固体的光性质与光功能材料课件

固体的光性质与光功能材料1固体的光性质与光功能材料1 固体的光性质，从本质上讲，就是固体和电磁波的相互作用，这涉及晶体对光辐射的反射和吸收，晶体在光作用下的发光，光在晶体中的传播和作用以及光电作用、光磁作用等。

按照具体作用机理或应用目的之不同，尚可把光功能材料进一步区分为电光材料、磁光材料、弹光材料、声光材料、热光材料、非线性光学材料以及激光材料等多种。2 固体的光性质，从本质上讲，就是固体和电磁波的相互作用，这电光材料荧光材料材料：无机材料：砷化镓（GaAs）、砷铝化镓（GaAlAs）等材料有机材料3电光材料荧光材料材料：344

市场上出售的普通荧光棒内装有过氧化氢溶液以及一种包含苯基草酸酯和荧光染料的溶液。当上述两种溶液混合时，会依次发生下列反应

5 市场上出售的普通荧光棒内装有过氧化氢溶液以及一种包含苯基过氧化氢氧化苯基草酸酯，生成苯酚和不稳定的过氧酸酯。不稳定的过氧酸酯分解生成更多的苯酚和一种环状过氧化合物。环状过氧化合物分解生成二氧化碳。分解过程中会向染料释放能量。染料原子的电子跳至更高级别，然后回落，并以光的形式释放能量。6过氧化氢氧化苯基草酸酯，生成苯酚和不稳定的过氧酸酯。6固体的能带理论与导电性.Mg.

Mg先看两个原子的情况1s2s2p3s3p1s2s2p3s3p7固体的能带理论与导电性.Mg.Mg先看两个原子的情况1s2能级能带N条能隙，禁带E1、能带（energyband）：由于各原子间的相互作用，使得原来孤立原子的能级发生分裂。若有N个原子组成一体，对于原来孤立原子的一个能级，就分裂成N条靠得很近的能级，称为能带。8能级能带N条能隙，禁带E1、能带（energyband）

满带：填满电子的能带。

空带：没有电子占据的能带。

不满带：未填满电子的能带。

禁带：不能填充电子的能区。

价带：和价电子能级相应的能带，即最高的充有电子的能带。2、几个概念：

满带E

不满带

禁带

禁带价带

空带9满带：填满电子的能带。空带：没有电子占据的能带。不满二.绝缘体和半导体的能带结构E空带空带满带禁带ΔEg=3～6eV满带与空带间有一个较宽的禁带（Eg：3～6eV），共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。绝缘体Eg=0.12eVE空带（导带）满带禁带本征半导体半导体的禁带宽度ΔEg很窄（0.1～2eV）加热、光照、加电场都能把电子从满带激到发空带中去，同时在满带中形成“空穴”。10二.绝缘体和半导体的能带结构E空带空带 1、固体对光的吸收与光电转换材料1.1固体光吸收的本质

1.1.1纯净物质对光的吸收-固有吸收： 价带完全被电子填满。导带和价带之间存在一定宽度的能隙（禁带），在能隙中不能存在电子的能级。固体受到光辐射：如果辐射光子的能量不足以使电子由价带跃迁至导带，那么晶体就不会激发，也不会发生对光的吸收。电子由价带到导带的跃迁相关的光吸收，称作基础吸收或固有吸收。导带价带能隙（禁带）绝缘体或半导体h11 1、固体对光的吸收与光电转换材料1.1固体光吸收的本质 电磁波谱离子晶体的能隙宽度一般为几个电子伏，相当于紫外光的能量。因此，纯净的理想离子晶体对可见光以至红外区的光辐射，都不会发生光吸收，都是透明的。E=h12电磁波谱离子晶体的能隙宽度一般为几个电子伏，相当于紫外光的能碱金属卤化物晶体对电磁波透明的波长可以由~25μm到250nm，0.05~5ev的能量。能量足够高的辐射（如紫光）照射离子晶体时，价带中的电子就有可能被激发跨过能隙，进入导带，这样就发生基础吸收或固有吸收。CaF2的基础吸收带在200nm(约6ev)附近，NaCl的基础吸收约为8ev，Al2O3的基础吸收约在9ev。13碱金属卤化物晶体对电磁波透明的波长可以由~25μm到250n1.1.2缺陷存在时晶体的光吸收-激子吸收吸收能量低于能隙宽度，对应于电子由价带向稍低于导带底处的的能级的跃迁。这些能级可以看作是一些电子-空穴（或叫做激子）的激发能级处于这种能级上的电子，不显示光导电现象，它们和价带中的空穴偶合成电子-空穴对，作为整体在晶体中存在着或运动着，可以在晶体中运动一段距离（-1μm）后再复合湮灭。h导带价带激子能级141.1.2缺陷存在时晶体的光吸收-激子吸收吸收能量低于能隙缺陷存在时晶体的光吸收晶体的缺陷本征:填隙原子和空位非本征的:替代杂质等

15缺陷存在时晶体的光吸收晶体的缺陷15缺陷存在时晶体的光吸收 缺陷的能级位于价带、导带之间的能隙之中。当材料受到光照时，受主缺陷能级接受价带迁移来的电子，而施主能级上的电子可以向导带迁移，这样就使原本不能发生基础吸收的物质由于缺陷存在而发生光吸收，16缺陷存在时晶体的光吸收 缺陷的能级位于价带、导带之间的能隙之1.2半导体的光吸收和光导电现象在极低温度下，电子全部处在价带，不沿任何方向运动，是绝缘体室温下半导体材料的禁带宽度决定材料的性质。1.2.1本征半导体的光吸收本征半导体的光吸收和发光，一般说来都源于电子跨越能隙的跃迁，即直接跃迁。价带中的电子吸收一定波长的可见光或近红外光可以相互脱离而自行漂移，并参与导电，产生所谓光导电现象。当导带中的一个电子与价带中的一个空穴复合时，就会发射出可见光的光子，光致发光现象。171.2半导体的光吸收和光导电现象在极低温度下，电子全部处在【例】要使半导体CdS产生本征光电导，求激发电子的光波的波长最大多长？满带空带hEg=2.42eV解CdS18【例】要使半导体CdS产生本征光电导，求激发电子的光波的波掺入半导体的杂质有三类：施主杂质、受主杂质和等电子杂质。1.2.2非本征半导体的光吸收空带满带施主能级EDEgSiSiSiSiSiSiSiPn型半导体19掺入半导体的杂质有三类：施主杂质、受主杂质和等电子杂质。1.掺入半导体的杂质有三类：施主杂质、受主杂质和等电子杂质。1.2.2非本征半导体的光吸收EA空带满带受主能级SiSiSiSiSiSiSi+BEgp型半导体20掺入半导体的杂质有三类：施主杂质、受主杂质和等电子杂质。1.当杂质的价电子数等于其所替代的主晶格原子的价电子数时，这种杂质称为等电子杂质.1.2.2非本征半导体的光吸收21当杂质的价电子数等于其所替代的主晶格原子的价电子数时，这种杂单独的施主和受主杂质不会影响到材料的光学性质。因为只有当激发态电子越过能隙与空穴复合时，才会发生半导体的发光。1.2.2非本征半导体的光吸收EA空带满带受主能级Eg空带满带施主能级EDEg22单独的施主和受主杂质不会影响到材料的光学性质。因为只有当激发在晶体对光的基础吸收中，同时产生电子和空穴成为载流子，对晶体的电导作出贡献。杂质吸收中，激发到导带中的电子可以参与导电，但留下来的空穴被束缚在杂质中心，不能参与导电。这样的空穴俘获邻近的电子而复合。当价带电子受光激发到杂质中心时，价带中产生的空穴可以参与导电。1.2.3光导电现象23在晶体对光的基础吸收中，同时产生电子和空穴成为载流子，对晶体当电场强度一定时，改变光的强度会对光导电流产生影响。一般地，光导电流强度与光强成正比变化。

AgBr的光导电流随电压的变化光生载流子，一部分在复合中心消失掉，另一部分在电场作用下可以移动一段距离后，再被陷阱俘获。如果外电场强度大，则载流子在被陷阱所俘获之前在晶体中飘移的距离长、光电流强，但会有一个饱和值（即初级光电流的最大值）24当电场强度一定时，改变光的强度会对光导电流产生影响。一般地，光导电效应的应用光导电特性材料对光敏感，无光照时，不易导电；受到光照时，就变的容易导电了。常用的硫化镉半导体光敏电阻，在无光照时电阻高达几十兆欧，受到光照时电阻会减小到几十千欧。利用光导电特性制作的光电器件还有光电二极管和光电三极管等。25光导电效应的应用光导电特性材料对光敏感，无光照时，不易导电； 2、固体的发光和发光材料2.1激发源和发光材料分类发光：描述某些固体材料由于吸收能量而随之发生的发射光现象。发光可以以激发光源类型的不同划分为如下发光类型：光致发光：以光子或光为激发光源，常用的有紫外光作激发源。电致发光：以电能作激发源。阴极致发光：使用阴极射线或电子束为激发源。26 2、固体的发光和发光材料2.1激发源和发光材料分类262.2发光材料的特性发光材料的颜色：发光材料的颜色可通过不同方法来表征。发射光谱和吸收光谱是研究中应用比较多的方法吸收光谱是材料激发时所对应的光谱，相应吸收峰的波长就是激发时能量对应波长，发射光谱反映发光材料辐射光的情况，对应谱峰的波长就是发光的颜色光致发光材料的吸收光谱和发射光谱272.2发光材料的特性吸收光谱是材料激发时所对应的光谱，相应吸颜色的单色性从材料的发射光谱来看，发射谱峰的宽窄也是发光材料的重要特性，谱峰越窄，发光材料的单色性越好，反之亦然。我们将谱峰1/2高度时缝的宽度称作半宽度。光致发光材料的发射光谱 发射峰的半宽度半宽度28颜色的单色性光致发光材料的发射光谱 发射峰的半宽度半宽度色坐标发光材料的颜色可以用色坐标来表示。国际照明协会决定选取一组三基色参数x、y、z，时的颜色匹配过程中只有叠加的办法，称作（x、y、z系统）。任何一种颜色Q在这种系统中表示为：29色坐标发光材料的颜色可以用色坐标来表示。29发光效率

发光材料的另一个重要特性是其发光强度，发光强度也随激发强度而改变。通常用发光效率来表征材料的发光本领，有3种表示方法：量子效率发射物质辐射的量子数N发光与激发光源输入的量子数N吸收（如果是光致发光则是光子数；如系电子发光，则是电子数。余类推。）的比值：B量子=N发光/N吸收5.2.1能量效率发光能量与激发源输入能量之间的比值B量子=E发光/E吸收5.2.2如果是光致发光，又与E=hν，所以能量效率还可以表示如下：B量子=E发光/E吸收=hν发光/hν吸收=ν发光/ν吸收5.2.3光度效率发光的流明数与激发源输入流明数的比值：B量子=光度发光/光度吸收5.2.430发光效率30余辉

发光材料的一个重要特性是它的发光持续时间。依发光持续时间，我们可应将发光区分为荧光和磷光：荧光（Fluorescence）：激发和发射两个过程之间的间隙极短，约为<10-8秒。只要光源一离开，荧光就会消失。磷光（Phosphorescence）：在激发源离开后，发光还会持续较长的时间。还可以用余辉来表示物质发光的持续时间。余辉的定义为：当激发光停止时的发光亮度（或强度）J0衰减到J0的10%时，所经历的时间称为余辉时间，简称余辉。根据余辉可将发光材料分为六个范围：极短余辉<1μs短余辉1~10μs中短余辉10-2~1ms中余辉1~100ms长余辉0.1~1s极长余辉>1s31余辉31典型磷光材料日光用磷光材料日光灯是磷光材料的最重要应用之一。激发源是汞放电产生的紫外光，磷光材料吸收这种紫外光，发出“白色光”。由一个内壁涂有磷光体的玻璃管内充有汞蒸气和氩气构成。通电后，汞原子受到灯丝发出电子的轰击，被激发到较高能态。当它返回到基态时便发出波长为254和185nm的紫外光，涂在灯管内壁的磷光体受到这种光辐照，就随之发出白光。Hg白光玻璃壳磷光体料涂层185nm254nm32典型磷光材料Hg白光玻璃壳磷光体料涂层185nm254nm32.3发光类型场致发光：半导体材料在外电场的作用下的发光现象。如II-VI族与III-V族化合物。II-VI族制成粉末、薄膜或者单晶都可以发光，而III-V族化合物当前只限于单晶。II-VI族粉末目前有三种类型：1.交流电场激发发光材料，以ZnS为主要基质，Cu的掺杂量高达10-3；2.直流电场激发发光材料，以ZnS-Cu,Mn最好；3.有存贮性能的材料，如ZnS-Mn，以直流电激发时，它不发光，但如同时加以辐照，即可发光，而且撤出辐照后，它仍可发光。332.3发光类型如II-VI族与III-V族化合物。II-V2.3发光类型阴极射线发光：在真空中从阴极出来的电子束经加速后，轰击荧光屏发出发光。显象管用荧光材料要求必须具有足够高的发光亮度，；余辉时间要求足够短，在电流密度为0.2μA·cm-2情况下，激发停止后经过40μs，发光亮度对初始亮度的比值为0.6~0.8，可见发光效率足够高；最后从工艺上还要求严格的颗粒度。这类材料又依黑白和彩色显像管分为“白色”发光材料和彩色发光材料。342.3发光类型显象管用荧光材料要求必须具有足够高的发光亮度彩色发光材料彩色电视机显像管用发光材料有红、绿、蓝三种成分组成。在阴极射线发光材料中，几年来发展极快、具有前途的一类材料是稀土型发光材料。稀土型材料既能承担激活剂的作用，也能作为发光材料的基质，而且具有颜色饱和度和性能稳定的特点，并且能够在高密度电子流激发下使用，因此在彩电显像管中得到广泛使用。35彩色发光材料352.3发光类型发光二极管（LED）：一种低电压注入型发光，可以把电能直接转化成光能材料：无机材料：砷化镓（GaAs）、砷铝化镓（GaAlAs）等材料有机材料（OLED）：362.3发光类型材料：36P-n结处的发光机理n型p型U0电势电子电势能p-n结np37P-n结处的发光机理n型p型U0电势电子电势能p-n结np3由于p-n结的存在，电子的能量应考虑进势垒带来的附加势能。

这使电子能带出现弯曲：空带空带p-n结满带满带+—p-n结处施加正偏向压，n区的导带电子与p区的空穴在p-n结处复合，从而产生光子辐射这种发光只发生在p-n结上，称作注入结型发光这是一种电致发光，是发光二极管工作的基本过程。38由于p-n结的存在，电子的能量应考虑进势垒带来的附加3、固体激光材料激光的产生E2E1hE2E1自发发射跃迁吸收hAA电子从E2返回E1，并释放出一个光子hv=E2-E1E2E1h受激辐射跃迁hhA393、固体激光材料激光的产生E2E1hE2E1自发发射跃迁只有能量为hv=E2-E1的光子才能引起受激辐射；受激辐射后，就有两个能量都是hv的光子；受激辐射光的位相、偏振都与入射光相同；在外界光子引发受激辐射的同时，也发生吸收的过程；处于低能态的原子数总是很多，外界光子被吸收的可能性更大，引发受激辐射的可能性很小。40只有能量为hv=E2-E1的光子才能引起受激辐射；40产生激光的必要条件只有让高能级的原子数大于低能级的原子数；（也叫粒子数反转）才可能使受激辐射的几率大于吸收几率；维持连续不断的受激辐射。41产生激光的必要条件只有让高能级的原子数大于低能级的原子数；（产生激光的充分条件单色光 粒子数反转产生的激光寿命短、微弱，没有实用价值； 必须经过光谐振器，使光子不断增值，最后产生很强的位相相同的单色光，就是实用的激光。42产生激光的充分条件单色光42激光器的组成部分自1960年梅曼研制出第一台红宝石激光器以来，激光器的研制和应用有了飞速发展，在工业、医疗、民用、国防等领域应用广泛。激光器主要由三部分组成：激光工作物质、激励能源、光学共振腔。1）工作物质是激光器的核心，只有能实现能级跃迁的物质才能作为激光器的工作物质。2）激励能源（光泵）作用是给工作物质以能量，即将原子由低能级激发到高能级的外界能量。3）光学共振腔是激光器的重要部件，其作用一是使工作物质的受激辐射连续进行，起“放大作用”；二是对光束的准直作用和过滤作用。43激光器的组成部分自1960年梅曼研制出第一台红宝石激光器以来激光器的分类根据激光工作物质，可把激光器分为气体激光器、固体激光器、分子激光器、半导体激光器等。44激光器的分类根据激光工作物质，可把激光器分为气体激光器、固体固体激光器固体激光器发展最早，其体积小，输出功率大，应用方便。但由于工作物质很复杂，造价高。用于固体激光器的物质主要有三种：红宝石工作物质，它是在单晶体刚玉基质中掺入少量的三价铬离子后形成的激活晶体。掺入的三价铬离子是激活剂，起发光中心的作用。输出波长为694.3nm，为红色光；掺钕铝石榴石（Nd：YAG）工作物质，输出的波长为1.06μm呈白蓝色光；钕玻璃工作物质，输出波长1.06μm呈紫蓝色光。45固体激光器固体激光器发展最早，其体积小，输出功率大，应用方便气体激光器工作物质主要以气体状态进行发射的激光器在常温常压下是气体，但有的物质在通常条件下是液体（如非金属粒子的有水、汞），及固体（如金属离子结构的铜，镉等粒子），经过加热使其变为蒸气，利用这类蒸气作为工作物质的激光器，统归气体激光器之中。典型的气体激光器为氦－氖（He-Ne）激光器

气体激光器与固体激光器相比较，两者中以气体激光器的结构相对简单得多，造价较低，操作简便，但是输出功率常较小。46气体激光器工作物质主要以气体状态进行发射的激光器46分子激光器分子气体激光器通过分子能级间的跃迁产生激发振荡的一和种激光器，分子气体激光器中主要使用的为CO2激光器；

CO2激光器效率高，不造成工作介质损害，发射出10.6μm波长的不可见激光，是一种比较理想的激光器。47分子激光器分子气体激光器通过分子能级间的跃迁产生激发振荡的一4、光导纤维光导纤维：简作光纤，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。484、光导纤维光导纤维：简作光纤，是一种利用光在玻璃或塑料制成总外径125~200μm纤芯(高透明固体材料，如高石英玻璃)包层（折射率较纤芯低固体材料，如有损耗石英玻璃、或塑料）覆层高强材料光纤是一种非常细的可弯曲的导光材料。单根光纤的直径约为几到几百微米，它由内层材料（芯料）和包层材料（涂层）组成的复合结构。为了保护其不受损坏、最外面再加一层塑料套管。光纤截面图49总外径125~200μm纤芯(高透明固体材料，如高石英玻璃)全反射现象一切光纤的工作基础都是光的全反射现象。如果一束光投射到折射率分别为n1和n2（n1>n2）的两种媒质的界面上时（设n1>n2），入射光将分为反射光和折射光。入射角φ1与折射角φ2之间服从n1/n2=sinφ1/sinφ2的折射定律。当φ1增大时，φ2也相应增加，当φ2=π/2，φ1=arcsin(n2/n1)时，入射光全部返回原来的介质中，这种现象叫做光的全反射。50全反射现象一切光纤的工作基础都是光的全反射现象。当φ1增大时光在光纤中的传播原理光纤芯料的折射率高于包层材料的折射率，当入射光线由内层射到两层的界面时，只要入射角小于临界角，就可全反射折回内层，完全避免了传输过程中的折射损耗。51光在光纤中的传播原理光纤芯料的折射率高于包层材料的折射率，当石英玻璃光纤、多组分玻璃光纤、高双折射偏振保持光纤、单偏振光纤、各种传感器用光纤等。常用光纤材料52石英玻璃光纤、常用光纤材料52光纤材料石英光纤是以SiO2为主成分制成的。目前通讯用光纤都是SiO2玻璃光纤。53光纤材料石英光纤是以SiO2为主成分制成的。目前通讯用光纤都光纤应用：光纤传输的优点：损耗低，且损耗几乎不随温度而变重量轻：细，4～48根光纤组成的光缆直径还不到13mm，比标准同轴电缆的直径47mm要小得多；玻璃纤维，比重小抗干扰能力强：基本成分是石英，只传光，不导电，不受电磁场的作用，传输的光信号不受电磁场的影响，对电磁干扰、工业干扰有很强的抵御能力。保真度高工作性能可靠成本不断下降光纤被大量地应用在光通讯方面，此外，光纤作为传感器在军事、医学都有重要应用。54光纤应用：光纤传输的优点：光纤被大量地应用在光通讯方面，此外固体的光性质与光功能材料55固体的光性质与光功能材料1 固体的光性质，从本质上讲，就是固体和电磁波的相互作用，这涉及晶体对光辐射的反射和吸收，晶体在光作用下的发光，光在晶体中的传播和作用以及光电作用、光磁作用等。

按照具体作用机理或应用目的之不同，尚可把光功能材料进一步区分为电光材料、磁光材料、弹光材料、声光材料、热光材料、非线性光学材料以及激光材料等多种。56 固体的光性质，从本质上讲，就是固体和电磁波的相互作用，这电光材料荧光材料材料：无机材料：砷化镓（GaAs）、砷铝化镓（GaAlAs）等材料有机材料57电光材料荧光材料材料：3584

市场上出售的普通荧光棒内装有过氧化氢溶液以及一种包含苯基草酸酯和荧光染料的溶液。当上述两种溶液混合时，会依次发生下列反应

59 市场上出售的普通荧光棒内装有过氧化氢溶液以及一种包含苯基过氧化氢氧化苯基草酸酯，生成苯酚和不稳定的过氧酸酯。不稳定的过氧酸酯分解生成更多的苯酚和一种环状过氧化合物。环状过氧化合物分解生成二氧化碳。分解过程中会向染料释放能量。染料原子的电子跳至更高级别，然后回落，并以光的形式释放能量。60过氧化氢氧化苯基草酸酯，生成苯酚和不稳定的过氧酸酯。6固体的能带理论与导电性.Mg.

Mg先看两个原子的情况1s2s2p3s3p1s2s2p3s3p61固体的能带理论与导电性.Mg.Mg先看两个原子的情况1s2能级能带N条能隙，禁带E1、能带（energyband）：由于各原子间的相互作用，使得原来孤立原子的能级发生分裂。若有N个原子组成一体，对于原来孤立原子的一个能级，就分裂成N条靠得很近的能级，称为能带。62能级能带N条能隙，禁带E1、能带（energyband）

满带：填满电子的能带。

空带：没有电子占据的能带。

不满带：未填满电子的能带。

禁带：不能填充电子的能区。

价带：和价电子能级相应的能带，即最高的充有电子的能带。2、几个概念：

满带E

不满带

禁带

禁带价带

空带63满带：填满电子的能带。空带：没有电子占据的能带。不满二.绝缘体和半导体的能带结构E空带空带满带禁带ΔEg=3～6eV满带与空带间有一个较宽的禁带（Eg：3～6eV），共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。绝缘体Eg=0.12eVE空带（导带）满带禁带本征半导体半导体的禁带宽度ΔEg很窄（0.1～2eV）加热、光照、加电场都能把电子从满带激到发空带中去，同时在满带中形成“空穴”。64二.绝缘体和半导体的能带结构E空带空带 1、固体对光的吸收与光电转换材料1.1固体光吸收的本质

1.1.1纯净物质对光的吸收-固有吸收： 价带完全被电子填满。导带和价带之间存在一定宽度的能隙（禁带），在能隙中不能存在电子的能级。固体受到光辐射：如果辐射光子的能量不足以使电子由价带跃迁至导带，那么晶体就不会激发，也不会发生对光的吸收。电子由价带到导带的跃迁相关的光吸收，称作基础吸收或固有吸收。导带价带能隙（禁带）绝缘体或半导体h65 1、固体对光的吸收与光电转换材料1.1固体光吸收的本质 电磁波谱离子晶体的能隙宽度一般为几个电子伏，相当于紫外光的能量。因此，纯净的理想离子晶体对可见光以至红外区的光辐射，都不会发生光吸收，都是透明的。E=h66电磁波谱离子晶体的能隙宽度一般为几个电子伏，相当于紫外光的能碱金属卤化物晶体对电磁波透明的波长可以由~25μm到250nm，0.05~5ev的能量。能量足够高的辐射（如紫光）照射离子晶体时，价带中的电子就有可能被激发跨过能隙，进入导带，这样就发生基础吸收或固有吸收。CaF2的基础吸收带在200nm(约6ev)附近，NaCl的基础吸收约为8ev，Al2O3的基础吸收约在9ev。67碱金属卤化物晶体对电磁波透明的波长可以由~25μm到250n1.1.2缺陷存在时晶体的光吸收-激子吸收吸收能量低于能隙宽度，对应于电子由价带向稍低于导带底处的的能级的跃迁。这些能级可以看作是一些电子-空穴（或叫做激子）的激发能级处于这种能级上的电子，不显示光导电现象，它们和价带中的空穴偶合成电子-空穴对，作为整体在晶体中存在着或运动着，可以在晶体中运动一段距离（-1μm）后再复合湮灭。h导带价带激子能级681.1.2缺陷存在时晶体的光吸收-激子吸收吸收能量低于能隙缺陷存在时晶体的光吸收晶体的缺陷本征:填隙原子和空位非本征的:替代杂质等

69缺陷存在时晶体的光吸收晶体的缺陷15缺陷存在时晶体的光吸收 缺陷的能级位于价带、导带之间的能隙之中。当材料受到光照时，受主缺陷能级接受价带迁移来的电子，而施主能级上的电子可以向导带迁移，这样就使原本不能发生基础吸收的物质由于缺陷存在而发生光吸收，70缺陷存在时晶体的光吸收 缺陷的能级位于价带、导带之间的能隙之1.2半导体的光吸收和光导电现象在极低温度下，电子全部处在价带，不沿任何方向运动，是绝缘体室温下半导体材料的禁带宽度决定材料的性质。1.2.1本征半导体的光吸收本征半导体的光吸收和发光，一般说来都源于电子跨越能隙的跃迁，即直接跃迁。价带中的电子吸收一定波长的可见光或近红外光可以相互脱离而自行漂移，并参与导电，产生所谓光导电现象。当导带中的一个电子与价带中的一个空穴复合时，就会发射出可见光的光子，光致发光现象。711.2半导体的光吸收和光导电现象在极低温度下，电子全部处在【例】要使半导体CdS产生本征光电导，求激发电子的光波的波长最大多长？满带空带hEg=2.42eV解CdS72【例】要使半导体CdS产生本征光电导，求激发电子的光波的波掺入半导体的杂质有三类：施主杂质、受主杂质和等电子杂质。1.2.2非本征半导体的光吸收空带满带施主能级EDEgSiSiSiSiSiSiSiPn型半导体73掺入半导体的杂质有三类：施主杂质、受主杂质和等电子杂质。1.掺入半导体的杂质有三类：施主杂质、受主杂质和等电子杂质。1.2.2非本征半导体的光吸收EA空带满带受主能级SiSiSiSiSiSiSi+BEgp型半导体74掺入半导体的杂质有三类：施主杂质、受主杂质和等电子杂质。1.当杂质的价电子数等于其所替代的主晶格原子的价电子数时，这种杂质称为等电子杂质.1.2.2非本征半导体的光吸收75当杂质的价电子数等于其所替代的主晶格原子的价电子数时，这种杂单独的施主和受主杂质不会影响到材料的光学性质。因为只有当激发态电子越过能隙与空穴复合时，才会发生半导体的发光。1.2.2非本征半导体的光吸收EA空带满带受主能级Eg空带满带施主能级EDEg76单独的施主和受主杂质不会影响到材料的光学性质。因为只有当激发在晶体对光的基础吸收中，同时产生电子和空穴成为载流子，对晶体的电导作出贡献。杂质吸收中，激发到导带中的电子可以参与导电，但留下来的空穴被束缚在杂质中心，不能参与导电。这样的空穴俘获邻近的电子而复合。当价带电子受光激发到杂质中心时，价带中产生的空穴可以参与导电。1.2.3光导电现象77在晶体对光的基础吸收中，同时产生电子和空穴成为载流子，对晶体当电场强度一定时，改变光的强度会对光导电流产生影响。一般地，光导电流强度与光强成正比变化。

AgBr的光导电流随电压的变化光生载流子，一部分在复合中心消失掉，另一部分在电场作用下可以移动一段距离后，再被陷阱俘获。如果外电场强度大，则载流子在被陷阱所俘获之前在晶体中飘移的距离长、光电流强，但会有一个饱和值（即初级光电流的最大值）78当电场强度一定时，改变光的强度会对光导电流产生影响。一般地，光导电效应的应用光导电特性材料对光敏感，无光照时，不易导电；受到光照时，就变的容易导电了。常用的硫化镉半导体光敏电阻，在无光照时电阻高达几十兆欧，受到光照时电阻会减小到几十千欧。利用光导电特性制作的光电器件还有光电二极管和光电三极管等。79光导电效应的应用光导电特性材料对光敏感，无光照时，不易导电； 2、固体的发光和发光材料2.1激发源和发光材料分类发光：描述某些固体材料由于吸收能量而随之发生的发射光现象。发光可以以激发光源类型的不同划分为如下发光类型：光致发光：以光子或光为激发光源，常用的有紫外光作激发源。电致发光：以电能作激发源。阴极致发光：使用阴极射线或电子束为激发源。80 2、固体的发光和发光材料2.1激发源和发光材料分类262.2发光材料的特性发光材料的颜色：发光材料的颜色可通过不同方法来表征。发射光谱和吸收光谱是研究中应用比较多的方法吸收光谱是材料激发时所对应的光谱，相应吸收峰的波长就是激发时能量对应波长，发射光谱反映发光材料辐射光的情况，对应谱峰的波长就是发光的颜色光致发光材料的吸收光谱和发射光谱812.2发光材料的特性吸收光谱是材料激发时所对应的光谱，相应吸颜色的单色性从材料的发射光谱来看，发射谱峰的宽窄也是发光材料的重要特性，谱峰越窄，发光材料的单色性越好，反之亦然。我们将谱峰1/2高度时缝的宽度称作半宽度。光致发光材料的发射光谱 发射峰的半宽度半宽度82颜色的单色性光致发光材料的发射光谱 发射峰的半宽度半宽度色坐标发光材料的颜色可以用色坐标来表示。国际照明协会决定选取一组三基色参数x、y、z，时的颜色匹配过程中只有叠加的办法，称作（x、y、z系统）。任何一种颜色Q在这种系统中表示为：83色坐标发光材料的颜色可以用色坐标来表示。29发光效率

发光材料的另一个重要特性是其发光强度，发光强度也随激发强度而改变。通常用发光效率来表征材料的发光本领，有3种表示方法：量子效率发射物质辐射的量子数N发光与激发光源输入的量子数N吸收（如果是光致发光则是光子数；如系电子发光，则是电子数。余类推。）的比值：B量子=N发光/N吸收5.2.1能量效率发光能量与激发源输入能量之间的比值B量子=E发光/E吸收5.2.2如果是光致发光，又与E=hν，所以能量效率还可以表示如下：B量子=E发光/E吸收=hν发光/hν吸收=ν发光/ν吸收5.2.3光度效率发光的流明数与激发源输入流明数的比值：B量子=光度发光/光度吸收5.2.484发光效率30余辉

发光材料的一个重要特性是它的发光持续时间。依发光持续时间，我们可应将发光区分为荧光和磷光：荧光（Fluorescence）：激发和发射两个过程之间的间隙极短，约为<10-8秒。只要光源一离开，荧光就会消失。磷光（Phosphorescence）：在激发源离开后，发光还会持续较长的时间。还可以用余辉来表示物质发光的持续时间。余辉的定义为：当激发光停止时的发光亮度（或强度）J0衰减到J0的10%时，所经历的时间称为余辉时间，简称余辉。根据余辉可将发光材料分为六个范围：极短余辉<1μs短余辉1~10μs中短余辉10-2~1ms中余辉1~100ms长余辉0.1~1s极长余辉>1s85余辉31典型磷光材料日光用磷光材料日光灯是磷光材料的最重要应用之一。激发源是汞放电产生的紫外光，磷光材料吸收这种紫外光，发出“白色光”。由一个内壁涂有磷光体的玻璃管内充有汞蒸气和氩气构成。通电后，汞原子受到灯丝发出电子的轰击，被激发到较高能态。当它返回到基态时便发出波长为254和185nm的紫外光，涂在灯管内壁的磷光体受到这种光辐照，就随之发出白光。Hg白光玻璃壳磷光体料涂层185nm254nm86典型磷光材料Hg白光玻璃壳磷光体料涂层185nm254nm32.3发光类型场致发光：半导体材料在外电场的作用下的发光现象。如II-VI族与III-V族化合物。II-VI族制成粉末、薄膜或者单晶都可以发光，而III-V族化合物当前只限于单晶。II-VI族粉末目前有三种类型：1.交流电场激发发光材料，以ZnS为主要基质，Cu的掺杂量高达10-3；2.直流电场激发发光材料，以ZnS-Cu,Mn最好；3.有存贮性能的材料，如ZnS-Mn，以直流电激发时，它不发光，但如同时加以辐照，即可发光，而且撤出辐照后，它仍可发光。872.3发光类型如II-VI族与III-V族化合物。II-V2.3发光类型阴极射线发光：在真空中从阴极出来的电子束经加速后，轰击荧光屏发出发光。显象管用荧光材料要求必须具有足够高的发光亮度，；余辉时间要求足够短，在电流密度为0.2μA·cm-2情况下，激发停止后经过40μs，发光亮度对初始亮度的比值为0.6~0.8，可见发光效率足够高；最后从工艺上还要求严格的颗粒度。这类材料又依黑白和彩色显像管分为“白色”发光材料和彩色发光材料。882.3发光类型显象管用荧光材料要求必须具有足够高的发光亮度彩色发光材料彩色电视机显像管用发光材料有红、绿、蓝三种成分组成。在阴极射线发光材料中，几年来发展极快、具有前途的一类材料是稀土型发光材料。稀土型材料既能承担激活剂的作用，也能作为发光材料的基质，而且具有颜色饱和度和性能稳定的特点，并且能够在高密度电子流激发下使用，因此在彩电显像管中得到广泛使用。89彩色发光材料352.3发光类型发光二极管（LED）：一种低电压注入型发光，可以把电能直接转化成光能材料：无机材料：砷化镓（GaAs）、砷铝化镓（GaAlAs）等材料有机材料（OLED）：902.3发光类型材料：36P-n结处的发光机理n型p型U0电势电子电势能p-n结np91P-n结处的发光机理n型p型U0电势电子电势能p-n结np3由于p-n结的存在，电子的能量应考虑进势垒带来的附加势能。

这使电子能带出现弯曲：空带空带p-n结满带满带+—p-n结处施加正偏向压，n区的导带电子与p区的空穴在p-n结处复合，从而产生光子辐射这种发光只发生在p-n结上，称作注入结型发光这是一种电致发光，是发光二极管工作的基本过程。92由于p-n结的存在，电子的能量应考虑进势垒带来的附加3、固体激光材料激光的产生E2E1hE2E1自发发射跃迁吸收hAA电子从E2返回E1，并释放出一个光子hv=E2-E1E2E1h受激辐射跃迁hhA933、固体激光材料激光的产生E2E1hE2E1自发发射跃迁只有能量为hv=E2-E1的光子才能引起受激辐射；受激辐射后，就有两个能量都是hv的光子；受激辐射光的位相、偏振都与入射光相同；在外界光子引发受激辐射的同时，也发生吸收的过程；处于低能态的原子数总是很多，外界光子被吸收的可能性更大，引发受激辐射的可能性很小。94只有能量为hv=E2-E1的光子才能引起受激辐射；40产生激光的必要条件只有让高能级的原子数大于低能级的原子数；（也叫粒子数反转）才可能使受激辐射的几率大于吸收几率；维持连续不断的受激辐射。95产生激光的必要条件只有让高能级的原子数大于低能级的原子数；（产生激光的充分条件单色光 粒子数反转产生的激光寿命短、微弱，没有实用价值； 必须经过光谐振器，使光子不断增值，最后产生很强的位相相同的单色光，就是实用的激光。96产生激光的充分条件单色光42激光器的组成部分自1960年梅曼研制出第一台红宝石激光器以来，激光器的研制和应用有了飞速发展，在工业、医疗、民用、国防等领域应用广泛。激光器主要由三部分组成：激光工作物质、激励能源、光学共振腔。1）工作物质是激光器的核心，只有能实现能级跃迁的物质才能作为激光器的工作物质。2）激励能源（光泵）作用是给工作物质以能量，即将原子由低能级激发到高能级的外界能量。3）光学共振腔是激光器的重要部件，其作用一是使工作物质的受激辐射连续