半导体光电子学第7章 半导体中的光吸收和光...讲课稿
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半导体的光学常数和光吸收-PPT
R)2 ed
• 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。
半导体对光的吸收优秀课件
• 截止波长λg ：
• 半导体禁带宽度会随着温度的升高而减小， 所以光吸收截止波长也将随着温度的升高 而增长 。
非本征吸收
• 非本征吸收包括杂质吸收、自由载流子吸 收、激子吸收和晶格吸收等。
半导体对光的吸收优秀课件
本征吸收
• 半导体吸收光子的能量使价带中的电子激发到导 带，在价带中留下空穴，产生等量的电子与空穴， பைடு நூலகம்种吸收过程叫本征吸收。
• 产生本征吸收的条件：入射光子的能量（hν）至 少要等于材料的禁带宽度Eg。即
hν≥Eg • 半导体对光的吸收主要是本征吸收。对于硅材料，
本征吸收的吸收系数比非本征吸收的吸收系数要 大几十倍到几万倍，一般照明下只考虑本征吸收， 可认为硅对波长大于1.15μm的可见光透明。
半导体光电子学第7章 半导体中的光吸收和光...ppt课件
薄的纯单晶Ge片、在
入射光子能量
h=0.8eV附近表现出
很陡的吸收峰所证实，
如图7.1-6所示。在更
长波长处的吸收则是由
于间接跃迁所引起，而
这必须伴随着声子的发
射和吸收，以满足所需
的动量守恒。
最新课件
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2．间接吸收的吸收系数
在图7.1-4所表示的间接带隙跃迁中，两种从初态至终态的跃迁方式 都必将伴随有声子的发射和吸收，在不考虑多声子吸收时，则有
e1che xE pgEsEks T 2
0
hEgEs hEgEs
最新课件
(7.1-23)
14
在价带顶附近的状态与 导带底附近的状态之间 的跃迁(即图7.1-5中箭 头B)是“禁戒”跃迁， 由这种跃迁所引起的吸 收系数是与过剩光子能 量(h-EgEs)的三次方 成正比的。而如上所述， 在这种能带结构中的允 许跃迁(在k=0处发生 竖直跃迁)所产生的吸 收系数是比例于(hEgEs)2 的。
这种二级微扰过程，其跃迁几率
要比一级微扰情况下小得多。
最新课件
9
在这种能带结构中，也
可以发生从价带顶
(k=0)至导带次能谷的
竖直跃迁或直接跃迁，
如图7.1-5中的箭头A
表示，只是由于导带底
(k对=0应处k的=k导m带in)能的量能小量很比
多，则跃迁所涉及的能
量比间接跃迁(图7.1-5
中箭头B大．这已为很
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18
2 ．激子波函数与束缚能
电子-空穴的库仑互作用势能为
Vre rh4 ere2rh
(7.2-1)
式中。为介电常数(对夫伦克耳激子，为常数)。 弱束缚激子的薛定愕方程为
2 m 2 e e 22 m 2 h h 24 e2r F r e,r hEr e F ,r h (7.2-2)
《半导体光电学》课后习题
《半导体光电学》课后习题第一章半导体中光子-电子的相互作用思考与习题1、在半导体中有哪几种与光有关的跃迁，利用这些光跃迁可制造出哪些类型的半导体光电子学期间。
2、为什么半导体锗、硅不能用作为半导体激光器的有源介质，面却是常用的光探测器材料？3、用量子力学理论证明直接带隙跃迁与间接带隙跃迁半导体相比其跃迁几率大。
4、什么叫跃迁的K选择定则？它对电子在能带间的跃迁速率产生什么影响？5、影响光跃迁速率的因素有哪些？6、推导伯纳德-杜拉福格条件，并说明其物理意义。
7、比较求电子态密度与光子态密度的方法与步骤的异同点。
8、在半导体中重掺杂对能带结构、电子态密度、带隙、跃迁几率等带来什么影响？9、什么叫俄歇复合？俄歇复合速率与哪些因素有关？为什么在GaInAsP/InP等长波长激光器中，俄歇复合是影响其阀值电流密度、温度稳定性与可靠性的重要原因？10、比较严格k选择定则与其受到松弛情况下增益-电流特性的区别。
11、带尾的存在对半导体有源介质增益特性产生哪些影响？12、证明式（1.7-20）。
13、说明图1.7-5和图1.7-6所依据的假设有何不同？并说明它们各自的局限性。
第二章异质结思考与习题1、什么是半导体异质结？异质结在半导体光电子器件中有哪些作用？2、若异质结由n型（E∅1，χ1，ϕ1）和P型半导体（E∅2，χ2，ϕ2）结构，并有E∅1<E∅2，χ1>χ2，ϕ1<ϕ2，试画出np 能带图。
3、同型异质结的空间电荷区是怎么形成的？它与异质结的空间电荷形成机理有何区别？4、推导出pn 异质结结电容C j 与所加正向偏压的关系，C j 的大小时半导体光电子器件的应用产生什么影响？5、用弗伽定律计算Ga 1−x Al x As 半导体当x=0.4时的晶格常数，并求出GaAs 的晶格失配率。
6、探讨在Si 衬底上生GaAs 异质结的可能性。
7、用Ga 1−x Al x As 半导体作为激射波长为0.78μm 可且光激光器的有源材料，计算其中AlAs 的含量。
半导体光电子器件讲解ppt
包括外延生长型、集成型、混合型等。
按制造工艺分
半导体光电子器件的结构
常见的半导体光电子器件结构包括：衬底、活性层、电极等。
衬底通常选用半导体材料，如硅、锗、三五族化合物等。
活性层是光电子器件的核心部分，用于实现光吸收、载流子产生、光电器件的作用。
电极的作用是收集和导出活性层产生的载流子。
半导体光电子器件的工作原理是当加电压时，即势垒降低，有大量电子从N区注入到P区，形成一定的电流，当没有光照时，只有热平衡反向电流，当有光照时，会形成附加的光生电流，从而实现了光电转换。
半导体光电子器件的工作原理
04
半导体光电子器件的性能参数
03
迁移率
指半导体材料中载流子的平均漂移速度，反映了半导体材料导电性能的好坏。
半导体光电子器件的电学参数
01
载流子浓度
指半导体材料中自由电子和空穴的浓度，可以反映半导体材料的导电性能。
02
电阻率
指半导体材料电阻的大小，通常与材料的载流子浓度和迁移率有关。
xx年xx月xx日
半导体光电子器件讲解ppt
CATALOGUE
目录
引言半导体光电子器件的基本原理半导体光电子器件的种类与结构半导体光电子器件的性能参数半导体光电子器件的生产与制造半导体光电子器件的应用案例
0器件简介
2
3
半导体光电子器件是利用半导体材料和器件实现光-电信号转换的器件。
半导体材料通常包括硅、锗、砷化镓、磷化铟等。
半导体光电子器件具有体积小、重量轻、稳定性好、寿命长等特点。
半导体光电子器件的历史发展
半导体光电子器件的起源可以追溯到20世纪60年代。
20世纪80年代，随着光纤通信技术的发展，半导体光电子器件在光纤通信领域得到广泛应用。
按制造工艺分
半导体光电子器件的结构
常见的半导体光电子器件结构包括：衬底、活性层、电极等。
衬底通常选用半导体材料，如硅、锗、三五族化合物等。
活性层是光电子器件的核心部分，用于实现光吸收、载流子产生、光电器件的作用。
电极的作用是收集和导出活性层产生的载流子。
半导体光电子器件的工作原理是当加电压时，即势垒降低，有大量电子从N区注入到P区，形成一定的电流，当没有光照时，只有热平衡反向电流，当有光照时，会形成附加的光生电流，从而实现了光电转换。
半导体光电子器件的工作原理
04
半导体光电子器件的性能参数
03
迁移率
指半导体材料中载流子的平均漂移速度，反映了半导体材料导电性能的好坏。
半导体光电子器件的电学参数
01
载流子浓度
指半导体材料中自由电子和空穴的浓度，可以反映半导体材料的导电性能。
02
电阻率
指半导体材料电阻的大小，通常与材料的载流子浓度和迁移率有关。
xx年xx月xx日
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引言半导体光电子器件的基本原理半导体光电子器件的种类与结构半导体光电子器件的性能参数半导体光电子器件的生产与制造半导体光电子器件的应用案例
0器件简介
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3
半导体光电子器件是利用半导体材料和器件实现光-电信号转换的器件。
半导体材料通常包括硅、锗、砷化镓、磷化铟等。
半导体光电子器件具有体积小、重量轻、稳定性好、寿命长等特点。
半导体光电子器件的历史发展
半导体光电子器件的起源可以追溯到20世纪60年代。
20世纪80年代，随着光纤通信技术的发展，半导体光电子器件在光纤通信领域得到广泛应用。
9.1 半导体中的光吸收
第九讲9.1 半导体中的光吸收光在导电媒质中传播时有光衰减现象，即产生了光的吸收，半导体材料也能强烈的吸收光能。
产生光吸收的机理：入射光子与半导体材料中的载流子相互作用。
当一束光照射到半导体上时，照射光子与半导体中电子的相互作用有以下四种形式：光子与内壳层电子光子与价电子光子与自由载流子光子与束缚在杂质能级或晶格缺陷上的电子其中，内壳层电子的光吸收以及对色散的影响都在X射线波段，与半导体的性质没有直接关系。
在半导体中，根据能带结构的特征，其光吸收可分为以下几类：自由载流子吸收谷间跃迁吸收1、带间吸收本征吸收直接跃迁吸收间接跃迁吸收较高能量带间跃迁吸收2、带内吸收3、能带与局部能级间的吸收4、局部能级间的吸收 D-A对吸收杂质吸收等电子陷阱吸收激子吸收电子在价带与导带之间的跃迁所形成的吸收过程称为本征吸收。
本征吸收的特点：伴随着电子从价带到导带的跃迁，在半导体的价带产生一个空穴，在导带产生一个电子，即产生了电子—空穴对。
产生本征吸收的条件：1、半导体的本征吸收限：()()0g 1.24μm eV E λ≥g 0=h E h ννc E vE几种常见的半导体材料的长波限为：Ge E g= 0.67eVλ0 = 1.85μm红外波段Si E g= 1.12eVλ0 = 1.1μmGaAs E g= 1.43eVλ0 = 0.867μmAlP E g= 2.45eV λ0= 0.506μm可见光波段CdS E g= 2.42eV λ0 = 0.513μm2、直接跃迁和间接跃迁当一定波长的光照射半导体材料，电子吸收能量从价带跃迁入导带产生的光吸收时，必须遵守能量守恒和动量守恒（或者说遵守选择定则），即： 我们把遵守选择定则的跃迁称为直接跃迁（或竖直跃迁）； 把不遵守选择定则的跃迁称为间接跃迁（或非竖直跃迁）。
0E E E k k k k '-=∆⎧⎪⎨''-==⎪⎩ 或()光子动量，=-'∆=-'k h k h E E E 由于光子的动量远小于能带中电子的动量，光子动量可忽略不计，所以有：一、本征吸收直接跃迁（竖直跃迁）：遵守选择定则的跃迁。
半导体对光的吸收完整版
• 自由载流子吸收：导带内的电子或价带内的 空穴也能吸收光子能量，使它在本能带内由 低能级迁移到高能级，这种吸收称为自由载 流子吸收，表现为红外吸收。
• 激子吸收：价带中的电子吸收小于禁带宽 度的光子能量也能离开价带，但因能量不 够还不能跃迁到导带成为自由电子。这时， 电子实际还与空穴保持着库仑力的相互作 用，形成一个电中性系统，称为激子。能 产生激子的光吸收称为激子吸收。这种吸 收的光谱多密集与本征吸收波长阈值的红 外一侧。
• 截止波长λg ：
• 半导体禁带宽度会随着温度的升高而减小， 所以光吸收截止波长也将随着温度的升高 而增长 。
非本征吸收
• 非本征吸收包括杂质吸收、自由载流子吸 收、激子吸收和晶格吸收等。
• 杂质吸收：杂质能级上的电子（或空穴）吸 收光子能量从杂质能级跃迁到导带（空穴跃 迁到价带），这种吸收称为杂质吸收。杂质 吸收的波长阈值多在红外区或远红外区。
• 晶格吸收：半导体原子能吸收能量较低的 光子，并将其能量直接变为晶格的振动能， 从而在远红外区形成一个连续的吸收带， 这种吸收称为供参考！ 部分内容来源于网络，如有侵权请与我联系删除！
半导体对光的吸收
本征吸收
• 半导体吸收光子的能量使价带中的电子激发到导 带，在价带中留下空穴，产生等量的电子与空穴， 这种吸收过程叫本征吸收。
• 产生本征吸收的条件：入射光子的能量（hν）至 少要等于材料的禁带宽度Eg。即
hν≥Eg • 半导体对光的吸收主要是本征吸收。对于硅材料，
本征吸收的吸收系数比非本征吸收的吸收系数要 大几十倍到几万倍，一般照明下只考虑本征吸收， 可认为硅对波长大于1.15μm的可见光透明。
• 激子吸收：价带中的电子吸收小于禁带宽 度的光子能量也能离开价带，但因能量不 够还不能跃迁到导带成为自由电子。这时， 电子实际还与空穴保持着库仑力的相互作 用，形成一个电中性系统，称为激子。能 产生激子的光吸收称为激子吸收。这种吸 收的光谱多密集与本征吸收波长阈值的红 外一侧。
• 截止波长λg ：
• 半导体禁带宽度会随着温度的升高而减小， 所以光吸收截止波长也将随着温度的升高 而增长 。
非本征吸收
• 非本征吸收包括杂质吸收、自由载流子吸 收、激子吸收和晶格吸收等。
• 杂质吸收：杂质能级上的电子（或空穴）吸 收光子能量从杂质能级跃迁到导带（空穴跃 迁到价带），这种吸收称为杂质吸收。杂质 吸收的波长阈值多在红外区或远红外区。
• 晶格吸收：半导体原子能吸收能量较低的 光子，并将其能量直接变为晶格的振动能， 从而在远红外区形成一个连续的吸收带， 这种吸收称为供参考！ 部分内容来源于网络，如有侵权请与我联系删除！
半导体对光的吸收
本征吸收
• 半导体吸收光子的能量使价带中的电子激发到导 带，在价带中留下空穴，产生等量的电子与空穴， 这种吸收过程叫本征吸收。
• 产生本征吸收的条件：入射光子的能量（hν）至 少要等于材料的禁带宽度Eg。即
hν≥Eg • 半导体对光的吸收主要是本征吸收。对于硅材料，
本征吸收的吸收系数比非本征吸收的吸收系数要 大几十倍到几万倍，一般照明下只考虑本征吸收， 可认为硅对波长大于1.15μm的可见光透明。
半导体光电子PPT课件
2 2
3/ 2
导带底有效状态密度，单位为： / m3
同理有
p Nv exp Ev EF / kBT
Nv
2
mhkBT
2 2
3/ 2
第11页/共25页
【例题】计算300K时，GaAs导带底的有效状态 密度。
第12页/共25页
非平衡系统
在有载流子注入时，半导体中的电子将不是前面提到的平 衡系统。 在这种非平衡态时，电子的分布用电子准费米能级来表述。 电子在导带处于平衡态，空穴在价带处于平衡态，电子-空 穴相互之间，以及与晶格之间不发生能量交换。
第18页/共25页
【例题】对于一般的半导体。光电子器件，与电子作用的 光子的能量为1~2电子伏特。分别计算2个电子伏特能量
的光子与电子的波矢 k
第19页/共25页
通过计算可以发现，相对于电子的波矢，光子的波矢可以忽 略不计，因此电子在跃迁前后
k f ki k ph ki
在能量与波矢色散关系图中，这种跃迁就是一种垂直跃迁。 由于跃迁的这种垂直特性，我们有
A 0 0
得到关于矢势的方程
1 2A 2A 0
0
t 2
矢势 A
Ar,t A0exp ik r t c.c.
满足矢势的方程
k
v
0
第5页/共25页
根据定义式，电场与磁场则为：
F 2A0 sink r t
B 2k A0 sink r t
Poynting矢量的定义为
S F H kˆ 4k | A0 |2 sin2 k r t
第13页/共25页
准费米能级
n
Ec
Ne
E
f
e
EdE
p
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导带底有效状态密度，单位为： / m3
同理有
p Nv exp Ev EF / kBT
Nv
2
mhkBT
2 2
3/ 2
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【例题】计算300K时，GaAs导带底的有效状态 密度。
第12页/共25页
非平衡系统
在有载流子注入时，半导体中的电子将不是前面提到的平 衡系统。 在这种非平衡态时，电子的分布用电子准费米能级来表述。 电子在导带处于平衡态，空穴在价带处于平衡态，电子-空 穴相互之间，以及与晶格之间不发生能量交换。
第18页/共25页
【例题】对于一般的半导体。光电子器件，与电子作用的 光子的能量为1~2电子伏特。分别计算2个电子伏特能量
的光子与电子的波矢 k
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通过计算可以发现，相对于电子的波矢，光子的波矢可以忽 略不计，因此电子在跃迁前后
k f ki k ph ki
在能量与波矢色散关系图中，这种跃迁就是一种垂直跃迁。 由于跃迁的这种垂直特性，我们有
A 0 0
得到关于矢势的方程
1 2A 2A 0
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t 2
矢势 A
Ar,t A0exp ik r t c.c.
满足矢势的方程
k
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根据定义式，电场与磁场则为：
F 2A0 sink r t
B 2k A0 sink r t
Poynting矢量的定义为
S F H kˆ 4k | A0 |2 sin2 k r t
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准费米能级
n
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Ne
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p
《半导体光电子学》课件
原理
通过受激辐射产生的一束相干光，实现信息传输或 高精度切割。
应用
医疗、通信、材料加工、激光雷达和光谱学等领域 的关键技术。
光通信中的半导体器件
1 光纤收发模块
将电信号转换为光信号并 通过光纤传输，实现远距 离高速通信。
2 光开关
通过控制光信号的传输路 径和光的开关，实现网络 的快速切换和重构。
3 光放大器
应用
住宅和商业建筑的能源供应、太阳能车、太空探索 和户外充电等。
形成了半导体器件的基础， 如二极管和太阳能电池。
了解能带之间的能级间隙 和激子的形成，有助于设 计电子器件。
LED （发光二极管）工作原理及其应用
原理
通过注入P型和N型半导体内的载流子复合释放出能 量，产生可见光。
应用
照明、显示屏、指示灯和满足复杂颜色需求的装饰 等各行各业。
激光器工作原理及其应用
III-V族化合物
在高频率、高功率和高温环境下表现出色，常 用于雷达和通信系统。
镓化物
优良的光电特性，广泛应用于激光器、LED等器 件。
有机半导体
灵活的分子结构，使其适用于柔性显示和光电 传感器等领域。
光电子物理基础知识
1 能带理论
描述了半导体中电子能级 的分布和载流子运动的机 制。
2 PN结
3 半导体能级
放大光信号强度，以确保 信号在传输过程中不衰减。
光电探测器及其应用
1
光电二极管
将光能转换为电能，并常用ห้องสมุดไป่ตู้光电信号检测与光通信系统。
2
光电倍增管（PMT）
高增益和灵敏度使其适用于低能光子探测和高精度测量。
3
光电二极管阵列
在光谱测量、光学成像和医学诊断方面有广泛应用。
《半导体光电子》课件
子的基本概念、材料、器件以及应用。探 索光电子学的发展历程和未来发展前景。
概述
光电子学在现代科学和技术中起着重要作用。通过本节课，您将了解光电子 学的基本概念，并探索半导体光电子的发展历程。
半导体光电子材料
硅
作为最常见的半导体材料之一，硅在光电子学中有 广泛的应用。
未来发展方向
如半导体材料的性能优化、新材料的探索和创新器件 的设计。
总结
1 半导体光电子的重要性
2 未来发展前景
在通信、能源和医学等领域发挥着关键的作用。
随着技术的不断进步，半导体光电子将在更多领 域创造出更多可能性。
锗
在红外和太阳能电池等领域有重要应用。
氮化镓
具有优异的光电性能，常用于高能效LED和激光器。
硒化铟
用于红外探测器和太阳能电池。
半导体光电子器件
1
光电晶体管
2
具有放大光信号的功能，用于光通信和传感
器。
3
光电二极管
将光能转化为电能，广泛应用于通信和探测 领域。
光电子鼓
将光信号转化为电信号，并能放大信号，用 于图像传输和光通信。
半导体光电子应用
光纤通信
通过光信号传输数据，具有高速和大容量的优势。
激光器
能产生高强度、高单色性和准直性的激光光束，广泛 应用于医学、制造和科研领域。
光学成像
使用光学设备进行图像捕捉和处理，应用于医学成像、
太阳能电池
通过半导体光电子材料将阳光转化为可再生的电能。
半导体材料的研究和发展
研究方法
包括实验室合成、材料表征和器件测试等多个研究步 骤。
概述
光电子学在现代科学和技术中起着重要作用。通过本节课，您将了解光电子 学的基本概念，并探索半导体光电子的发展历程。
半导体光电子材料
硅
作为最常见的半导体材料之一，硅在光电子学中有 广泛的应用。
未来发展方向
如半导体材料的性能优化、新材料的探索和创新器件 的设计。
总结
1 半导体光电子的重要性
2 未来发展前景
在通信、能源和医学等领域发挥着关键的作用。
随着技术的不断进步，半导体光电子将在更多领 域创造出更多可能性。
锗
在红外和太阳能电池等领域有重要应用。
氮化镓
具有优异的光电性能，常用于高能效LED和激光器。
硒化铟
用于红外探测器和太阳能电池。
半导体光电子器件
1
光电晶体管
2
具有放大光信号的功能，用于光通信和传感
器。
3
光电二极管
将光能转化为电能，广泛应用于通信和探测 领域。
光电子鼓
将光信号转化为电信号，并能放大信号，用 于图像传输和光通信。
半导体光电子应用
光纤通信
通过光信号传输数据，具有高速和大容量的优势。
激光器
能产生高强度、高单色性和准直性的激光光束，广泛 应用于医学、制造和科研领域。
光学成像
使用光学设备进行图像捕捉和处理，应用于医学成像、
太阳能电池
通过半导体光电子材料将阳光转化为可再生的电能。
半导体材料的研究和发展
研究方法
包括实验室合成、材料表征和器件测试等多个研究步 骤。
半导体中的光吸收和光探测器教程72页PPT
半导体中的光吸收和光探测器教程
•
6、黄金时代是在我们的前面，而不在 我们的 后面。
•
7、心急吃不了热汤圆。
•
8、你可以很有个性，但某些时候为失败找借口 (蹩脚 的工人 总是说 工具不 好)。
•
10、只要下定决心克服恐惧，便几乎 能克服 任何恐 惧。因 为，请 记住， 除了在 脑海中 ，恐惧 无处藏 身。-- 戴尔． 卡耐基 。
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
•
6、黄金时代是在我们的前面，而不在 我们的 后面。
•
7、心急吃不了热汤圆。
•
8、你可以很有个性，但某些时候为失败找借口 (蹩脚 的工人 总是说 工具不 好)。
•
10、只要下定决心克服恐惧，便几乎 能克服 任何恐 惧。因 为，请 记住， 除了在 脑海中 ，恐惧 无处藏 身。-- 戴尔． 卡耐基 。
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
《半导体光电子学》课件
探测器性能测试
演示光电探测器的响应度、速度和线性范围 等测试方法。
实验四：光子集成回路的制备与性能测试
总结词
掌握光子集成回路的基本原理、制备工艺和性能测试方法
光子集成回路基本原理
介绍光子晶体、光波导和光子器件等基本概念。
光子集成回路制备工艺
介绍微纳加工、耦合和封装等关键工艺流程。
回路性能测试
演示光子集成回路的传输损耗、器件特性和系统性能等测试方法。
发展历程与现状
发展历程
从20世纪初的初步研究到现在的广 泛应用，经历了基础研究、技术突破 和应用拓展等阶段。
现状
随着光电子器件的快速发展，半导体 光电子学在通信、能源、医疗等领域 发挥着越来越重要的作用。
半导体光电子学的应用领域
通信领域
利用半导体光电子器件实现高 速、大容量的信息传输，如光 纤通信系统中的激光器、调制
太阳能电池
提高太阳能电池的光电转换效率和稳 定性，降低成本，推动其在可再生能 源领域的应用。
光子集成回路的研究
光子晶体
研究新型光子晶体结构和材料，实现光 子器件的小型化、集技术，制作高性能的光子器 件，推动光子集成回路的发展。
半导体光电子学的未来展望
新材料、新结构的研究
导带是电子填充的能级， 价带是空穴填充的能级， 禁带是导带和价带之间的 能量间隙。
不同类型和性质的半导体 具有不同的能带结构。
半导体的光学性质
半导体的光学性质与材料的能带结构和光学常 数有关。
光电效应是太阳能电池等光电器件工作的基础。
半导体对光的吸收、反射、折射和散射等行为 具有特定的规律。
半导体的光电效应是指光子照射在半导体表面时 ，半导体吸收光子能量并产生电子-空穴对的现 象。
《半导体物理学》【ch10】 半导体的光学性质和光电与发光现象 教学课件
半导体的光吸收
01 本征吸收
10. 2.1 本征吸收 hw0是能够引起本征吸收的最低限度光子能量，也即，对应于本征吸收光谱， 在低频方面必然存在 一个频率界限ω0（或者说在长波方面存在一个波长界限λ0）。当角频率低于ω0或波长大于λ0时， 不可能产生本征吸收，吸收系数迅速减小。这种吸收系数显著减小的特定波长λ0（或特定角频率ω0） 称为半导体的本征吸收限。图10- 4 给出几种半导体材料的本征吸收系数和波长的关系，曲线短波 端陡峻地上升标志着本征吸收的开始。根据式(10-26 ），并应用关系式w= 2πc／λ ，可得出本征 吸收限的公式为
半导体的光学常数
01 折射率和吸收系数
10. 1. 1 折射率和吸收系数 代入式(10 -10 ） ， 得
半导体的光学常数
01 折射率和吸收系数
10. 1. 1 折射率和吸收系数 这说明，当光波在媒质中传播时， H0与§0的数值不同， 且两者之间有一相差θ＝arctan k/n，从 式（10- 14a）得知，当σ≠0 时，光波以c／n的速度沿x方向传播，其振幅按exp (-wkx/c） 的形式 减小。这里n 是通常的折射率，而是则是表征光能衰减的参量， 称为消光系数。既然光波的电矢量 和磁矢量都按指数exp (-wkx/ c） 衰减，而能流密度（ 以坡印廷矢量表示）正比于电矢量和暗矢量 振幅的乘积， 其实数部分应该是光强度I 随传播距离Z 的变化关系。因此，光强度按exp ( -2wkx/ c ） 衰减，即 用透射法测定光的衰减〈见图10 -1 ）时，发现媒质中光的衰减与光强度成正比， 引入比例系数的 得
半导体的光吸收
01 本征吸收
10. 2.1 本征吸收 根据半导体材料不同的禁带 宽度，可算出相应的本征吸 收限。例如，目的Eg=1. 12eV, λ0 ≈ 1.1μm; GaAs的 Eg=1. 43eV ， λ0≈0. 867μm，两者吸收限都在红 外区； CdS 的Eg=2. 42eV， λ0≈ 0.513μm，在可见光区。
半导体发光与光吸收
束缚到杂质中心的附加能。
1、辐射跃迁
特征：发光峰能量略低于自由激子，发射谱线很窄，半峰宽一般低 于1meV。
判定：低温观察KT/ EDx﹤0.3。有效质量比，σ：me*/mh*，对于电离 施主，σ小于0.71，系统能量下降，也有认为，σ小于0.2时，束缚激子 （D+X）才是稳定的。对于电离受主束缚激子，只有当σ大于1.4时，才 可能存在，因此一般电离受主束缚激子很难观察到。 束缚激子的声子伴线：束缚激子在复合时，发射了一个或多个声子，同 时发出的光子。
)
•13.6eV
mr 为电子和空穴的折合质量。n=1，2
1 11 mr mn mp
特征：发光峰能量略低于Eg，发光峰尖锐，半峰宽在几个meV
以内，一般在低温下才可观察到。
1、辐射跃迁
自由激子的声子伴线：自由激子在复合时，发射了一个或多 个声子，同时发出的光子。
发光峰能量：hv=Eg-Eex-mEp 特征：发光峰一般伴随自由激子峰出现。其与自由激子的能量差 为声子能量。出现多声子伴线时，发射峰之间的能量差相等。
α（hv）=A（hv-Eg）1/2，hv ≥Eg
=0
，hv＜Eg
禁带宽度的判断：
α2=A2（hv-Eg）
2、半导体光吸收
实际情况：低能方向的吸收系数并不按理论预期下降， 存在吸收带尾，一般是指数下降，与材料的杂质和缺陷， 生长质量，声子参与有关。（1）声子参与，（2）莫脱 效应：施主间的平均距离：r=（1/ND）1/3 ，当r小于 2a*，施主电子云交叠。 高掺杂杂的情况下，吸收边 向高能方向移动。
a
m0 mn
g r aH
d (ln ) 1
d (hv) kBT
2、半导体光吸收
3、激子吸收
1、辐射跃迁
特征：发光峰能量略低于自由激子，发射谱线很窄，半峰宽一般低 于1meV。
判定：低温观察KT/ EDx﹤0.3。有效质量比，σ：me*/mh*，对于电离 施主，σ小于0.71，系统能量下降，也有认为，σ小于0.2时，束缚激子 （D+X）才是稳定的。对于电离受主束缚激子，只有当σ大于1.4时，才 可能存在，因此一般电离受主束缚激子很难观察到。 束缚激子的声子伴线：束缚激子在复合时，发射了一个或多个声子，同 时发出的光子。
)
•13.6eV
mr 为电子和空穴的折合质量。n=1，2
1 11 mr mn mp
特征：发光峰能量略低于Eg，发光峰尖锐，半峰宽在几个meV
以内，一般在低温下才可观察到。
1、辐射跃迁
自由激子的声子伴线：自由激子在复合时，发射了一个或多 个声子，同时发出的光子。
发光峰能量：hv=Eg-Eex-mEp 特征：发光峰一般伴随自由激子峰出现。其与自由激子的能量差 为声子能量。出现多声子伴线时，发射峰之间的能量差相等。
α（hv）=A（hv-Eg）1/2，hv ≥Eg
=0
，hv＜Eg
禁带宽度的判断：
α2=A2（hv-Eg）
2、半导体光吸收
实际情况：低能方向的吸收系数并不按理论预期下降， 存在吸收带尾，一般是指数下降，与材料的杂质和缺陷， 生长质量，声子参与有关。（1）声子参与，（2）莫脱 效应：施主间的平均距离：r=（1/ND）1/3 ，当r小于 2a*，施主电子云交叠。 高掺杂杂的情况下，吸收边 向高能方向移动。
a
m0 mn
g r aH
d (ln ) 1
d (hv) kBT
2、半导体光吸收
3、激子吸收
半导体光电子器课件
《半导体光电子器》PPT课件
内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N 区的Ef 相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾 斜，见图4.5(b)。
能量
p
Ec
P区
p
E
v
n
E
c
势垒
E
f
N区
n
E
v
(b) 零偏压时P - N结的能带倾斜图；
《半导体光电子器》PPT课件
PN结:
耗 尽区
扩散电子
-
+
-
+
-
+
pn结
内建电场
电势
U
Ef
n
p
1. 浓度的差别导致载流子的扩散运动 2. 内建电场的驱动导致《半载导体流光电子子做器》反PP向T课漂件 移运动
P-N结施加反向电压
VCC
当PN结两端加上反向偏置电压时，耗尽区加宽，势垒加强。
《半导体光电子器》PPT课件
(a) 反向偏压使耗尽区加宽
少数载流子漂移
特点： - 同质结两边具有相同的带隙结构和光学性能 - pn结区的完全由载流子的扩散形成
存在的问题： • 增益区太厚(1~10 mm)，很难把载流子约束在相对小的区域，
无法形成较高的载流子密度 1. 无法对产生的光进行有效约束
n
p
《半导体光电子器》PPT课件
典型的GaAlAs双异质结
异质结：
为提高辐射功率，需 要对载流子和辐射光 产生有效约束
注入电子 －－－
电子能量 空穴势垒
电子势垒 电子-空穴复合
++
注入空穴
1. 不连续的带隙结构 2. 折射率不连续分布
内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N 区的Ef 相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾 斜，见图4.5(b)。
能量
p
Ec
P区
p
E
v
n
E
c
势垒
E
f
N区
n
E
v
(b) 零偏压时P - N结的能带倾斜图；
《半导体光电子器》PPT课件
PN结:
耗 尽区
扩散电子
-
+
-
+
-
+
pn结
内建电场
电势
U
Ef
n
p
1. 浓度的差别导致载流子的扩散运动 2. 内建电场的驱动导致《半载导体流光电子子做器》反PP向T课漂件 移运动
P-N结施加反向电压
VCC
当PN结两端加上反向偏置电压时，耗尽区加宽，势垒加强。
《半导体光电子器》PPT课件
(a) 反向偏压使耗尽区加宽
少数载流子漂移
特点： - 同质结两边具有相同的带隙结构和光学性能 - pn结区的完全由载流子的扩散形成
存在的问题： • 增益区太厚(1~10 mm)，很难把载流子约束在相对小的区域，
无法形成较高的载流子密度 1. 无法对产生的光进行有效约束
n
p
《半导体光电子器》PPT课件
典型的GaAlAs双异质结
异质结：
为提高辐射功率，需 要对载流子和辐射光 产生有效约束
注入电子 －－－
电子能量 空穴势垒
电子势垒 电子-空穴复合
++
注入空穴
1. 不连续的带隙结构 2. 折射率不连续分布
半导体中的光吸收和光探测器ppt课件
半导体中的光吸收和光探测
半导体对光的吸收机构大致可分为： ①本征吸收； ②激子吸收； ③晶格振动吸收； ④杂质吸收； ⑤自由载流子吸收. 参与光吸收跃迁的电子可涉及四种： ①价电子； ②内壳层电子； ③自由电子； ④杂质或缺陷中的束缚电子，
火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂 拥而出 或留恋 财物， 要当机 立断， 披上浸 湿的衣 服或裹 上湿毛 毯、湿 被褥勇 敢地冲 出去
火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂 拥而出 或留恋 财物， 要当机 立断， 披上浸 湿的衣 服或裹 上湿毛 毯、湿 被褥勇 敢地冲 出去
② 因为价电子要能够从价带跃迁到导带，至少应该吸
收禁带宽度Eg大小的能量，这样才能符合能量守恒规 律，所以就存在一个最小的光吸收能量——光子能量
的下限，该能量下限也就对应于光吸收的长波限——
火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂 拥而出 或留恋 财物， 要当机 立断， 披上浸 湿的衣 服或裹 上湿毛 毯、湿 被褥勇 敢地冲 出去
（4）参考曲线：
常见半导体的带间光吸收谱曲线见图2。 IV族半导体属间接跃迁能带结构，它们的光吸收 谱曲线较缓；而III-V族半导体属直接跃迁能带结构，它 们的光吸收谱曲线都很陡峭。 此外，半导体中载流子的光吸收谱曲线一般都位于 带间光吸收谱曲线的截止波长以外。因为载流子光吸收 是在能带内部的各个能级之间跃迁，所以吸收的光子能 量更小，吸收的光波长更长。
式(7.1-8)所能适用的范围是有限的，当(h-Eg)的值较大时，吸收系数 随h变化缓慢，d随h上升的曲线斜率与能带的形状有关。而且当 (h-Eg)与激子激活能(关于激子吸收将在§7.2中讨论)可以相比拟时，式 (7.1-7)还应作适当修改。即使h0，此时吸收系数并不为零而趋于一
稳定值；当h<Eg，也可观察到由激子的高激发态引起的吸收，如图 7.1-3中的点线所示。
半导体对光的吸收机构大致可分为： ①本征吸收； ②激子吸收； ③晶格振动吸收； ④杂质吸收； ⑤自由载流子吸收. 参与光吸收跃迁的电子可涉及四种： ①价电子； ②内壳层电子； ③自由电子； ④杂质或缺陷中的束缚电子，
火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂 拥而出 或留恋 财物， 要当机 立断， 披上浸 湿的衣 服或裹 上湿毛 毯、湿 被褥勇 敢地冲 出去
火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂 拥而出 或留恋 财物， 要当机 立断， 披上浸 湿的衣 服或裹 上湿毛 毯、湿 被褥勇 敢地冲 出去
② 因为价电子要能够从价带跃迁到导带，至少应该吸
收禁带宽度Eg大小的能量，这样才能符合能量守恒规 律，所以就存在一个最小的光吸收能量——光子能量
的下限，该能量下限也就对应于光吸收的长波限——
火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂 拥而出 或留恋 财物， 要当机 立断， 披上浸 湿的衣 服或裹 上湿毛 毯、湿 被褥勇 敢地冲 出去
（4）参考曲线：
常见半导体的带间光吸收谱曲线见图2。 IV族半导体属间接跃迁能带结构，它们的光吸收 谱曲线较缓；而III-V族半导体属直接跃迁能带结构，它 们的光吸收谱曲线都很陡峭。 此外，半导体中载流子的光吸收谱曲线一般都位于 带间光吸收谱曲线的截止波长以外。因为载流子光吸收 是在能带内部的各个能级之间跃迁，所以吸收的光子能 量更小，吸收的光波长更长。
式(7.1-8)所能适用的范围是有限的，当(h-Eg)的值较大时，吸收系数 随h变化缓慢，d随h上升的曲线斜率与能带的形状有关。而且当 (h-Eg)与激子激活能(关于激子吸收将在§7.2中讨论)可以相比拟时，式 (7.1-7)还应作适当修改。即使h0，此时吸收系数并不为零而趋于一
稳定值；当h<Eg，也可观察到由激子的高激发态引起的吸收，如图 7.1-3中的点线所示。
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第七章 半导体中的光吸收和光探测
半导体对光的吸收机构大致可分为： ①本征吸收； ②激子吸收； ③晶格振动吸收； ④杂质吸收； ⑤自由载流子吸收. 参与光吸收跃迁的电子可涉及四种： ①价电子； ②内壳层电子； ③自由电子； ④杂质或缺陷中的束缚电子，
7.1 本征吸收
如果有足够能量的光子作用到半导体 上，价带电子就有可能被激发到导带 而形成电子一空穴对。这样的过程称 为本征吸收。第一章已经提到，这种 受激本征吸收使半导体材料具有较高 的吸收系数，有一连续的吸收谱，并 在光子振荡频率=Eg/h处有一陡峭 的吸收边，在<Eg/h(即入射光波长 >1.24/Eg)的区域内，材料是相当 透明的。由于直接带隙与间接带隙跃 迁相比有更高的跃迁速率，因而有更 高的吸收系数或在同样光子能量下在 材料中的光渗透深度较小。与间接带 隙材料相比，直接带隙材料有更陡的 吸收边，
B21
e2 m02 0n 2
h
2j
V
1
exp
j2
1
t
exp
j
kp kc kv
ru2r
jkv
u1
r
2
(1.2-25)
当光辐射场与半导体中电子发生共振相互作用时，即满=2=1， 则上式括号中第一个指数变为1。由式(1.2-25)还可以看到，当满
足
kp kc kv 0
(1.2-26)
0
h Eg Es h Eg Es
(7.1-23)
间接带隙跃迁的吸收系数为
i
c
1
h Eg
exp
Es
Es k
2
T
h E
expEs
g Es
kT
2
1
h Eg Es
c h Eg Es 2
expEs kT1
0
Eg Es h Eg Es
来从实验上来确定上述
这两种跃迁，但实际上
由于激子吸收对吸收曲
线的影响，使得这种比
较难以凑效。
d 6.7104 h Eg 1 2 cm1 (7.1-9)
二、间接带隙跃迁引起的吸收
1．二阶微扰过程的物理描述 当导带能量最小值与价带能量最大值不对应同一k值，即kmaxkmin时，
不满足动量守恒。但实验上却观察到电子在这两个能量极值之间的跃迁 所引起的光吸收，因而可以判断必定有声子参与了跃迁过程，即必须通 过吸收声子或发射声子才能使电子从初态“O”跃迁至终态“m”。这种 间接带隙跃迁可以有两种方式来完成，如图7.1-4所示，而每种方式又 均可分两步来实现。 即“O”I“m”或“O”I’“m”。(图画得有些 倾斜)
(7.1-22) (7.1-23)
经推导(p175～176)
由吸收声子所引起的吸收系数为
a
c h Eg Es 2
exp Es kT1
h Eg Es
0
h Eg Es
(7.1-22)
式中c为随缓变的函数。
声子发射时的吸收系数为
e
c h Eg
1 exp Es
Es 2
kT
2 ．激子波函数与束缚能
电子-空穴的库仑互作用势能为
V
re
rh
4
e2 re
rh
(7.2-1)
式中。为介电常数(对夫伦克耳激子，为常数)。 弱束缚激子的薛定愕方程为
2 2me
e2
2 2mh
h2
e2
4 r
F
re ,
rh
EFre ,
rh
(7.2-2)
式中r=re-rh为电子和空穴的相对坐标，E=Eex-Eg，Eex为激子能 量本征值，F(re,rh)为激子波函数。
度的吸收曲线在横轴(h
轴)上的截距分别为Eg-Es 和Eg+Es，即分别对应于 吸收声子与发射声子的情
况。显然在低温下发射声
子是主要的。
e
c h Eg
1 exp Es
Es 2
kT
0
h Eg Es h Eg Es
(7.1-23)
在价带顶附近的状态与 导带底附近的状态之间 的跃迁(即图7.1-5中箭 头B)是“禁戒”跃迁， 由这种跃迁所引起的吸 收系数是与过剩光子能 量(h-EgEs)的三次方 成正比的。而如上所述， 在这种能带结构中的允 许跃迁(在k=0处发生 竖直跃迁)所产生的吸 收系数是比例于(hEgEs)2 的。
图7.1-1比较了几种直接带隙材料(GaAs、In0.7Ga0.3As0.64P0.36、 In0.53Ga0.47As)和间接带隙材料(Ge、Si)的光吸收系数和渗透深度 与入射光波长的关系。
一、直接带隙跃迁引起的光吸收
在§1.2中已提到在直接带隙跃迁吸收中，可以产生允许的和禁戒的跃迁。
1．允许跃迁 在外光场作用下导带电子向价带跃迁的几率为
经推导(p175～176) 由吸收声子所引起的吸收系数为
a
c h Eg Es 2
exp Es kT1
0
h Eg Es h Eg Es
式中c为随缓变的函数。 声子发射时的吸收系数为
e
c h Eg
1 exp Es
Es 2
kT
0
h Eg Es h Eg Es
稳定值；当h<Eg，也可观察到由激子的高激发态引起的吸收，如图 7.1-3中的点线所示。
上述允许的直接带隙跃迁
发生在价带和导带分别为
半导体的s带和p带构成的
材料中。作为对d值大小 的粗略估计，可me= mh= m0，n=4，fif1，则
d 6.7104 h Eg 1 2 cm1
(7.1-9)
图7.1-8和图7.1-9是间接跃迁半导体Ge的基本吸收谱。 由图7.1-9看出，在k空间点和在高的光子能量作用下， 仍可产生允许的直接跃迁，并得到其值不小的吸收系 数。
7.2 半导体中的其它光吸收
在§7.1中所讨论的本征吸收是最重要的、基本 的吸收。
在半导体中还存在许多其它吸收机构。主要的 吸收：
即 kmax=kmin=0，如图 7.1-2所示。允许的直接
跃迁有最大的跃迁几率，
且跃迁矩阵元与波矢k基
本无关。
B21
e2 m02 0n 2
h
2j
V
1
exp
j2
1
t
exp
j kp kc kv
r
u2
r
jkv
u1
r
2
(1.2-25)
kp kc kv 0
(1.2-26)
2．间接吸收的吸收系数
在图7.1-4所表示的间接带隙跃迁中，两种从初态至终态的跃迁方式 都必将伴随有声子的发射和吸收，在不考虑多声子吸收时，则有
h Eg Es 吸收声子
h Eg般是很小的，但声子的发射与
吸收都将影响吸收曲线在吸收边附
吸收系数写为
d A h Eg 1 2
0
h h
Eg Eg
(7.1-7)
其中A为常数
A
e2 2mr 3 2 n ch2 m0 0
fif
(7.1-8)
mr折合有效质量，表示为
111 mr me mh
(7.1-6)
m0为自由电子的质量，其余都是所熟知的符号，只是fif表 示与偶极矩阵元|M|2有 关的振子强度，fif=2|M|2/ħm0，
一、激子吸收 二、自由载流子吸收 三、杂质吸收
一、激子吸收
1．概述 在发生带间跃迁时，价带电子吸收光子而激发到导带，该电子与留在价
带上的空穴的库仑相互作用，使得激发到导带的电子与留在价带的空穴 处于束缚状态，这种束缚态称为激子。 按这种束缚的强弱，又可将激子分为夫伦克耳(Frenkel)激子和瓦尼尔莫特(wannier-Mott)激子。 夫伦克耳(Frenkel)激子是一种紧束缚激子，其束缚态局域于一个原子或 分 缚”子。电电子子处与理空，穴惰之性间 气的 体距 晶离 体及|re碱-r金h|是属晶卤格化常物数等量中级的，激因子而属可于按这“种紧类束型。 瓦 百尼个尔晶格-莫常特数(w，a即nn电ie子r-和M空ot穴t)分激别子属，于其相电当子远-空的穴两之个间原的子距(或离离|re子-r)h，|为其数 激子波函数可以扩展到许多元胞内，在弱周期场中，这种激子可近乎自 由地运动，因而可用自由电子近似处理。在离子晶体和共价晶体中，特 别是介电常数大的半导体中，这种激子对光吸收产生重要影响。在§7.1 中，我们已经提到，由于激子吸收使本征吸收边的形状和位置发生变化。 下面我们将主要分析这种激子。 由于处于束缚态的电子-空穴只能整体一起移动，因此激子对光电导没有 贡献。
时，则括号中第二个指数变为1，这时括号中就有非零值。这说明，
只有当半导体中的电子在辐射场作用下满足动量守恒(k选择定则)所
产生的跃迁才有最大的跃迁几率。
由式(1.2-25)和式(1.2-
26)可以看出，当满足动
量守恒时产生允许的直
接带隙跃迁，这时价带
能量的最大值所对应的
波矢k=kmax与导带能量 最小值的波矢k=kmin。 均在布里渊区的原点，
h Eg Es
(7.1-24)
以波上 声只学是 声考子虑、了纵一波种光类学型声的 子声 、子 横。 波深 光入 学的 声分 子析 各还 自应 的区 贡分 献纵，波不 声同学类声型子的、声横子
能量是不同的，因而i应该是各种类型声子所引起的吸收系数之和。
在前面的讨论中，我们只
考虑单声子过程，所作的 i1/2~h关系曲线图如图 7.1-7所示。对应每一温
若进一步设(h-Eg)=0.01eV， 则d6.7103cm-1。
2. 禁戒跃迁
在某些材料中(如Ge)，价带由单个 原子的s态形成，而导带则由d电子 态形成，跃迁选择定则禁止在k=0 处发生直接带隙跃迁，但却允许在 k0处发生这种跃迁。禁戒跃迁亦表 示于图7.1-2中。并且可以证明。当 k=0时，跃迁几率B12=0，而当k离 开零点时，跃迁几率随k2增加，即 正比于(h-Eg)。因为与直接跃迁相 联系的态密度正比于(h-Eg)1/2，所 以吸收系数的光谱关系可表示为
半导体对光的吸收机构大致可分为： ①本征吸收； ②激子吸收； ③晶格振动吸收； ④杂质吸收； ⑤自由载流子吸收. 参与光吸收跃迁的电子可涉及四种： ①价电子； ②内壳层电子； ③自由电子； ④杂质或缺陷中的束缚电子，
7.1 本征吸收
如果有足够能量的光子作用到半导体 上，价带电子就有可能被激发到导带 而形成电子一空穴对。这样的过程称 为本征吸收。第一章已经提到，这种 受激本征吸收使半导体材料具有较高 的吸收系数，有一连续的吸收谱，并 在光子振荡频率=Eg/h处有一陡峭 的吸收边，在<Eg/h(即入射光波长 >1.24/Eg)的区域内，材料是相当 透明的。由于直接带隙与间接带隙跃 迁相比有更高的跃迁速率，因而有更 高的吸收系数或在同样光子能量下在 材料中的光渗透深度较小。与间接带 隙材料相比，直接带隙材料有更陡的 吸收边，
B21
e2 m02 0n 2
h
2j
V
1
exp
j2
1
t
exp
j
kp kc kv
ru2r
jkv
u1
r
2
(1.2-25)
当光辐射场与半导体中电子发生共振相互作用时，即满=2=1， 则上式括号中第一个指数变为1。由式(1.2-25)还可以看到，当满
足
kp kc kv 0
(1.2-26)
0
h Eg Es h Eg Es
(7.1-23)
间接带隙跃迁的吸收系数为
i
c
1
h Eg
exp
Es
Es k
2
T
h E
expEs
g Es
kT
2
1
h Eg Es
c h Eg Es 2
expEs kT1
0
Eg Es h Eg Es
来从实验上来确定上述
这两种跃迁，但实际上
由于激子吸收对吸收曲
线的影响，使得这种比
较难以凑效。
d 6.7104 h Eg 1 2 cm1 (7.1-9)
二、间接带隙跃迁引起的吸收
1．二阶微扰过程的物理描述 当导带能量最小值与价带能量最大值不对应同一k值，即kmaxkmin时，
不满足动量守恒。但实验上却观察到电子在这两个能量极值之间的跃迁 所引起的光吸收，因而可以判断必定有声子参与了跃迁过程，即必须通 过吸收声子或发射声子才能使电子从初态“O”跃迁至终态“m”。这种 间接带隙跃迁可以有两种方式来完成，如图7.1-4所示，而每种方式又 均可分两步来实现。 即“O”I“m”或“O”I’“m”。(图画得有些 倾斜)
(7.1-22) (7.1-23)
经推导(p175～176)
由吸收声子所引起的吸收系数为
a
c h Eg Es 2
exp Es kT1
h Eg Es
0
h Eg Es
(7.1-22)
式中c为随缓变的函数。
声子发射时的吸收系数为
e
c h Eg
1 exp Es
Es 2
kT
2 ．激子波函数与束缚能
电子-空穴的库仑互作用势能为
V
re
rh
4
e2 re
rh
(7.2-1)
式中。为介电常数(对夫伦克耳激子，为常数)。 弱束缚激子的薛定愕方程为
2 2me
e2
2 2mh
h2
e2
4 r
F
re ,
rh
EFre ,
rh
(7.2-2)
式中r=re-rh为电子和空穴的相对坐标，E=Eex-Eg，Eex为激子能 量本征值，F(re,rh)为激子波函数。
度的吸收曲线在横轴(h
轴)上的截距分别为Eg-Es 和Eg+Es，即分别对应于 吸收声子与发射声子的情
况。显然在低温下发射声
子是主要的。
e
c h Eg
1 exp Es
Es 2
kT
0
h Eg Es h Eg Es
(7.1-23)
在价带顶附近的状态与 导带底附近的状态之间 的跃迁(即图7.1-5中箭 头B)是“禁戒”跃迁， 由这种跃迁所引起的吸 收系数是与过剩光子能 量(h-EgEs)的三次方 成正比的。而如上所述， 在这种能带结构中的允 许跃迁(在k=0处发生 竖直跃迁)所产生的吸 收系数是比例于(hEgEs)2 的。
图7.1-1比较了几种直接带隙材料(GaAs、In0.7Ga0.3As0.64P0.36、 In0.53Ga0.47As)和间接带隙材料(Ge、Si)的光吸收系数和渗透深度 与入射光波长的关系。
一、直接带隙跃迁引起的光吸收
在§1.2中已提到在直接带隙跃迁吸收中，可以产生允许的和禁戒的跃迁。
1．允许跃迁 在外光场作用下导带电子向价带跃迁的几率为
经推导(p175～176) 由吸收声子所引起的吸收系数为
a
c h Eg Es 2
exp Es kT1
0
h Eg Es h Eg Es
式中c为随缓变的函数。 声子发射时的吸收系数为
e
c h Eg
1 exp Es
Es 2
kT
0
h Eg Es h Eg Es
稳定值；当h<Eg，也可观察到由激子的高激发态引起的吸收，如图 7.1-3中的点线所示。
上述允许的直接带隙跃迁
发生在价带和导带分别为
半导体的s带和p带构成的
材料中。作为对d值大小 的粗略估计，可me= mh= m0，n=4，fif1，则
d 6.7104 h Eg 1 2 cm1
(7.1-9)
图7.1-8和图7.1-9是间接跃迁半导体Ge的基本吸收谱。 由图7.1-9看出，在k空间点和在高的光子能量作用下， 仍可产生允许的直接跃迁，并得到其值不小的吸收系 数。
7.2 半导体中的其它光吸收
在§7.1中所讨论的本征吸收是最重要的、基本 的吸收。
在半导体中还存在许多其它吸收机构。主要的 吸收：
即 kmax=kmin=0，如图 7.1-2所示。允许的直接
跃迁有最大的跃迁几率，
且跃迁矩阵元与波矢k基
本无关。
B21
e2 m02 0n 2
h
2j
V
1
exp
j2
1
t
exp
j kp kc kv
r
u2
r
jkv
u1
r
2
(1.2-25)
kp kc kv 0
(1.2-26)
2．间接吸收的吸收系数
在图7.1-4所表示的间接带隙跃迁中，两种从初态至终态的跃迁方式 都必将伴随有声子的发射和吸收，在不考虑多声子吸收时，则有
h Eg Es 吸收声子
h Eg般是很小的，但声子的发射与
吸收都将影响吸收曲线在吸收边附
吸收系数写为
d A h Eg 1 2
0
h h
Eg Eg
(7.1-7)
其中A为常数
A
e2 2mr 3 2 n ch2 m0 0
fif
(7.1-8)
mr折合有效质量，表示为
111 mr me mh
(7.1-6)
m0为自由电子的质量，其余都是所熟知的符号，只是fif表 示与偶极矩阵元|M|2有 关的振子强度，fif=2|M|2/ħm0，
一、激子吸收 二、自由载流子吸收 三、杂质吸收
一、激子吸收
1．概述 在发生带间跃迁时，价带电子吸收光子而激发到导带，该电子与留在价
带上的空穴的库仑相互作用，使得激发到导带的电子与留在价带的空穴 处于束缚状态，这种束缚态称为激子。 按这种束缚的强弱，又可将激子分为夫伦克耳(Frenkel)激子和瓦尼尔莫特(wannier-Mott)激子。 夫伦克耳(Frenkel)激子是一种紧束缚激子，其束缚态局域于一个原子或 分 缚”子。电电子子处与理空，穴惰之性间 气的 体距 晶离 体及|re碱-r金h|是属晶卤格化常物数等量中级的，激因子而属可于按这“种紧类束型。 瓦 百尼个尔晶格-莫常特数(w，a即nn电ie子r-和M空ot穴t)分激别子属，于其相电当子远-空的穴两之个间原的子距(或离离|re子-r)h，|为其数 激子波函数可以扩展到许多元胞内，在弱周期场中，这种激子可近乎自 由地运动，因而可用自由电子近似处理。在离子晶体和共价晶体中，特 别是介电常数大的半导体中，这种激子对光吸收产生重要影响。在§7.1 中，我们已经提到，由于激子吸收使本征吸收边的形状和位置发生变化。 下面我们将主要分析这种激子。 由于处于束缚态的电子-空穴只能整体一起移动，因此激子对光电导没有 贡献。
时，则括号中第二个指数变为1，这时括号中就有非零值。这说明，
只有当半导体中的电子在辐射场作用下满足动量守恒(k选择定则)所
产生的跃迁才有最大的跃迁几率。
由式(1.2-25)和式(1.2-
26)可以看出，当满足动
量守恒时产生允许的直
接带隙跃迁，这时价带
能量的最大值所对应的
波矢k=kmax与导带能量 最小值的波矢k=kmin。 均在布里渊区的原点，
h Eg Es
(7.1-24)
以波上 声只学是 声考子虑、了纵一波种光类学型声的 子声 、子 横。 波深 光入 学的 声分 子析 各还 自应 的区 贡分 献纵，波不 声同学类声型子的、声横子
能量是不同的，因而i应该是各种类型声子所引起的吸收系数之和。
在前面的讨论中，我们只
考虑单声子过程，所作的 i1/2~h关系曲线图如图 7.1-7所示。对应每一温
若进一步设(h-Eg)=0.01eV， 则d6.7103cm-1。
2. 禁戒跃迁
在某些材料中(如Ge)，价带由单个 原子的s态形成，而导带则由d电子 态形成，跃迁选择定则禁止在k=0 处发生直接带隙跃迁，但却允许在 k0处发生这种跃迁。禁戒跃迁亦表 示于图7.1-2中。并且可以证明。当 k=0时，跃迁几率B12=0，而当k离 开零点时，跃迁几率随k2增加，即 正比于(h-Eg)。因为与直接跃迁相 联系的态密度正比于(h-Eg)1/2，所 以吸收系数的光谱关系可表示为