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光电学基础概述光的波粒二象性光既表现出波动性又表现出粒子性，这种双重特性称为波粒二象性。在传播、干涉和衍射现象中，光表现为电磁波；而在与物质相互作用过程中，如光电效应，光又表现为由光子组成的粒子流。光子能量E=hν，其中h为普朗克常数，ν为光的频率。光谱范围及光子能量可见光谱范围约为400-700nm，但光电学涉及更广泛的电磁波谱，包括紫外线(10-400nm)、可见光、红外线(700nm-1mm)等。不同波长的光子具有不同的能量，波长越短，光子能量越高。在半导体器件中，光子能量与材料的能隙匹配是关键参数。光与物质相互作用基本原理

半导体物理基础半导体能带结构半导体材料具有特殊的能带结构，主要包括导带(ConductionBand)和价带(ValenceBand)，两者之间的能量差称为禁带或能隙(EnergyGap)。不同半导体材料的能隙大小不同，如硅(Si)约为1.12eV，砷化镓(GaAs)约为1.42eV。能隙大小决定了半导体的光电特性，包括吸收波长、发光波长等关键参数。载流子概念半导体中的电流由载流子传导，主要包括两类：电子和空穴。电子是带负电荷的实际粒子，而空穴则是价带中电子缺失形成的虚拟正电荷载体。在本征半导体中，电子和空穴浓度相等；在N型半导体中，电子为多数载流子；在P型半导体中，空穴为多数载流子。载流子的浓度、迁移率和寿命是决定半导体电学和光学性能的关键参数。载流子生成与复合机制载流子生成是指电子从价带跃迁到导带的过程，可通过热激发、光激发或电场激发实现。复合则是导带电子回到价带的过程，释放能量。主要复合机制包括：辐射复合(发光)、Auger复合和SRH复合(通过缺陷能级)。复合速率与载流子浓度、温度、材料纯度等因素有关，直接影响器件的量子效率和响应速度。

半导体非平衡态载流子注入与非平衡态形成半导体平衡状态下，载流子浓度由材料本身的掺杂浓度和温度决定。当外部能量输入(如光照、电场等)使载流子浓度偏离平衡值时，半导体进入非平衡态。载流子注入是形成非平衡态的主要方式之一，可通过正向偏置PN结、异质结界面注入或光激发等方式实现。在非平衡态下，半导体中存在过剩载流子(多余载流子)，其浓度分布遵循连续性方程，受到扩散、漂移、生成和复合等过程的综合影响。非平衡态是光电器件工作的基础状态，如激光器、LED、光电探测器等均在非平衡条件下工作。光激发产生多余载流子当入射光子能量大于半导体带隙能量时，价带电子吸收光子能量跃迁至导带，形成电子-空穴对，产生多余载流子。光生载流子的浓度与入射光强度、吸收系数和量子效率成正比。吸收系数α决定了光在半导体中的穿透深度(d=1/α)，直接影响光生载流子的空间分布。载流子寿命与复合中心

光电效应原理光生载流子产生过程光生载流子产生是光电效应的第一步，当入射光子被半导体吸收后，其能量转移给价带电子，使其跃迁至导带，同时在价带留下空穴。光子能量必须大于或等于半导体的带隙能量(Eg)才能产生有效的电子-空穴对。对于直接带隙半导体(如GaAs)，光吸收效率较高；而对于间接带隙半导体(如Si)，光吸收需要声子参与，效率相对较低。光电导效应与光伏效应光电导效应是指半导体在光照下电导率增加的现象，由光生载流子增加了自由载流子浓度所致。应用于光敏电阻、光电导探测器等。光伏效应则是指在PN结或异质结中，光生电子-空穴对被内建电场分离，在结两端产生电位差(光电压)的现象。这是太阳能电池、光电二极管等器件的工作原理。两种效应都源于光生载流子，但机制和应用场景不同。光电流与光电压的关系

激光基础知识激光的产生条件与机制激光(LASER)是受激辐射光放大的缩写，其产生需满足三个基本条件：粒子数反转：高能级粒子数多于低能级，形成粒子数反转受激辐射：入射光子诱导高能级粒子跃迁至低能级，同时释放一个与入射光子完全相同的光子光学谐振腔：提供正反馈，使光在活性介质中往返放大激光产生的核心机制是受激辐射过程，这一量子过程使得发射的光子与入射光子在波长、相位、偏振和传播方向上完全一致，从而产生相干性极高的激光。激光器类型及工作原理按照增益介质分类，激光器主要包括：气体激光器：如He-Ne激光器、CO2激光器，通过气体放电泵浦固体激光器：如钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器，通过光泵浦半导体激光器：如GaAs激光二极管，通过电泵浦液体激光器：如染料激光器，通常通过光泵浦光纤激光器：在掺杂稀土元素的光纤中实现激光放大激光参数：功率、波长、模式等激光的关键参数包括：波长：由增益介质的能级结构决定，范围从紫外到远红外功率：输出光功率，从毫瓦到千瓦不等脉冲宽度：连续激光或脉冲激光(纳秒、皮秒、飞秒)光束质量：通常用M2因子表征，M2=1为理想高斯光束线宽：单色性指标，表征波长分布范围横模：光束横截面上的强度分布模式