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1．2 掺铒硅的发光机理
一般认为，掺铒硅的发光来源于Er离子的4f能级间的跃迁，如图2所示。在解释具体的发光机理时，必须说明Er离子在硅中的激发和退激发过程，并以此来解释实验现象。对机理的了解有助于从实验上来提高掺铒硅的发光效率，克服其温度猝灭和提高发光的调制频率。
发光的激发和退激发过程：先讨论激发过程。一般来说，Er离子被激发可以有光子激发和电子激发两种可能性。光子激发是入射光子直接将Er的4f基态能级上的电子激发到较高的能级上去，但是，由于Er3+的光吸收截面非常小，只有1×10-20cm2，所以对有效的光致发光和电致发光(EL)来说，光子激发不是主要的。电子激发又称载流子中介激发。它可以有两种方式，如图3所示。图3(a)是激子复合激发，在掺铒硅的PL和P-N结正向偏压作用下的EL都属于这一种机理。其过程为：由光照或由P-N结电注入在Si中产生电子空穴对，然后通过受陷于一个与Er相关的位于禁带中的能级而成为束缚激子，激子复合后产生能量(图中过程1)，该能量从半导体转移到Er的4f壳层(过程2)，使4f电子从4I15／2基态激发到第一激发态4I13／2(过程3)。另一种电子激发过程称为载流子碰撞激发，如图3(b)所示。它发生在P-N结反向偏压下的EL中。 P-N结势垒区中的载流子受到强电场的作用而加速成为热载流子，处于导带内高能量状态上，当它的动能大于0．81 eV时，就有可能通过与晶格碰撞而失去能量(过程1)，这部分能量转移给Er(过程2)，激发其4f电子(过程3)。
