（能够发光的半导体主要是具有什么样能带结构的半导体？什么是受激发射？产生受激发射的必要条件是什么？）

 原创作者：Xie M. X. (UESTC，成都市)

半导体中的非平衡载流子在复合时，有可能发光，也有可能不发光，这主要决定于半导体的能带结构以及其中的特殊杂质。

半导体中非平衡载流子的复合发光，可以是自发式地发光——自发发射，也可以是非自发式地发光——受激发射。实际上，半导体激光二极管（LD）也就是利用半导体受激发射的一种发光器件。

（1）什么样的半导体能够发光？

半导体按照其能带结构的不同大体上可区分为两种，即直接带隙半导体和间接带隙半导体。这两种半导体的发光性能存在着很大的差异。

①直接带隙半导体：

直接带隙半导体也称为直接跃迁能带结构的半导体，其特点就是它的导带底与价带顶都在Brillouin区中的同一点（即波矢相同），如图1（a）所示。因此，当导带底的一个电子落到价带顶、并与一个空穴复合时，波矢k并不发生改变，则符合动量守恒定律，这种跃迁是容许的；因此，一个电子可与一个空穴直接复合，并发射出一个光子（光子的动量可以忽略）。所以，发光器件就应该选取直接带隙半导体材料来制作。GaAs、InP、SiC等化合物半导体即属于直接带隙半导体。

②间接带隙半导体：

间接带隙半导体即间接跃迁能带结构的半导体，有如Si、Ge、GaP、AlAs等。这种半导体能带的特点就是导带底与价带顶不在Brillouin区中的同一点（即波矢不相同），如图1（b）所示。当导带底的一个电子落到价带顶时，k将发生改变，即会发生动量变化，这不符合动量守恒定律，这种跃迁是不容许的；因此，这时电子与空穴就不能直接复合，但是如果通过一种复合中心能级Et（由重金属杂质、缺陷等形成）的中介作用即可实现复合：导带底电子首先被Et俘获，然后再落到价带顶、并与一个空穴复合；显然，这种复合时波矢k发生了改变，并且能量将通过发射声子而损耗掉，与此同时多余的动量也可给与声子。这就是所谓间接复合。由于在间接复合过程中，多余的能量是以发射声子（即增强晶格振动）、而不是发射光子形式进行的，所以间接带隙半导体不能用来制作发光器件。

不过，值得指出，有的间接带隙的半导体（如GaP）却可以制作出发光器件。这是由于GaP中的复合中心能级Et是有目的地掺入氮元素等所谓等电子杂质来产生的；电子由这种等电子杂质的复合中心能级上跃迁到价带顶时即可发出光子。（N原子的价电子数目与GaP中P原子的相等，故称N为等电子杂质。）

也有必要指出，Si、Ge等间接带隙半导体虽然不能用来制造发光器件，但是它们却可用来制作光电二极管之类的光检测器件、以及太阳电池之类的光伏器件。因为检测光和光电池，利用的都是半导体吸收光的作用。所以，只要半导体的禁带宽度合适，即可通过本征跃迁来吸收光，即可实现这一类的光电器件。当然，也可以利用杂质能级的光吸收，这可以检测出更长波长的光。  

（2）自发发射和受激发射：

半导体复合发光可以有两种形式，即自发发射和受激发射，如图2所示。

①对于自发发射（图2(a)），当高能态E2上有电子、低能态E1上有空态的情况下，电子即会自发地从高能态跃迁到低能态时，并发射出光子，该光子的能量等于hν=E2-E1。

这种自发发光的过程可以经典地理解为：电子从E2跃迁到E1的过程就像是电子在以频率ν振荡，这种电荷的振荡（加速或者减速），就会辐射出频率为ν的电磁波——光。

②对于受激发射（图2(b)），处于高能态E2上的电子，当受到能量为hν=E2-E1的入射光子的作用、并吸收其能量hν时，即会向低能态E1跃迁，同时辐射出能量为hν=E2-E1的光子，而且所辐射的光子与入射光子不仅频率相同、并且在方向上和相位上也都相同——入射光与出射光是相干光。在受激发射中，一个入射光子可以获得两个同相的出射光子，因此这是一种光子放大的过程。

受激发射的过程可以经典地理解为：当频率为ν入射光子（即激发光子）的电场与高能态E2上的电子耦合、驱动该电子以相同频率ν振动（受迫振动）时，即辐射出频率为ν=(E2-E1)/h的电磁波——发光，并且此辐射出的电场与入射光子的电场xx同相；当去掉入射光子时，高能态电子因辐射出了能量为hν=E2-E1的光子而跃迁到了低能态E1。

产生受激发射的必要条件：粒子数反转，即大部分电子都处于高能态。因为要达到受激发射，就要求入射光子不能被低能态电子所吸收，所以应该低能态上的电子数目很小，即E2上的电子数应该远大于E1上的电子数，这就是粒子数反转。

实现粒子数反转的方式可以有多种，在半导体激光二极管中是利用高掺杂p-n结的电注入来达到的（当然半导体应该是直接带隙的半导体材料）。在He-Ne激光器中是利用所谓光泵浦来把低能态电子激发到高能态上去的。对于Ne原子系统之类的受激发射，必须系统要具有三个能级（因为在稳定状态时，入射光子产生的向上激发和向下激发的数目是相等的，若只有两个能级，则将永远不会达到粒子数反转）；在光泵浦作用下，电子即从低能态E1跃迁到比E2还要高的E3能态上，然后迅速下落到亚稳状态（其上的电子具有较长的寿命）的高能态E2上；这样，在入射的激发光子作用下，即可产生受激发射——光子放大。