半导体的光学常数和光吸收-PPT

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• 二、半导体得光吸收
光在导电介质中传播时具有衰减现象,即产生 光得吸收,半导体材料通常能强烈得吸收光能,具有 105cm-1得吸收系数。对于半导体材料,自由电子 与束缚电子得吸收都很重要。
价带电子吸收足够得能量从价带跃迁入导带, 就是半导体研究中最重要得吸收过程。与原子吸 收得分立谱线不同,半导体材料得能带就是连续分 布得,光吸收表现为连续得吸收带。
⑶反射系数R:反射系数R就是界面反射能流密度
与入射能流密度之比,若以 与0 分别代表入
射波与反射波电矢量振幅,则有:
R
2 0
/
2
⑷透射系数T:透射系数T为透射能流密度与入射
能流密度之比,由于能量守恒,在界面上可以得到:
T=1-R
当光透过厚度为d,吸收系数为得介质时有:
T
透射光强度 入射光强度
(1
得相互作用,因此理论上这就是一种二级过程。其
发生概率要比直接跃迁小很多。因此,间接跃迁得
光吸收系数比直接跃迁得光吸收系数小很多。前
者一般为1~1×103cm-1数量级,而后者一般为
1×104~1×106cm-1。
(4)激子(exciton)吸收
在低温时发现,某些晶体在本征连续吸收光谱出现以前, 即hν＜Eg时,就会出现一系列吸收线,但产生这些吸收线得 过程并不产生光电导,说明这种吸收不产生自由电子或空 穴。
h＞Eg
(h ) A(h Eg )1/ 2
h Eg
(h ) 0
(3)间接跃迁与间接带隙半导体:诸
如硅与锗得一些半导体材料,导带底 与价带顶并不像直接带隙半导体那 样具有相同得波矢k。这类半导体称 为间接带隙半导体,对这类半导体,任 何直接跃迁所吸收得光子能量都应 该比其禁带宽度Eg大得多。因此,若 只有直接跃迁,这类半导体应不存在 与禁带宽度相当得光子吸收。这与 实际情况不符。
以右图所示得Ge得价带为 例,该价带由三个独立得能带 组成,每一个波矢k对应于分 属三个带得三个状态。价带
顶实际上就是由两个简并带 组成,空穴主要分布在这两个 简并带顶得附近,第三个分裂 得带则经常被电子填满。在 p-Ge得红外光谱中观测到得 三个波长分别为3、4,4、7 与20m得吸收峰,分别对应 于右图中得c、b与a跃迁过 程。这个现象就是确定价带
格缺陷很少得样品才能 观察到。
(5)自由载流子吸收
对于一般半导体材料,当入射光子得频率不 够高,不足以引起本征吸收或激子吸收时,仍有可 能观察到光吸收,而且其吸收强度随波长增大而 增加。这就是自由载流子在同一带内得跃迁引 起得,称为自ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ载流子吸收。
这种跃迁同样必须满足能量守恒与动量守 恒关系。与本征吸收得非直接跃迁相似,电子得 跃迁也必须伴随着吸收或发射一个声子。自由 载流子吸收一般就是红外吸收。
•
总之,半导体材料得光吸收过程中,如果只考虑
电子与光子得相互作用,则根据动量守恒要求,只可
能发生直接跃迁;但如果还考虑电子与晶格得相互
作用,则非直接跃迁也就是可能得,这就是由于依靠
发射或吸收一个声子,使动量守恒原则仍然得到满
足。
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由于间接跃迁得吸收过程一方面依赖于电子
与光子得相互作用,另一方面还依赖于电子与晶格
本征吸收形成一个连续吸收带,并具有一长波 吸收限ν0＝Eg／h。因而,从光吸收谱得测量可以 求出禁带宽度Eg。在常用半导体中,III-Ⅴ族得 GaAs、InSb及Ⅱ-Ⅵ族等材料,导带极小值与价 带极大值对应于相同得波矢,常称为直接禁带半 导体。这种半导体在本征吸收过程中发生电子得 直接跃迁。
由理论计算可知,在直接跃迁中,如果对于任 何k值得跃迁都就是允许得,则吸收系数与光子能 量得关系为:
这就意味着在本征吸收中除了 有符合选择定则得直接跃迁外,还存 在另外一种形式得跃迁,如右图中得 O→S跃迁。在这种跃迁过程中,电子 不仅吸收光子,同时还与晶格振动交 换一定得能量,即放出或吸收一个或 多个声子。这时,准能量守恒不再就 是电子与光子之间所能满足得关系, 更主要得参与者应该就是声子。这 种跃迁被称为非直接跃迁,或称间接 跃迁。
重叠得重要依据。
(6)杂质吸收
束缚在杂质能级上得电子或空穴也可以引起光得
吸收。杂质能级上得电子可以吸收光子跃迁到导带;杂 质能级上得空穴也同样可以吸收光子跃迁到价带。这 种光吸收称为杂质吸收。
由于束缚状态并没有一定得准动量,这样得跃迁过 程不受选择定则得限制。因此电子(空穴)可以跃迁到 任意得导带(价带)能级,从而引起连续得吸收光谱。杂 质 得吸电收离得能E最i 低(见得下光图子中能a量与hbν得0等跃于迁杂);因质此上,电杂子质或吸空收穴光 谱得长波吸收限ν0由杂质电离能Ei＝hν0决定。
下面介绍几种半导体得光吸收过程:
⑴本征吸收
价带电子吸收能量大于或等于禁带宽度得光子使 电子从价带跃迁入导带得过程被称为本征吸收。
当半导体被光照射后,如果光子得能量等于禁带 宽度(即hν=Eg),则半导体会吸收光子而产生电子-空穴 对,如(a)所示。若hν大于Eg,则除了会产生电子-空穴 对之外,多余得能量(hν-Eg)将以热得形式耗散,如(b)所 示。
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大家有疑问的，可以询问和交流
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半导体中得激子能
级非常密集,激子吸收 线与本征吸收得长波限 差别不大,常常要在低 温下用极高分辩率得测
试仪器才能观察到。对 Ge与Si等半导体,因为 能带结构复杂,并且有 杂质吸收与晶格缺陷吸 收得干扰,激子吸收更 不容易被观察到。因此, 必须使用纯度较高、晶
半导体的光学常数和光吸收
⑵吸收系数 :光在介质中传播时有衰减,说明介
质对光有吸收。用透射法测定光在介质中传播 得衰减情况时,发现介质中光得衰减率与光得强
度成正比,引入比例系数,即:
dI I
dx
积分得 I I0ex
其中x就是介质得厚度,比例系数得大小与 光得强度无关,称为光得吸收系数。对上式积分 反映出吸收系数得物理含义就是:当光在介质中 传播1/距离时,其能量减弱到原来得1/e。
一般情况下,电子向导带底以上得较高能级跃迁, 或空穴向价带顶以下得较低能级跃迁得概率都比较小, 因此,杂质吸收光谱主要集中在吸收限Ei附近。由于Ei 小于禁带宽度Eg,杂质吸收一般在本征吸收限以外得 长波区域形成吸收带。
以上(a)与(b)得过 程皆称为本征跃迁,或 称为能带至能带得跃 迁。另一方面,若hν小 于Eg,则只有在禁带中 hu 存在由化学杂质或物
理缺陷所造成得能态 时,光子才会被吸收,如 (c)所示,这种过程称为 非本征跃迁。
EC
Et
(a)
(b)
(c)
Eg
EV
2)直接跃迁与直接带隙半导体
参照右图所示得一维E(k)曲线可见, 为了满足选择定则,吸收光子只能使 处在价带中状态A得电子跃迁到导带 中k相同得状态B。A与B在E(k)曲线 上位于同一竖直线上,这种跃迁称为 直接跃迁。在A到B得直接跃迁中所 吸收得光子能量hν与图中垂直距离 相对应。就就是说,与任何一个k值相 对应得导带与价带之间得能量差相当 得光子都有可能被吸收,而能量最小 得光子对应于电子从价带顶到导带底 得跃迁,其能量等于禁带宽度Eg。
在这种过程中,由于光子能量hν＜Eg,受激发后得价带 电子不足以进入导带而成为自由电子,仍然受到空穴得库 仑场作用。实际上,受激电子与空穴互相束缚而结合在一 起成为一个新得系统,称这种系统为激子,产生激子得光吸 收称为激子吸收。激子中电子与空穴之间得作用类似氢原 子中电子与质子之间得相互作用。
激子在晶体中某处产生后,并不一定停留在该处,也可 以在整个晶体中运动。固定不动得激子称为束缚激子,可 以移动得激子称为自由激子。由于激子就是电中性得,因 此自由激子得运动并不形成电流。