半导体物理 第10章 半导体的光学性质

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3.吸收谱
吸收系数与h或的关系 强衰减为原来的 1 / e。
8源自文库
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InSb的吸收谱
I x I 0 e x； 为吸收系数，光在介质 中传播1 / 长度时，光

电子跃迁要求
能量守恒，准动量守恒。 能量守恒和动量守恒
E h h a E '
对重掺杂的n型半导体或重掺杂的p型半导体，n型半导 体中的电子或p型半导体中的空穴都出现载流子的简并化。 这样n型半导体的电子可以吸收光子的能量之后发生在导 带中不同能级之间的跃迁，而将能量转给晶格；同样p型 半导体的空穴也可以吸收光子的能量之后发生在价带中 不同能级之间的跃迁，而将能量转给晶格，这样的光吸 收过程称为自由载流子吸收。 这种自由载流子吸收光子之后，实际上是在同一能带中发 生不同状态之间的跃迁，因此吸收的光子能量不需要很大， 所以吸收光谱一般在红外范围
2kx I x I 0 exp c
式中，ω为光波角频率；c为光速；k为消光系数 吸收系数表示式

2 k 4 kx c
λ为入射光在自由空间的波长
2 反射系数和透射系数 反射系数：指界面反射能流密度和入射能 流密度之比，用R表示（n为媒质折射率） 2 n 1 k 2 R 2 n 1 k 2
5由于陷阱效应，某些材 料中主要有一种载流子 对附加电导
1. 激子吸收
某些半导体掺有某些杂质，其能带结构在禁带中存在一系列的 类氢的受激状态，价带中的电子吸收光子的能量之后被激发到这 些类氢的受激状态中去，形成所谓激子的光吸收过程。 实验证明，在低温下某些晶体在本征连续吸收光谱出现之前， 即hν0<Eg时，已出现一系列光谱线，便是激子吸收谱线

2. 自由载流子吸收

3. 杂质吸收
当温度较低时，半导体施主能级上束缚的电子（或受 主能级上束缚的空穴）没有电离，被束缚的电子（或被 束缚的空穴）吸收光子的能量之后，可激发到导带（或 价带）中去，这样的光吸收过程称为杂质吸收。
4. 晶格吸收
半导体晶格热振动也可引起对光的吸收，光子能量直接 转变为晶格热振动的能量，使半导体的温度升高，这样的 光吸收过程称为晶格吸收。晶格吸收光谱在远红外范围， 对于离子晶体或离子性晶体具有较明显的晶格吸收作用
1.本征吸收：电子由价带向导带的跃迁所引起的光吸收。它
是最重要的吸收，又叫基本吸收。
本征吸收产生电子-空穴对，从而引起光电导。
2.本征吸收限
h h 0 E g ， 0，0为本征吸收限。
0 : 引起本征吸收的最低频率限； 0：本征吸收长波限
hc 1.24eV 0 E g E g (eV ) [ m ]
hk 光子动量 hq hk '
上式近似写成
E h E '
hk hq hk '
4. 直接跃迁（竖直跃迁）
概念：在本征吸收过程中，价带中的一个电子仅仅只 吸收一个光子，而不涉及与晶格振动交换能量，便被激 发到导带中去的跃迁过程。 跃迁前后能量改变为
E E ' E h
跃迁前后动量没有改变
hk hk ' k k '

直接带隙材料：导带极小 值和价带极大值都处于同 一波失k的半导体材料 （GaAs, GaSb）

5. 间接跃迁（非竖直跃迁）
概念：在半导体本征吸收过程中电子激发，不但吸 收光子的能量而且还与晶格热振动交换能量的跃迁 过程。 跃迁前后能量改变为
光电导：光照引起的附 加电导率
0 q n n p p
n n p p 1 b n 4光电导的相对值： 0 n0 n p0 p bn0 p0
n p b；n p
要使 / 0 ，必有n0，p0 ， 光敏电阻由高阻材料制 成。
第10章 半导体的光学性质 和光电与发电现象
● 10.1 ● 10.2 ● 10.3 ● 10.4 半导体的光吸收 半导体的光电导 半导体的光生伏特效应 半导体发光及半导体激光
10.1 半导体的光吸收 10.1.1吸收系数，反射系数和透射系数

1 半导体的光吸收系数
用透射法测定光在媒质（半导体）中的 衰减时发现，光的衰减与光强成正比， 若引入正比例系数α（光吸收系数）
10.2 半导体的光电导 10.2.1 光电导的描述
光照射半导体，使其电导率改变的现象为光电导效应。 （1）本征光电导：本征吸收引起载流子数目变化。
（2）杂质光电导：杂质吸收引起载流子数目变化。
半导体光照时的附加电导率表示光电导的大小
1 2
3
0 qn0 n p0 p ，热平衡时 qn0 n n p0 p p
E E ' E h
跃迁前后动量没改变
hk ' hk hq k ' k q

间接带隙材料：导带 极小值和价带极大值 不在同一波失k的半导 体材料（Si, Ge）
10.1.3 其它吸收过程
比本征吸收限波长还长的光子也能被吸收：激子吸收、自 由载流子吸收和杂质吸收。

透射系数：指透射能流密度和入射能流密 度之比值，用T表示（d是半导体样品厚度）
T 1 R exp d
2
10.1.2 本征吸收
光吸收:光在电介质中传播时强度衰减的现象
1.不同能带的状态之间； 电子吸收光子能量后 将跃迁（即能量状态 2.同一能带的不同状态之间； 3.禁带中能级与能带之间。 密度）
dI I x dx
光强在半导体媒质中的衰减规律
I x I0 exp x
I0表示在表面（x=0）处入射光的强度
α的物理意义：光入射导半导体内被吸收，使光强减小到原值的1/e时， 光波在半导体中所传播的距离即是吸收系数的倒数。

由电磁场理论，光波在媒质（半导体）中传播， 光强I随传播距离x的变化