常见半导体光电器件的基本工作原理说明

为了进一步夯实大家的半导体器件物理基础，本期《涨知识啦》从量子跃迁角度为大家梳理一下常见半导体光电器件的基本工作原理，从而帮助大家更加深入的了解不同半导体光电器件的内在工作机理。

图1电子在导带与价带中的跃迁

在热平衡条件下，直接带隙半导体的导带和价带内分别占有一定数量的电子和空穴。导带中的电子以一定的几率与价带中的空穴复合并以光子的形式放出复合所产生的能量, 这一过程称为自发光发射跃迁。特别当半导体处于激励状态下，导带占有的电子密度很高时，自发辐射产生光子的几率就会大大增加；这是半导体发光二极管（LED）的工作原理基础，如图1（a）所示。

当用大于半导体禁带宽度能量的光子照射半导体时，光子把能量传递给价带中的电子，使电子具有更大的几率从价带跃迁到导带，从而在半导体中产生电子-空穴对；这个跃迁过程叫受激光吸收，这是光电探测器的基本工作原理，如图1（b）所示。

当具有适当能量的光子去激励导带中的电子，该电子与价带中的空穴复合同时发射另一个光子，这两个光子具有相同的特征（如频率、相位、偏振等）；则这种跃迁过程称为受激辐射，如图1（c）所示。受激辐射能使入射光强度得到放大，或当外界提供谐振条件时，该增益介质中科产生自激光发射，这是半导体激光器或者放大器的工作机理。

受激吸收与受激辐射是互逆的跃迁过程，但是如果利用某种激励方法使导带底的电子数大于价带顶的空穴数，则受激辐射的几率就将大于受激吸收的几率，因而可以得到较为纯粹的受激发射；这也是半导体中粒子数分布反转状态下的“光增益”的特性。

除了上述三种过程外，半导体内也可能发生其它跃迁过程。如电子从高能态跃迁到低能态的深能级时，将额外能量传递给晶格的原子，并产生声子，即“热跃迁”；此外，跃迁过程中的额外能量如果传递给第三个电子(或空穴)，并使之发生能级跃迁，则这个过程就是俄歇（Auger）复合过程，如图 1（d）所示。

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