發(fā)光物理學(xué) 課件 第2、3章 半導(dǎo)體理論、光致發(fā)光

半導(dǎo)體理論基礎(chǔ)目錄固體能帶理論半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體特性載流子的復(fù)合與壽命載流子的傳輸P-N結(jié)二極管性質(zhì)硅材料的物理化學(xué)特性固體的能帶理論

——能帶的形成原子中的電子在原子核的勢(shì)場(chǎng)和其他電子的作用下，它們分別在不同的能級(jí)上，形成電子殼層。晶體中，各個(gè)原子互相靠得很近，不同原子的內(nèi)、外殼層都有一定的重疊，電子不再局限在某一個(gè)原子中，可以由一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原子上，導(dǎo)致電子共有化運(yùn)動(dòng)，結(jié)果使孤立原子的單一能級(jí)分裂形成能帶。根據(jù)電子先填充低能級(jí)的原理，下面的能帶先填滿電子，這個(gè)帶被稱為價(jià)帶或滿帶，上面的未被電子填滿的能帶或空能帶稱為導(dǎo)帶，中間以禁帶相隔。已被電子填滿的能帶稱為價(jià)帶。E5E4E3(4)E2(8)E1(2)固體的能帶理論

——能帶的形成晶體由大量原子組成，一個(gè)原子的電子不僅受到這個(gè)原子的作用。還將受到相鄰原子的作用。相鄰原子上的電子軌道將發(fā)生一定程度的相互交迭，通過軌道的交迭，電子可以從一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原子上去。這時(shí)電子已不屬于個(gè)別原子而成為整個(gè)晶體所共有，這種電子運(yùn)動(dòng)稱為“共有化”。電子在原子之間的轉(zhuǎn)移不是任意的，電子只能在能量相同的軌道之間發(fā)生轉(zhuǎn)移。下圖表示出這種共有化軌道的能級(jí)圖。

能帶禁帶能帶禁帶能帶從圖中可見，晶體中電子軌道的能級(jí)分成由低到高的許多組。分別和各原子能級(jí)相對(duì)應(yīng)，每一組都包含著大量的能量很接近的能級(jí)。這樣一組密集的能級(jí)看上去象一條帶子，所以被稱之為能帶。能帶之間的間隙叫做禁帶。未被電子填滿的能帶稱為導(dǎo)帶，已被電子填滿的能帶稱為滿帶。導(dǎo)體、半導(dǎo)體，絕緣體導(dǎo)電性質(zhì)的差異可以用它們的能帶圖的不同來加以說明。固體的能帶理論

——金屬、絕緣體、半導(dǎo)體絕緣體半導(dǎo)體導(dǎo)體EcEvEgEg導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶固體的能帶理論

——金屬、絕緣體、半導(dǎo)體導(dǎo)體：能帶交疊，即使極小的外加能量就會(huì)引起導(dǎo)電。絕緣體：能帶間距很大，不可能導(dǎo)電。半導(dǎo)體：禁帶比絕緣體窄很多，部分電子因熱運(yùn)動(dòng)從價(jià)帶跳到導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶中有少量電子，價(jià)帶中有少量空穴，從而有一定的導(dǎo)電能力。固體的能帶理論

——金屬、絕緣體、半導(dǎo)體物體的導(dǎo)電能力，一般用材料電阻率的大小來衡量。電阻率越大，說明這種材料的導(dǎo)電能力越弱。

物體電阻率

導(dǎo)體

半導(dǎo)體

絕緣體Ω·cm<10E-410E-3~10E9>10E9ρCu~10-6Ωcm，ρGe~0.2Ωcm半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)硅太陽電池生產(chǎn)中常用的硅（Si），磷（P），硼（B）元素的原子結(jié)構(gòu)模型如下：第三層4個(gè)電子第二層8個(gè)電子第一層2個(gè)電子Si+14P+15B最外層5個(gè)電子最外層3個(gè)電子siPB半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)

原子最外層的電子稱為價(jià)電子，有幾個(gè)價(jià)電子就稱它為幾族元素。若原子失去一個(gè)電子，稱這個(gè)原子為正離子，若原子得到一個(gè)電子，則成為一個(gè)帶負(fù)電的負(fù)離子。原子變成離子的過程稱為電離。半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)

固體可分為晶體和非晶體兩大類。原子無規(guī)則排列所組成的物質(zhì)為非晶體。而晶體則是由原子規(guī)則排列所組成的物質(zhì)。晶體有確定的熔點(diǎn)，而非晶體沒有確定熔點(diǎn)，加熱時(shí)在某一溫度范圍內(nèi)逐漸軟化，如玻璃。單晶和多晶的區(qū)別在整個(gè)晶體內(nèi)，原子都是周期性的規(guī)則排列，稱之為單晶。由許多取向不同的單晶顆粒雜亂地排列在一起的固體稱為多晶。半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)硅晶體內(nèi)的共價(jià)鍵

硅晶體的特點(diǎn)是原子之間靠共有電子對(duì)連接在一起。硅原子的4個(gè)價(jià)電子和它相鄰的4個(gè)原子組成4對(duì)共有電子對(duì)。這種共有電子對(duì)就稱為“共價(jià)鍵”。半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)硅晶體的金剛石結(jié)構(gòu)晶體對(duì)稱的，有規(guī)則的排列叫做晶體格子，簡(jiǎn)稱晶格，最小的晶格叫晶胞。以下是較重要的幾個(gè)晶胞：(a)簡(jiǎn)單立方（Po）(b)體心立方（Na、W）(c)面心立方（Al、Au）半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)

金剛石結(jié)構(gòu)是一種復(fù)式格子，它是兩個(gè)面心立方晶格沿對(duì)角線方向上移1/4互相套構(gòu)而成。正四面實(shí)體結(jié)構(gòu)金鋼石結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)晶面和晶向晶體中的原子可以看成是分布在一系列平行而等距的平面上，這些平面就稱為晶面。每個(gè)晶面的垂直方向稱為晶向。(100晶面)(110晶面)(111晶面)半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)原子密排面和解理面在晶體的不同面上，原子的疏密程度是不同的，若將原子看成是一些硬的球體，按照下圖方式排列的晶面就稱為原子密排面。半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的一種包含原子密排面的晶格是面心立方晶格。而金剛石晶格又是兩個(gè)面心立方晶格套在一起，相互之間沿著晶胞體對(duì)角線方向平移1/4而構(gòu)成的。我們來看面心立方晶格中的原子密排面。按照硬球模型可以區(qū)分在(100)、(110)、(111)幾個(gè)晶面上原子排列的情況。半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)(100)(110)(111)具有以下性質(zhì)：(a)由于(111)密排面本身結(jié)合牢固而相互間結(jié)合脆弱，在外力作用下，晶體很容易沿著(111)晶面劈裂，晶體中這種易劈裂的晶面稱為晶體的解理面。(b)由于(111)密排面結(jié)合牢固，化學(xué)腐蝕就比較困難和緩慢，而(100)面原子排列密度比(111)面低。所以(100)面比(111)面的腐蝕速度快，選擇合適的腐蝕液和腐蝕溫度，(100)面腐蝕速度比(111)面大得多，因此，用(100)面硅片采用這種各向異性腐蝕的結(jié)果，可以使硅片表面產(chǎn)生許多密布表面為(111)面的四面方錐體，形成絨面狀的硅表面。半導(dǎo)體的特性

——純度半導(dǎo)體特性，是建立在半導(dǎo)體材料的純度很高的基礎(chǔ)上的。半導(dǎo)體的純度常用幾個(gè)“9”來表示。比如硅材料的純度達(dá)到6個(gè)“9”，就是說硅的純度達(dá)到99.9999%，其余0.0001%（即10-6

）為雜質(zhì)總含量。半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)含量，通常還以“PPb”（partperbillion）與“PPm”來表示。PPb是一個(gè)無量綱量，在溶液中是用溶質(zhì)質(zhì)量占全部溶液質(zhì)量的十億分比來表示的濃度，也稱十億分比濃度（1/109，十億分之一，10-9）一個(gè)“PPm”就是百萬分之一（10-6

）那PPT呢？（Partpertrillion萬億分之一）（Partperthousand千分之一）半導(dǎo)體的特性

——導(dǎo)電特性導(dǎo)電能力隨溫度靈敏變化導(dǎo)體，絕緣體的電阻率隨溫度變化很小，導(dǎo)體溫度每升高一度，電組率大約升高0.4%。而半導(dǎo)體則不一樣，溫度每升高或降低1度，其電阻就變化百分之幾，甚至幾十，當(dāng)溫度變化幾十度時(shí)，電阻變化幾十、幾萬倍，而溫度為絕對(duì)零度（-273℃）時(shí)，則成為絕緣體。半導(dǎo)體的特性

——導(dǎo)電特性導(dǎo)電能力隨光照顯著改變當(dāng)光線照射到某些半導(dǎo)體上時(shí)，它們的導(dǎo)電能力就會(huì)變得很強(qiáng)，沒有光線時(shí)，它的導(dǎo)電能力又會(huì)變得很弱。雜質(zhì)的顯著影響在純凈的半導(dǎo)體材料中，適當(dāng)摻入微量雜質(zhì)，導(dǎo)電能力會(huì)有上百萬的增加。這是最特殊的獨(dú)特性能。其他特性溫差電效應(yīng)，霍爾效應(yīng)，發(fā)光效應(yīng)，光伏效應(yīng)，激光性能等。

半導(dǎo)體的特性

——導(dǎo)電過程描述純凈的半導(dǎo)體，在不受外界作用時(shí)，導(dǎo)電能力很差。而在一定的溫度或光照等作用下，晶體中的價(jià)電子有一部分可能會(huì)沖破共價(jià)鍵的束縛而成為一個(gè)自由電子。同時(shí)形成一個(gè)電子空位，稱之為“空穴”。從能帶圖上看，就是電子離開了價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而在價(jià)帶中留下了空穴，產(chǎn)生了一對(duì)電子和空穴。如下圖所示，通常將這種只含有“電子-空穴對(duì)”的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。“本征”指只涉及半導(dǎo)體本身的特性。半導(dǎo)體就是靠著電子和空穴的移動(dòng)來導(dǎo)電的，因此，電子和空穴被統(tǒng)稱為載流子。半導(dǎo)體的特性

——導(dǎo)電過程描述導(dǎo)帶(禁帶寬)價(jià)帶半導(dǎo)體的特性

——本征半導(dǎo)體、摻雜半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體：絕對(duì)純的且沒有缺陷的半導(dǎo)體摻雜半導(dǎo)體：摻有其他元素施主摻雜（N型硅）：電流主要靠電子來運(yùn)輸。受主摻雜（P型硅）：電流主要靠空穴來運(yùn)輸。

太陽能電池用的是P型硅襯底，N型擴(kuò)散層半導(dǎo)體的特性

——產(chǎn)生、復(fù)合由于熱或光激發(fā)而成對(duì)地產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，這種過程稱為“產(chǎn)生”?？昭ㄊ枪矁r(jià)鍵上的空位，自由電子在運(yùn)動(dòng)中與空穴相遇時(shí)，自由電子就可能回到價(jià)鍵的空位上來，而同時(shí)消失了一對(duì)電子和空穴，并釋放能量，這就是“復(fù)合”。在一定溫度下，又沒有光照射等外界影響時(shí)，產(chǎn)生和復(fù)合的載流子數(shù)相等，半導(dǎo)體中將在產(chǎn)生和復(fù)合的基礎(chǔ)上形成熱平衡。此時(shí)，電子和空穴的濃度保持穩(wěn)定不變，但是產(chǎn)生和復(fù)合仍在持續(xù)的發(fā)生。半導(dǎo)體的特性

——雜質(zhì)與摻雜半導(dǎo)體純凈的半導(dǎo)體材料中若含有其它元素的原子，那么，這些其它元素的原子就稱為半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)原子。對(duì)硅的導(dǎo)電性能有決定性影響的主要是三族硼和五族磷元素原子。還有些雜質(zhì)（如金、銅、鎳、錳和鐵等），在硅中起著復(fù)合中心的作用，影響壽命，產(chǎn)生缺陷，有著許多有害的作用。半導(dǎo)體的特性

——N型半導(dǎo)體（施主摻雜）磷（P）、銻（Sb）等五族元素原子的最外層有五個(gè)電子，它在硅中是處于替位式狀態(tài)，占據(jù)了一個(gè)原來應(yīng)是硅原子所處的晶格位置。磷原子最外層五個(gè)電子中只有四個(gè)參加共價(jià)鍵，另一個(gè)不在價(jià)鍵上，成為自由電子，失去電子的磷原子是一個(gè)帶正電的正離子，沒有產(chǎn)生相應(yīng)的空穴。正離子處于晶格位置上，不能自由運(yùn)動(dòng)，它不是載流子。因此，摻入磷的半導(dǎo)體起導(dǎo)電作用的，主要是磷所提供的自由電子，這種依靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為電子型半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱N型半導(dǎo)體。這種V族雜質(zhì)原子稱為施主雜質(zhì)。半導(dǎo)體的特性

——N型半導(dǎo)體（施主摻雜）多余電子半導(dǎo)體的特性

——N型半導(dǎo)體（施主摻雜）施主能級(jí)導(dǎo)帶電離能價(jià)帶半導(dǎo)體的特性

——P型半導(dǎo)體（受主摻雜）P型半導(dǎo)體硼（B）、鋁（Al）、鎵（Ga）等三族元素原子的最外層有三個(gè)電子，它在硅中也是處于替位式狀態(tài)。硼原子最外層只有三個(gè)電子參加共價(jià)鍵，在另一個(gè)價(jià)鍵上因缺少一個(gè)電子而形成一個(gè)空位，鄰近價(jià)鍵上的價(jià)電子跑來填補(bǔ)這個(gè)空位，就在這個(gè)鄰近價(jià)鍵上形成了一個(gè)新的空位，這就是“空穴”。硼原子在接受了鄰近價(jià)鍵的價(jià)電子而成為一個(gè)帶負(fù)電的負(fù)離子。因此在產(chǎn)生空穴的同時(shí)沒有產(chǎn)生相應(yīng)的自由電子。這種依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為空穴型半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱P型半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的特性

——P型半導(dǎo)體（受主摻雜）空鍵接受電子空穴半導(dǎo)體的特性

——P型半導(dǎo)體（受主摻雜）導(dǎo)帶電離能價(jià)帶受主能級(jí)實(shí)際，一塊半導(dǎo)體中并非僅僅只存在一種類型的雜質(zhì)，常常同時(shí)含有施主和受主雜質(zhì)，此時(shí)，施主雜質(zhì)所提供的電子會(huì)通過“復(fù)合”而與受主雜質(zhì)所提供的電子相抵消，使總的載流子數(shù)目減少，這種現(xiàn)象就稱為“補(bǔ)償”。在有補(bǔ)償?shù)那闆r下，決定導(dǎo)電能力的是施主和受主濃度之差。若施主和受主雜質(zhì)濃度近似相等時(shí)，通過復(fù)合會(huì)幾乎完全補(bǔ)償，這時(shí)半導(dǎo)體中的載流子濃度基本上等于由本征激發(fā)作用而產(chǎn)生的自由電子和空穴的濃度。這種情況的半導(dǎo)體稱之為補(bǔ)償型本征半導(dǎo)體。在半導(dǎo)體器件產(chǎn)生過程中，實(shí)際上就是依據(jù)補(bǔ)償作用，通過摻雜而獲得我們所需要的導(dǎo)電類型來組成所要生產(chǎn)的器件。補(bǔ)償載流子的復(fù)合與壽命

——多數(shù)載流子、少數(shù)載流子摻雜半導(dǎo)體中，新產(chǎn)生的載流子數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過原來未摻入雜質(zhì)前載流子的數(shù)量，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)主要由占多數(shù)的新產(chǎn)生的載流子來決定，所以，在P型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子，而電子是少數(shù)載流子。在N型半導(dǎo)體中，電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。摻入的雜質(zhì)越多，多數(shù)載流子的濃度（單位體積內(nèi)載流子的數(shù)目）越大，則半導(dǎo)體的電阻率越低，它的導(dǎo)電能力越強(qiáng)。載流子的復(fù)合與壽命

——平衡載流子、非平衡載流子一塊半導(dǎo)體材料處于某一均勻的溫度中，且不受光照等外界因素的作用的狀態(tài)，此時(shí)半導(dǎo)體中的載流子稱為平衡態(tài)載流子。半導(dǎo)體一旦受到外界因素作用（如光照，電流注入或其它能量傳遞形式）時(shí)，它內(nèi)部載流子濃度就多于平衡狀態(tài)下的載流子濃度。半導(dǎo)體就從平衡狀態(tài)變?yōu)榉瞧胶鉅顟B(tài)，就把處于非平衡狀態(tài)時(shí)，比平衡狀態(tài)載流子增加出來的一部分載流子成為非平衡載流子。載流子的復(fù)合與壽命

——平衡載流子、非平衡載流子當(dāng)引起非平衡載流子產(chǎn)生的外界因素停止后，非平衡載流子不會(huì)永久地存在下去。但也不是一下全部都消失掉，而是隨著時(shí)間逐漸減少消失的，他們的存在時(shí)間有些長(zhǎng)些，有些短些，有一個(gè)平均的存在時(shí)間，也就是“非平衡載流子的壽命”。半導(dǎo)體內(nèi)部和表面的復(fù)合作用是使得非平衡載流子逐漸減少直至消失的原因。非平衡載流子復(fù)合的主要方式：1.體內(nèi)復(fù)合：直接復(fù)合、間接復(fù)合（輻射復(fù)合，聲子復(fù)合，俄歇復(fù)合）。2.表面復(fù)合載流子的復(fù)合與壽命

——直接復(fù)合

電子和空穴在半導(dǎo)體內(nèi)部直接相遇放出光子或引起熱運(yùn)動(dòng)而復(fù)合，復(fù)合的過程是電子直接在能帶間躍進(jìn)，中間無須經(jīng)過任何間接過程，這種復(fù)合稱為直接復(fù)合。電子和空穴通過禁帶中的雜質(zhì)能級(jí)（復(fù)合中心）進(jìn)行復(fù)合，稱為間接復(fù)合（其能量釋放的方式可以分為三種：輻射復(fù)合、聲子復(fù)合、俄歇復(fù)合）。一般的雜質(zhì)半導(dǎo)體壽命是與多數(shù)載流子的密度成反比的，或者說半導(dǎo)體的電阻率越低，則壽命越短。電阻率越低，多數(shù)載流子濃度越高，這種非平衡載流子就越有機(jī)會(huì)與多數(shù)載流子相遇復(fù)合，所以壽命就越短。載流子的復(fù)合與壽命

——直接復(fù)合載流子的復(fù)合與壽命

——間接復(fù)合晶體中的雜質(zhì)原子和缺陷有促進(jìn)非平衡載流子的復(fù)合作用。間接復(fù)合與直接復(fù)合不同，它是通過禁帶中某些雜質(zhì)（缺陷）能級(jí)作為“跳板”來完成的?？拷麕е械碾s質(zhì)（缺陷）能級(jí)俘獲導(dǎo)帶中的電子與滿帶中的空穴在其上面間接進(jìn)行復(fù)合的稱之為間接復(fù)合，那些起復(fù)合作用的雜質(zhì)（缺陷）能級(jí)被稱為復(fù)合中心。復(fù)合中心是不斷地起著復(fù)合作用，而不是起了一次復(fù)合作用就停止了。通過復(fù)合中心的間接復(fù)合過程比直接復(fù)合過程強(qiáng)得多。因?yàn)殚g接復(fù)合過程每次所要放出的能量比直接復(fù)合的要少，相當(dāng)于分階段放出能量，所以容易得多。因而間接復(fù)合過程大多情況下決定著半導(dǎo)體材料的壽命值。載流子的復(fù)合與壽命

——間接復(fù)合

直接復(fù)合和間接復(fù)合都是在半導(dǎo)體內(nèi)部完成的，所以統(tǒng)稱為“體內(nèi)復(fù)合”。載流子的復(fù)合與壽命

——表面復(fù)合半導(dǎo)體表面吸附著外界空氣來的雜質(zhì)分子或原子，半導(dǎo)體表面存在著表面缺陷。這種缺陷是從體內(nèi)延伸到表面的晶格結(jié)構(gòu)上的中斷，表面原子出現(xiàn)懸空鍵，或者是半導(dǎo)體在加工過程中在表面留下的嚴(yán)重?fù)p傷或內(nèi)應(yīng)力，造成在體內(nèi)更多的缺陷和晶格畸變，這些雜質(zhì)和缺陷形成能接受或施放電子的表面能級(jí)，表面復(fù)合就是依靠表面能級(jí)對(duì)電子空穴的俘獲來進(jìn)行復(fù)合的。實(shí)際上表面復(fù)合過程屬于間接復(fù)合，此時(shí)的復(fù)合中心位于半導(dǎo)體材料的表面。載流子的復(fù)合與壽命

——表面復(fù)合半導(dǎo)體表面表面復(fù)合中心能級(jí)E2表面復(fù)合載流子的傳輸

——漂移半導(dǎo)體中的載流子在不停地做無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，沒有固定方向地移動(dòng)，所以半導(dǎo)體中并不產(chǎn)生電流。若在半導(dǎo)體兩端加上一個(gè)電壓，即半導(dǎo)體處于一個(gè)電場(chǎng)中，載流子在電場(chǎng)加速作用下，獲得了附加的運(yùn)動(dòng)，這就稱之為載流子的漂移運(yùn)動(dòng)。實(shí)際上晶體中加速的電子會(huì)與雜質(zhì)原子，缺陷，晶格原子相碰撞，這種碰撞會(huì)造成電子運(yùn)動(dòng)方向不斷發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱之為散射。由于散射的作用，漂移運(yùn)動(dòng)是曲折前進(jìn)的運(yùn)動(dòng)。載流子的傳輸

——漂移與遷移率遷移率是衡量半導(dǎo)體中載流子平均漂移速度的一個(gè)重要參數(shù)，其數(shù)值等于在單位電場(chǎng)作用下電子和空穴的定向運(yùn)動(dòng)速度。因此，它反映了載流子運(yùn)動(dòng)的快慢程度。

載流子的遷移率隨著溫度、摻雜濃度和缺陷濃度變化。同一種半導(dǎo)體材料，溫度升高，遷移率下降，摻雜濃度，缺陷濃度增加，遷移率同樣逐漸下降。載流子的傳輸

——漂移與遷移率遷移率還和載流子的有效質(zhì)量有關(guān)。電子的有效質(zhì)量比空穴小，所以電子的遷移率比空穴大。遷移率是反映半導(dǎo)體中載流子導(dǎo)電能力的重要參數(shù)，摻雜半導(dǎo)體的電導(dǎo)率一方面取決于摻雜濃度，另一方面取決于遷移率的大小。載流子的傳輸

——擴(kuò)散向半導(dǎo)體中注入非平衡載流子時(shí)，注入部分的載流子密度比其它部分高，載流子會(huì)由密度大的地方向密度小的地方遷移，這種現(xiàn)象叫做載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散的強(qiáng)弱是由載流子濃度的變化決定的，濃度梯度越大，擴(kuò)散也越容易；同時(shí)，擴(kuò)散的強(qiáng)弱還與載流子的種類，運(yùn)動(dòng)的速度以及散射的次數(shù)等有關(guān)，我們用擴(kuò)散系數(shù)來表示載流子擴(kuò)散能力的強(qiáng)弱。載流子的傳輸

——擴(kuò)散長(zhǎng)度非平衡載流子在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)過程中不斷地復(fù)合而消失。結(jié)果非平衡載流子密度由注入部分開始向密度小的方向逐漸減小。在連續(xù)注入的條件下，非平衡載流子密度由大到小形成一個(gè)穩(wěn)定的分布。由注入部位到非平衡載流子密度減小到1/e數(shù)值位置之間的距離稱為載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度。它也是半導(dǎo)體材料的重要參數(shù)之一。擴(kuò)散長(zhǎng)度：非平衡載流子在平均壽命時(shí)間內(nèi)經(jīng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)所通過的距離。載流子的傳輸

——擴(kuò)散長(zhǎng)度擴(kuò)散長(zhǎng)度距離載流子密度0PN結(jié)二極管性質(zhì)

——PN結(jié)在一塊完整的半導(dǎo)體晶體中，如果一部分是N型半導(dǎo)體，另一部分是P型半導(dǎo)體。在N型半導(dǎo)體中，多數(shù)載流子是電子，電子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過少數(shù)載流子空穴的濃度；而在P型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子，空穴濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過少數(shù)載流子電子的濃度，如下圖：PN結(jié)二極管性質(zhì)

——空間電荷區(qū)的形成過程在N型和P型半導(dǎo)體的交界面處存在有電子和空穴濃度梯度，N區(qū)中的電子就向P區(qū)滲透擴(kuò)散，擴(kuò)散的結(jié)果是N型區(qū)域中鄰近P型區(qū)域一邊的薄層內(nèi)有一部分電子擴(kuò)散到N型中去了。由于這個(gè)薄層失去了一些電子，在N區(qū)就形成帶正電荷的區(qū)域。同樣，P型區(qū)域中鄰近N型區(qū)域一邊的薄層內(nèi)有一部分空穴擴(kuò)散到N型區(qū)域一邊去了。由于這個(gè)薄層失去了一些空穴，在P區(qū)就形成了帶負(fù)電荷的區(qū)域。這樣在N型區(qū)和P型區(qū)交界面的兩側(cè)形成了帶正、負(fù)電荷的區(qū)域，叫做空間電荷區(qū)。PN結(jié)二極管性質(zhì)

——自建電場(chǎng)的定義空間電荷區(qū)中的正負(fù)電荷間形成電場(chǎng)。電場(chǎng)的方向是由N型區(qū)域指向P型區(qū)域，這個(gè)由于載流子濃度不均勻而引起擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)后形成的電場(chǎng)稱為自建電場(chǎng)。我們知道，載流子在電場(chǎng)作用下，會(huì)產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)。自建電場(chǎng)將N區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散的電子接回到N區(qū)，把P區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散的空穴接回到P區(qū)，由此可見，在空間電荷區(qū)內(nèi)，自建電場(chǎng)引起電子和空穴的漂移運(yùn)動(dòng)方向與它們各自的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向正好相反。N型P型空間電荷區(qū)PN結(jié)二極管性質(zhì)

——PN結(jié)的形成空間電荷區(qū)也叫阻擋層，就是我們通常講的PN結(jié)。PN結(jié)是許多半導(dǎo)體器件的核心，PN結(jié)的性質(zhì)集中反映了半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的特點(diǎn)，如：存在兩種載流子，載流子有漂移、擴(kuò)散以及產(chǎn)生、復(fù)合等基本運(yùn)動(dòng)的形成。所以，PN結(jié)是半導(dǎo)體器件入門的基礎(chǔ)。隨著電子和空穴的不斷擴(kuò)散，空間電荷的數(shù)量不斷增加，自建電場(chǎng)也越來越強(qiáng)，直到與載流子的漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相抵消時(shí)（即大小相等，方向相反），就會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。PN結(jié)二極管性質(zhì)

——正反向偏置的PN結(jié)的導(dǎo)電特性使P區(qū)電位高于N區(qū)電位的接法，稱PN結(jié)加正向電壓或正向偏置(簡(jiǎn)稱正偏)，如下圖：使P區(qū)電位低于N區(qū)電位的接法，稱PN結(jié)加反向電壓或反向偏置(簡(jiǎn)稱反偏)，如下圖：PN結(jié)二極管性質(zhì)

——PN結(jié)電流的解析描述理論分析證明，流過PN結(jié)的電流i與外加電壓u之間的關(guān)系為

式中，IS為反向飽和電流，其大小與PN結(jié)的材料、制作工藝、溫度等有關(guān)；UT=kT/q，稱為溫度的電壓當(dāng)量或熱電壓。在T=300K(室溫)時(shí)，

UT=26mV。這是一個(gè)今后常用的參數(shù)。PN結(jié)二極管性質(zhì)

——PN結(jié)電流的解析描述加正向電壓時(shí)，u只要大于UT幾倍以上i≈Iseu/UT，即i隨u呈指數(shù)規(guī)律變化；加反向電壓時(shí)，|u|只要大于UT幾倍以上，則i≈–IS(負(fù)號(hào)表示與正向參考電流方向相反)。PN結(jié)的伏安特性曲線，如右圖。圖中還畫出了反向電壓大到一定值時(shí)，反向電流突然增大的情況，即擊穿效應(yīng)。硅材料的物理化學(xué)性質(zhì)

——物理性質(zhì)及常數(shù)物理量單位數(shù)據(jù)物理量單位數(shù)據(jù)原子序14禁帶寬度電子伏1.1530K原子量28.081.106300K晶格結(jié)構(gòu)金剛石電子遷移率厘米2/伏秒1350化學(xué)鍵共價(jià)鍵空穴遷移率厘米2/伏秒480密度g/cm32.33電子擴(kuò)散系數(shù)厘米2/伏秒34.6硬度莫氏6.5空穴擴(kuò)散系數(shù)厘米2/伏秒1213熔點(diǎn)℃1420本征電阻率歐姆厘米2.3*105熱導(dǎo)率w/㎝·k1.4介質(zhì)常數(shù)11.7熱膨脹系數(shù)cm/cm℃2.33*10-6折射率4.0-3.55λ為0.55-1.1反射率33%λ為0.4-1.1硅材料的物理化學(xué)性質(zhì)

——化學(xué)性質(zhì)硅在高溫下能與氯、氧、水蒸氣等作用，生成四氯化硅、二氧化硅。硅不溶于HCl，H2SO4，HNO3以及王水（3HCl+1HNO3），硅與HF可以發(fā)生反應(yīng)，但反應(yīng)速度比較緩慢。硅材料的物理化學(xué)性質(zhì)

——化學(xué)性質(zhì)硅和硝酸、氫氟酸的混合液起作用

它利用濃HNO3的強(qiáng)氧化作用。使硅表面生成一層SiO2，另一方面利用HF的絡(luò)合作用，HF能與SiO2反應(yīng)生成可溶性的六氟硅酸絡(luò)合物H2[SiF6]。硅能與堿相互作用生成相應(yīng)的硅酸鹽。

硅能與Cu+2,Pb+2,Ag+,Hg+2等金屬離子發(fā)生置換反應(yīng)。硅能溶解在熔融的鋁、金、銀、錫和鉛等金屬之中，形成合金。硅和這些金屬的量可在一定范圍內(nèi)變化。在高溫下，硅與鎂、鈣、銅、鐵、鉑和鉍等金屬能形成具有一定組成的硅化物。硅材料的物理化學(xué)性質(zhì)

——參數(shù)的測(cè)量導(dǎo)電類型的檢測(cè)方法（冷熱探針法）：

導(dǎo)電類型是指半導(dǎo)體中多數(shù)載流子的類型。用兩根溫度不同的探針與半導(dǎo)體接觸時(shí)，熱探針處的半導(dǎo)體由于溫度升高使半導(dǎo)體內(nèi)載流子的速度和濃度都將增加，并由熱接觸點(diǎn)擴(kuò)散到冷接觸點(diǎn)。如果半導(dǎo)體是N型的，多數(shù)載流子為電子，擴(kuò)散的結(jié)果使熱接觸點(diǎn)比冷接觸點(diǎn)缺少電子，而冷接觸點(diǎn)有過多電子，即熱接觸點(diǎn)比冷接觸點(diǎn)有較高的正電勢(shì)。對(duì)于P型半導(dǎo)體，熱探針處的空穴濃度和速度增大，并向冷探針方向擴(kuò)散，熱探針處缺少空穴，冷探針處有過剩的空穴。因此，在冷探針處有較高的正電勢(shì)。因此，根據(jù)冷熱探針之間的電勢(shì)方向可以確定半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型。硅材料的物理化學(xué)性質(zhì)

——參數(shù)的測(cè)量電阻率的測(cè)量（直流四探針法）：用四根探針等距離沿一直線與被測(cè)樣品壓觸，從外側(cè)一對(duì)探針通以恒定的直流電流，由中間兩根探針測(cè)量該電流所產(chǎn)生的電位差。再由下式求出電阻率：其中C為探針常數(shù)測(cè)試原理：

當(dāng)四根金屬探針排成一條直線，并以一定壓力壓在半導(dǎo)體材料上時(shí)，在1,4兩根探針間通過電流Ｉ，則2,3探針間產(chǎn)生電位差Ｖ（如圖所示）。

根據(jù)公可計(jì)算出材料的電阻率：其中，C為四探針的探針系數(shù)（cm），它的大小取決于四根探針的排列方法和針距。硅材料的物理化學(xué)性質(zhì)

——參數(shù)的測(cè)量高頻光電導(dǎo)衰退法測(cè)量少數(shù)載流子壽命在光激發(fā)下，樣品電導(dǎo)發(fā)生變化，這時(shí)流過樣品的電流也隨著發(fā)生變化。光照停止后，非平衡載流子不會(huì)永久地存在下去，隨時(shí)間逐漸減少消失。取樣電阻兩端的電壓就反映了流過樣品電流的變化，而得到光電導(dǎo)衰退曲線。硅材料的物理化學(xué)性質(zhì)

——參數(shù)的測(cè)量晶向的測(cè)定利用擇優(yōu)腐蝕使晶體的解理面充分暴露并形成腐蝕坑，用一束平行光束垂直地照射到被測(cè)表面，在光屏上就可以看到從腐蝕小平面反射回來的特征反射圖象，根據(jù)圖象可以確定晶體的晶向。典型的特征光圖見下圖：第三章光致發(fā)光§3.1光致發(fā)光主要特征及一般規(guī)律§3.2發(fā)光材料的制備工藝及其原理§3.3聚集誘導(dǎo)發(fā)光及其原理§3.4光致發(fā)光材料及其應(yīng)用§3.4.1長(zhǎng)余輝材料§3.4.2燈用熒光材料§3.4.3上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料當(dāng)物質(zhì)受到諸如光照、外加電場(chǎng)或電子束轟擊等的激發(fā)后，吸收了外界能量，其電子處于激發(fā)狀態(tài)，物質(zhì)只要不因此而發(fā)生化學(xué)變化，當(dāng)外界激發(fā)停止以后，處于激發(fā)狀態(tài)的電子總要躍遷回到基態(tài)。在這個(gè)過程中，一部分多余能量通過光或熱的形式釋放出來。這部分能量以光的電磁波形式發(fā)射出來，即稱為發(fā)光現(xiàn)象。概括地說，發(fā)光就是物質(zhì)內(nèi)部以某種方式吸收能量以后，以熱輻射以外的光輻射形式發(fā)射出多余的能量的過程。

發(fā)光概念/內(nèi)涵用光激發(fā)材料而產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象，稱為光致發(fā)光。是指激發(fā)波長(zhǎng)落在從紫外到近紅外這個(gè)范圍內(nèi)的發(fā)光。光致發(fā)光概念/內(nèi)涵：§3.1光致發(fā)光主要特征及一般規(guī)律發(fā)光材料對(duì)光的吸收遵循：I(λ)=I0(λ)e-kλx一、吸收光譜吸收光譜：kλ隨波長(zhǎng)（或頻率）的變化。當(dāng)光照射到發(fā)光材料上時(shí)，一部分被反射、散射，一部分透射，剩下的被吸收。只有被吸收的這部分光才對(duì)發(fā)光起作用。但是也不是所有被吸收的光的各個(gè)波長(zhǎng)都能起激發(fā)作用。研究哪些波長(zhǎng)被吸收，吸收多少，顯然是重要的。I0(λ)——初始強(qiáng)度；I(λ)——光通過厚度x后的強(qiáng)度kλ——吸收系數(shù)（不依賴光強(qiáng)、但隨波長(zhǎng)變化而變化）發(fā)光材料的吸收光譜，首先決定于基質(zhì)，而激活劑和其他雜質(zhì)也起一定的作用，它們可以產(chǎn)生吸收帶或吸收線。二、反射光譜如果材料是一塊單晶，經(jīng)過適當(dāng)?shù)募庸ぃㄈ缜懈睢伖獾龋?，利用分光光度?jì)并考慮到反射的損失，就可以測(cè)得吸收光譜。但是多數(shù)實(shí)用的發(fā)光材料都是粉末狀，是由微小的晶粒組成的。這對(duì)精確測(cè)量吸收光譜造成很大的困難。在得不到單晶的情況下，通常只能通過材料的反射光譜來估計(jì)他們對(duì)光的吸收。當(dāng)粉末層足夠厚時(shí)，光在粉末中通過無數(shù)次折射和反射，最后不是被吸收就是折回到入射的那一側(cè)。這樣，我們就可以理解為什么反射率能夠反映材料的吸收能力。同時(shí)也可以知道，在這種多次折射與反射的情況下，吸收和反射的數(shù)量關(guān)系是很復(fù)雜的。我們只能說，如果材料對(duì)某個(gè)波長(zhǎng)的吸收強(qiáng)，反射率就低。反之，反射率就高。但不能認(rèn)為反射光譜就是吸收光譜。反射光譜是指反射率Rλ隨波長(zhǎng)（或頻率）的變化。反射率是指反射光的總量（粉末，指漫反射）和入射光的總量之比。是指發(fā)光的某一譜線或譜帶的強(qiáng)度隨激發(fā)光波長(zhǎng)（或頻率）的變化。橫軸代表所用的激發(fā)光波長(zhǎng)，縱軸代表發(fā)光的強(qiáng)弱。三、激發(fā)光譜內(nèi)涵：激發(fā)光譜反映不同波長(zhǎng)的光激發(fā)材料的效果。表示對(duì)發(fā)光起作用的激發(fā)光的波長(zhǎng)范圍。吸收光譜只說明材料的吸收，至于吸收后是否發(fā)光，則不一定。把吸收光譜和激發(fā)光譜相互對(duì)比，就可判斷哪些吸收對(duì)發(fā)光是有貢獻(xiàn)的，哪些是不起作用的。是指發(fā)光的能量按波長(zhǎng)（或頻率）的分布。四、發(fā)光光譜（也稱發(fā)射光譜）通常實(shí)驗(yàn)測(cè)量的是發(fā)光的相對(duì)能量。發(fā)射光譜中,橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)(或頻率),縱坐標(biāo)為發(fā)光相對(duì)強(qiáng)度。帶譜線譜以三價(jià)稀土離子為激活劑的材料為例：這種材料的三價(jià)稀土離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)和自由的三價(jià)稀土離子非常相似，因此可以確定各條譜線的來源。這對(duì)研究發(fā)光中心及其在晶格中的位置很有用處。一般地，光譜形狀可用高斯函數(shù)表示：

Eυ=Eυ0exp[-a(υ-υ0)2]υ—頻率，Eυ、Eυ0—頻率υ,υ0處相對(duì)應(yīng)的能量，а正常數(shù)（二）晶體內(nèi)產(chǎn)生電子和空穴：將任意運(yùn)動(dòng)，激發(fā)狀態(tài)也就不會(huì)局限在一個(gè)地方，而將發(fā)生轉(zhuǎn)移。五、能量傳輸(1)粒子被激發(fā)到較高能量狀態(tài)(2)產(chǎn)生電子和空穴（一）粒子被激發(fā)：處于激發(fā)態(tài)粒子可以與附近粒子相互作用將激發(fā)能量傳出去。則原來被激發(fā)的粒子回到基態(tài)，而附近的粒子則轉(zhuǎn)到激發(fā)態(tài)。這樣的過程可以一個(gè)接一個(gè)繼續(xù)下去，形成激發(fā)能量的傳輸。能量傳遞(energytransfer)，簡(jiǎn)稱傳能。是分子通過碰撞進(jìn)行的能量傳遞、轉(zhuǎn)移或交換的現(xiàn)象。能量傳遞可發(fā)生在同一自由度或不同自由度之間。例如僅發(fā)生平動(dòng)-平動(dòng)能量交換的碰撞為彈性碰撞。激發(fā)的粒子處于高能態(tài)，它們就不是穩(wěn)定的，隨時(shí)有可能回到基態(tài)。在回到基態(tài)的過程中，如果發(fā)射出光子，這就是發(fā)光，這個(gè)過程就叫做發(fā)光躍遷（或輻射躍遷）。如果粒子在回到基態(tài)時(shí)不發(fā)射光子，而將激發(fā)能散發(fā)為熱（晶格振動(dòng)），這就稱為淬滅（或無輻射躍遷）。六、發(fā)光和淬滅（一）粒子被激發(fā)到較高能量狀態(tài)的情況并不是激發(fā)能量全部都要經(jīng)過傳輸，能量傳輸也不會(huì)無限的延續(xù)下去。激發(fā)的粒子是發(fā)射光子，還是發(fā)生無輻射躍遷，或者是將激發(fā)能量傳遞給別的粒子，這幾種過程都有一定的幾率，決定于粒子周圍的情況（如近鄰粒子的種類、位置等）。（二）產(chǎn)生電子和空穴的情況由激發(fā)而產(chǎn)生的電子和空穴，不穩(wěn)定，最終將會(huì)復(fù)合。在復(fù)合以前有可能經(jīng)歷復(fù)雜的過程。如，它們可能分別被雜質(zhì)離子或晶格缺陷所捕獲，由于熱振動(dòng)而又可能獲得自由，這樣可以反復(fù)多次，最后才復(fù)合而放出能量。一般而言，電子和空穴總是通過某種特定的中心而實(shí)現(xiàn)復(fù)合的。發(fā)光和淬滅是在發(fā)光材料中互相獨(dú)立互相競(jìng)爭(zhēng)的兩種過程。淬滅占優(yōu)勢(shì)時(shí)發(fā)光就弱，效率也低。反之，發(fā)光就強(qiáng)，效率也高。若復(fù)合后發(fā)射出光子，這種中心就是發(fā)光中心（可以是組成基質(zhì)的離子、離子團(tuán)或有意摻入的激活劑）有些復(fù)合中心將電子和空穴復(fù)合的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊岫话l(fā)射光子，這樣的中心就叫做淬滅中心發(fā)光譜帶總是位于其相應(yīng)激發(fā)譜帶的長(zhǎng)波邊Stokes定律：發(fā)光的光子能量小于激發(fā)光的光子能量七、斯托克斯定律和反斯托克斯發(fā)光如把一種材料的發(fā)射光譜和激發(fā)光譜加以比較，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)的情況下，發(fā)光譜帶總是位于相應(yīng)的激發(fā)譜帶的長(zhǎng)波邊。例如，發(fā)光在紅區(qū)，激發(fā)光多半在藍(lán)區(qū)；發(fā)光在可見區(qū)，激發(fā)光多半在紫外區(qū)。E13E12E11E03E02E01發(fā)光中心的能級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖E01，E02，E03…基態(tài)時(shí)的不同振動(dòng)能級(jí)E11，E12，E13……激發(fā)態(tài)不同的振動(dòng)能級(jí)（材料的發(fā)光譜帶位于其相應(yīng)激發(fā)譜帶的長(zhǎng)波邊）吸收光子，躍遷；在E12馬上與周圍環(huán)境相互作用，交出部分能量，轉(zhuǎn)移到E11；損失了部分能量。一般，系統(tǒng)與周圍環(huán)境取得熱平衡后在振動(dòng)能級(jí)上的分布，大致與exp(-△E/KT)成正比?！鱁是較高振動(dòng)能級(jí)與最低振動(dòng)能級(jí)間的距離。系統(tǒng)與周圍晶格的熱平衡所需的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于電子在激發(fā)態(tài)上的壽命。由此可見，系統(tǒng)一旦被激發(fā)到高的振動(dòng)能級(jí)，絕大多數(shù)要趨向低振動(dòng)能級(jí)。中心從周圍環(huán)境獲得能量，從E12轉(zhuǎn)移到E13、E14，然后躍遷到E01。則發(fā)光光子能量就大于激發(fā)光子能量。這種發(fā)光稱為反斯托克斯發(fā)光。反斯托克斯發(fā)光:E13E12E11E03E02E01E14這是從晶格振動(dòng)取得能量，產(chǎn)生反Stokes發(fā)光。通過多光子吸收，產(chǎn)生反Stokes發(fā)光：兩個(gè)或多個(gè)光子“合成”一個(gè)大光子（過程多種多樣，待后面細(xì)講）一個(gè)光子被吸收，就有一個(gè)電子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)；經(jīng)過一系列過程，又以一個(gè)光子的形式發(fā)射出來。由于存在無輻射過程，激發(fā)光子不能百分之百地轉(zhuǎn)換成發(fā)光光子，因此單光子過程的量子效率一般小于100%。

多光子過程則不同。例如Pr3+離子被激發(fā)到高能態(tài)1So后,并不立即返回基態(tài)3H6，而是躍遷到3P2態(tài)，發(fā)射一個(gè)400nm的光子，然后又從3P2態(tài)無輻射地弛豫到3Po態(tài)，再從3Po躍遷到3H6，發(fā)射出607nm的另一個(gè)光子。這樣一個(gè)激發(fā)光子變成兩個(gè)發(fā)光光子，量子效率就大于1（圖1）。（多光子過程是光和物質(zhì)相互作用時(shí)，一個(gè)入射光子引出幾個(gè)出射光子或者幾個(gè)入射光子引出一個(gè)出射光子的過程）另外，也有兩個(gè)激發(fā)光子變成一個(gè)發(fā)光光子的例子，這就是“上轉(zhuǎn)換”發(fā)光──用紅外線激發(fā)，得到可見光。這里舉兩個(gè)例子：①在NaYF4:Er,Yb這類材料中。一個(gè)Yb3+離子吸收了紅外線的能量，傳給Er3+離子，使它被激發(fā)到中間態(tài)4I11/2，另一個(gè)Yb3+離子又將所吸收的同樣大小的能量傳給這個(gè)處于激發(fā)態(tài)的Er3+離子，使它激發(fā)到更高的能級(jí)。在損失一小部分能量(4F7/2→4S7/2)給點(diǎn)陣以后，這個(gè)Er3+離子躍遷回到基態(tài)(4S7/2→4I15/2)，發(fā)出綠光或紅光（圖2）。②在YbPO4中只有一個(gè)吸收紅外線的能級(jí)，但卻能發(fā)出藍(lán)綠光（497nm），雖然并沒有與497nm相應(yīng)的真實(shí)能級(jí)。這是由于兩個(gè)受激發(fā)的Yb3+離子“合作”，把所吸收的能量疊加在一起而發(fā)出可見光（圖3）。除去這類“合作發(fā)光”過程之外，還有“組合激發(fā)”或“組合發(fā)光”，也是多光子的過程。例如：中心A由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，中心B則由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。B所需的能量由A的躍遷釋出能量的一部分供給，剩下的“差額”仍由A以光子形式發(fā)射出來（圖4）。多光子過程還有很多其他情況，這里不一一例舉。通常有三種表示法：（1）量子效率ηq（2）功率效率（能量效率）ηp（3）光度效率（流明效率）ηl八、發(fā)光效率（1）量子效率ηq

：是指發(fā)射的光子數(shù)Nf與激發(fā)時(shí)吸收的光子數(shù)（或電子數(shù)）Nx之比。但一般總有能量損失，激發(fā)光光子能量常大于發(fā)射光光子能量。當(dāng)激發(fā)光波長(zhǎng)比發(fā)光波長(zhǎng)短很多時(shí)，這種能量損失（斯托克斯損失）就很大。例如：日光燈中激發(fā)光波長(zhǎng)為254nm（汞線），發(fā)光的平均波長(zhǎng)可以算作是550nm。因此，即使量子效率為1（或100%），但斯托克斯能量損失卻有1/2以上。所以量子效率反映不出來（能量損失），所以要引入功率效率。（2）功率效率（能量效率）ηp

：是指發(fā)射光的光功率Pf與被吸收的光功率Px（或激發(fā)時(shí)輸入的電功率）之比。發(fā)光器件總要作用于人眼。人眼只能感覺到可見光，且在可見光范圍內(nèi)，對(duì)不同波長(zhǎng)光的敏感程度差別極大。人眼對(duì)555nm綠光最敏感，隨波長(zhǎng)變化其相對(duì)視感度通常用視見函數(shù)φ(λ)表示：功率效率很高的發(fā)光器件發(fā)出的光，人眼看起來不見得很亮。用人眼衡量發(fā)光器件功能時(shí)，引入流明效率。（3）流明效率ηl

：發(fā)射的光通量L（以流明為單位）與激發(fā)時(shí)輸入的電功率或被吸收的其他形式能量總功率Px之比。對(duì)于光致發(fā)光來說，如果激發(fā)光是單色或接近單色的（波長(zhǎng)為λx），發(fā)射光也是單色或接近單色的（波長(zhǎng)為λf）,則量子效率與功率效率有如下關(guān)系：

九、發(fā)光的衰減發(fā)光像章持續(xù)發(fā)光幾小時(shí)，日光燈關(guān)閉上，發(fā)光也持續(xù)一定時(shí)間……發(fā)光與其他光發(fā)射現(xiàn)象的根本區(qū)別就在于持續(xù)時(shí)間。這個(gè)持續(xù)時(shí)間來自于電子在各種高能量狀態(tài)的壽命。假定發(fā)光材料中某種離子被激發(fā)，沒有能量傳遞發(fā)生，激發(fā)到高能態(tài)電子終究要回到基態(tài)。如果在某一時(shí)刻t共有n個(gè)電子處在某一激發(fā)能級(jí)，在dt時(shí)間內(nèi)躍遷到基態(tài)的電子數(shù)目dn應(yīng)該正比于ndt，即：

dn=-a·n·dt

（公式1）這里比例常數(shù)a表示電子躍遷到基態(tài)的幾率。分離變量：由此可以得到n0是初始時(shí)刻（t=0）被激發(fā)的電子數(shù)dn=-a·n·dt（公式2）可以證明：電子在激發(fā)態(tài)的平均壽命就是1/a=τ。

作業(yè)：n0是初始時(shí)刻（t=0）被激發(fā)的電子數(shù)，已知壽命是指電子數(shù)變?yōu)槌跏茧娮訑?shù)的1/e時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間，試證明：電子在激發(fā)態(tài)的平均壽命就是1/a=τ。因?yàn)?/p>

所以

令：

=

即：-at=-1求解：壽命t=1/a。

發(fā)光強(qiáng)度I應(yīng)該正比于電子躍遷到基態(tài)的速率，即

I∝dn/dt可得：I=I0e-at(由公式2直接得知)即：發(fā)光以指數(shù)形式衰減。在τ秒后，發(fā)光強(qiáng)度為初始強(qiáng)度1/e。τ稱衰減常數(shù)。發(fā)光材料的τ值，短至毫微秒數(shù)量級(jí)，長(zhǎng)達(dá)幾秒、幾十秒甚至更長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)中，測(cè)出不同時(shí)間的發(fā)光強(qiáng)度，在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)上作圖，可以得到一