24/12/26电信系光电工程专业1发光材料与器件基础西安邮电学院电工院光电工程专业24/12/26电信系光电工程专业2第二章发光材料基本概念2.1发光材料固体的光性质，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。基于这些性质，可以开发出光学晶体材料、光电材料、发光材料、激光材料以及各种光功能转化材料等。在本章中，我们从固体对光的吸收的本质开始，然后介绍光电材料、发光材料和激光材料等。24/12/26电信系光电工程专业32.1发光材料发光材料的定义发光材料又称发光体，是一种能够把从外界吸收的各种形式的能量转换为非平衡光辐射的功能材料。光辐射有平衡辐射和非平衡辐射两大类，即热辐射和发光。任何物体只要具有一定温度，则该物体必定具有与此温度下处于热平衡状态的辐射。非平衡辐射是指在某种外界作用的激发下，体系偏离原来的平衡态，如果物体在回复到平衡态的过程中，其多余的能力以光辐射的形式释放出来，则称发光。因此发光是一种叠加在热辐射背景上的非平衡辐射，其持续时间要超过光的振动周期。24/12/26电信系光电工程专业42.1发光材料固体发光的基本特征(1)任何物体在一定温度下都具有平衡热辐射，而发光是指吸收外来能量后，发出的总辐射中超出平衡热辐射的部分。(2)当外界激发源对材料的作用停止后，发光还会持续一段时间，称为余辉。一般10e-8为界限，短于为荧光，长于为磷光。24/12/26电信系光电工程专业52.2固体光吸收的本质导带价带能隙（禁带）我们先讨论纯净物质对光的吸收。基础吸收或固有吸收固体中电子的能带结构，绝缘体和半导体的能带结构如图5.1所示，其中价带相当于阴离子的价电子层，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。这样，在固体受到光辐射时，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。24/12/26电信系光电工程专业6例如，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。碱金属卤化物晶体对电磁波透明的波长可以由~25μm到250nm，相当于0.05~5ev的能量。当有足够强的辐射（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，这样就发生了光吸收。这种与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。例如，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。2.2固体光吸收的本质24/12/26电信系光电工程专业7导带价带能隙(禁带）激子能级激子吸收除了基础吸收以外，还有一类吸收，其能量低于能隙宽度，它对应于电子由价带向稍低于导带底处的的能级的跃迁有关。这些能级可以看作是一些电子-空穴（或叫做激子，excition）的激发能级（图5.2）处于这种能级上的电子，不同于被激发到导带上的电子，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。2.2固体光吸收的本质24/12/26电信系光电工程专业8缺陷存在时晶体的光吸收晶体的缺陷有本征的，如填隙原子和空位，也有非本征的，如替代杂质等。这些缺陷的能级定于在价带和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，图5.3给出了各种光吸收的情况。CCCEDDDDAAVVVVVµç×ӱóéÔËÔì³ÉµÄµç×Ó-¿ÕѨ¶ÔC→V过程在高温下发生的电子由价带向导带的跃迁。E→V过程这是激子衰变过程。这种过程只发生在高纯半导体和低温下，这时KT不大于激子的结合能。可能存在两种明确的衰变过程：自由激子的衰变和束缚在杂质上的激子的衰变。2.2固体光吸收的本质24/12/26电信系光电工程专业9D→V过程这一过程中，松弛的束缚在中性杂质上的电子和一个价带中的空穴复合，相应跃迁能...
