光子与半导体导论

光电信息专业的后半程，大量内容落在光与半导体中电子的相互作用。本篇只建立最小可用图像，对应半导体物理与光电子学教材的入门章节思路。

光子：一份一份的能量

光子能量 (E = h\nu = hc/\lambda)。可见光大约在 1.7–3.1 eV 量级。波长越短，单光子能量越高。

对器件设计这意味着：要让某种材料发光或吸收，光子能量需要与材料的电子能级差匹配。

半导体：能带而不是孤立能级

晶体中电子形成能带。价带顶与导带底之间的能量差叫带隙 (E_g)。

• 电子从价带跃迁到导带：需要至少约 (E_g) 的能量（吸收光子或热激发等）。
• 电子从导带回到价带：可能放出光子（辐射复合）或把能量交给晶格（非辐射复合）。

本征半导体载流子浓度对温度敏感；掺杂则引入施主 / 受主能级，用来控制导电类型（n / p）与载流子浓度。

直接带隙与间接带隙

跃迁是否容易发光，还要看动量守恒：

• 直接带隙（如 GaAs、InP 等常见化合物半导体）：电子跃迁时晶格动量变化小，较容易高效发光，适合 LED / 激光器。
• 间接带隙（如硅、锗）：跃迁常需声子参与，发光效率通常很低，但硅在探测、调制与大规模集成电路上极强。

因此会出现分工：硅擅长算与集成；III–V 族常用来做高效光源。硅光子学则试图把光源、调制、波导等以不同方式“搬”到硅平台上——这是后续研究方向的重要背景。

pn 结：光电器件的公共舞台

p 区与 n 区接触形成空间电荷区与内建电场。

• 正向偏置：注入载流子，复合时可发光 → LED / 激光二极管的基本思路。
• 反向偏置：耗尽区加宽，入射光产生的电子—空穴对被电场分离 → 光电二极管的基本思路。

先把“注入—复合—发光”和“吸收—分离—电流”两幅图画清，再学具体器件结构会轻松很多。

建议对照的学习顺序

1. 复习固体物理中的能带与有效质量直觉。
2. 弄清直接 / 间接带隙与材料选择的关系。
3. 再进入 LED、LD、PIN、APD 等器件课。

本站下一篇会从器件侧概述探测器与 LED。