射跃迁与半导体发光 热平衡：热平衡：n n型半导体一边形成电子势垒，型半导体一边形成电子势垒，p p型半导体一型半导体一 边形成空穴势垒边形成空穴势垒 p-np-n结加正压：结加正压：外加电势与内建电势方向相反，接触势外加电势与内建电势方向相反，接触势 垒下降，非平衡少子和多数载流子复合形成垒下降，非平衡少子和多数载流子复合形成p-np-n结正向结正向 电流，同时以发射光子形式释放多余能量。电流，同时以发射光子形式释放多余能量。 10.4.2 10.4.2 受激辐射跃迁与半导体激光受激辐射跃迁与半导体激光 激光激光辐射受激发射光量子放大辐射受激发射光量子放大 l亮度极

32、高（光能量高度集中）亮度极高（光能量高度集中） l方向性好，几乎是一束平行光方向性好，几乎是一束平行光 l单色性好，几乎是同一波频的光单色性好，几乎是同一波频的光 l受光的激发作用，使原子从受光的激发作用，使原子从E E1 1基态激发到基态激发到E E2 2的激的激 发态中去，处于激发态的原子始终要跃迁回到基发态中去，处于激发态的原子始终要跃迁回到基 态。那么，原子跃迁回基态的过程可以由两种不态。那么，原子跃迁回基态的过程可以由两种不 同的情况同的情况, ,如下图所示。如下图所示。 原子在跃迁过程中不受原子在跃迁过程中不受 外界因素的作用，自动外界因素的作用，自动 地从激发态跃迁回基态，地从激

33、发态跃迁回基态， 从而放出电子，称之为从而放出电子，称之为 自发辐射跃迁自发辐射跃迁 在外来光子在外来光子hvhv的诱发下，的诱发下， 原子才从激发态跃迁回原子才从激发态跃迁回 基态，同时放出光子，基态，同时放出光子， 称之为称之为受激辐射跃迁受激辐射跃迁 10.4.2 10.4.2 受激辐射跃迁与半导体激光受激辐射跃迁与半导体激光 12 EEhv l自发辐射跃迁中各原子的跃迁都是随机的，所产生的光子自发辐射跃迁中各原子的跃迁都是随机的，所产生的光子 虽然可以有相同的能量虽然可以有相同的能量hvhv，因而可以有相同的频率，但这，因而可以有相同的频率，但这 种光辐射的相位和传播方向等都不一样种光

34、辐射的相位和传播方向等都不一样 l受激辐射跃迁的诱发光子频率恰好与原子从受激态跃迁回受激辐射跃迁的诱发光子频率恰好与原子从受激态跃迁回 基态时所放出的光子频率相同，那么受激发射的光子不但基态时所放出的光子频率相同，那么受激发射的光子不但 是频率，而且连同光波的相位、偏振方向、传播方向等性是频率，而且连同光波的相位、偏振方向、传播方向等性 质都和诱发光子的性质完全一样。很明显这种受激辐射跃质都和诱发光子的性质完全一样。很明显这种受激辐射跃 迁使光子数增加，或者说获得了光子数的放大作用迁使光子数增加，或者说获得了光子数的放大作用 10.4.2 10.4.2 受激辐射跃迁与半导体激光受激辐射跃迁与半

35、导体激光 l产生激光必须使原子的受激辐射跃迁占主导地位。产生激光必须使原子的受激辐射跃迁占主导地位。 l通常情况下，由于基态的原子数总是大于受激状态的原子通常情况下，由于基态的原子数总是大于受激状态的原子 数，受激辐射跃迁不可能占主要的地位数，受激辐射跃迁不可能占主要的地位 l在足够的外来能量激发下，有可能使处于受激状态的原子在足够的外来能量激发下，有可能使处于受激状态的原子 数多于基态的原子数，称这种状态下的物质系统处于数多于基态的原子数，称这种状态下的物质系统处于粒子粒子 数反转的状态（或称为分布反转）数反转的状态（或称为分布反转） l如果有频率为如果有频率为的一束光通过粒子数反转状态下的物质系的一束光通过粒子数反转状态下的物质系 统，而且光子的频率恰好等于原子从受激状态跃迁回基态统，而且光子的频率恰好等于原子