固体中光的吸收和发射

• 中红外范围内，自由载流子吸收按λ2规律 变化。近红外区不再适用。 • 电子在导带中跃迁，不同能量状态间跃 迁，则必须改变波矢量，为了动量守恒， 电子动量的改变可由声子或电离杂质的 散射来获得补偿。 • 近红外区域，M.Becker等人指出①电子 受到声学声子散射， 1.5②电子受到 光学声子散射， 2.5 ③受杂质散射， 33.5
1.3.3 杂质吸收
• 三个方面 1）从杂质中心的基态到激发 态的激发，可引起线状吸收 谱。 2）电子从施主能级到导带或 从价带到受主能级的吸收跃 迁 红外区
3)从价带到施主能级或从被 电子占据的受主能级到导 带的吸收跃迁。 几率小。 浅受主能级到导带的跃迁 吸收跃迁系数
AA N A (h Eg E A )1/ 2
1）电场的影响 半导体放在电场E中 能带发生倾斜，产生 隧道效应
g
E ' xE e
• 夫兰茨－凯尔迪什效应 入射光子hν<Eg时，势垒有效宽度减小为 E g h
x eE
价带电子穿过势垒的几率 明显增大，并可发生能 量小于禁带宽度的光子 本征吸收。吸收系数为
AeE e 1/ 2 8(2mr ) ( E g h )
• 等电子中心，间接 跃迁→准直接跃迁， 复合几率飞速增长， 发光效率大大提高。 • 已经制成GaP:N, GaP:Zn-O, GaAs1xPx:N高亮发光二极 管。 • 一定条件下，发光 波长可变
1.4.5 通过杂质的辐射复合
1）电子从导带到施主能级或从受主能级到 价带跃迁，辐射跃迁很弱。 2）电子从导带到受主能级或从施主能级到 价带跃迁，发射光谱
2
2
2
2
• 直接跃迁情况下，吸收系数α＝AWifN(hν) • Wif为跃迁几率，所有跃迁都是许可的情况 下，Wif是常数，则αd＝B(hν-Eg)1/2,其中
e 2 (2mr )3 / 2 B f if nchm 0
有限范围内成立；需修正 • 在某些材料中，k=0的直接跃迁是禁止 的,k≠0的直接跃迁是允许的， Wif正比于k2， 正比于(hν-Eg)，则αd＝ α(hν-Eg)3/2，其中
• 间接跃迁的吸收系数 αi=αe+αa 其中αe和αa分别为声子发射和吸收引起的 A(h E E ) 贡献 h E E
2 e
1 e 0
g E p / kT
p
h E g E p
g p
e
A(h E g E p ) 2 e p 0
4 ( 2 mr )1 / 2 ( E g h ) 3 / 2 3eE
来自百度文库
2)温度的影响 大多数半导体的禁 带宽度随温度的 升高而减小，少 数半导体的禁带 宽度随温度的升 高而增加，从而 影响本征吸收限 Ge不同温度时的光 吸收，吸收曲线 的肩形部分
1.3.2 激子吸收
• 基本吸收中，认为被激发电子变成了导 带中自由粒子，价带中产生的空穴也是 自由的。但是受激电子与空穴会彼此吸 引，有可能形成束缚态，称为激子。 • 能在晶体中自由运动的激子称自由激子， 又称瓦尼尔激子。不能自由运动的激子 称束缚激子，又称弗伦克尔激子。
2）间接带隙半导体，激子复合光谱为谱带。 发射带的宽度决定于激子的热分布。 18k硅的激子复合 光谱。没有吸收 声子的谱带，因 为低温下声子数 很少。
束缚激子，动能接 近于0，复合发射 谱线为锐线，比自 由激子窄。 束缚激子复合光谱 通常含有零声子光 谱和发射声子光谱 或声子组合光谱。
3）等电子中心发光 GaP中N原子，负电性 大于P原子，N原子周 围产生晶格变形，使 N原子俘获电子，束 缚在周围，同时以库 仑力俘获空穴，形成 束缚激子。k空间能级 图，波函数一直扩展 到k=0附近,且电子的 几率密度也很大。
I (h ) (h E p E g ) e
2 2 [ ( h E p E g ) / kT ]
• 间接跃迁发光强度比 直接跃迁发光强度弱。 • 发射谱带通常与自由 激子发射谱带重叠
1.4.4 激子复合发光
• 激子发光光谱在低 温下观测 1）直接带隙半导体。 只有k=0附近的自 由激子才能辐射跃 迁，形成锐线 GaAs中
E / kT
1
h E g E p h E g E p
• 纯净半导体低温下，吸收系数很低 • 重掺杂半导体，低温时，声子数目少， 散射过程可以近似看作弹性过程，补偿 实现动量守恒；温度较高时，动量守恒 主要依靠电子－电子散射来完成
3.电场和温度对本征吸收的影响
• 激子的产生是由于入射光子 能量不足以使价带电子跃迁 到导带，受激电子受到价带 空穴束缚。束缚能
Eexc
(1 mr e 4 1 Eexc) 2 2 2 2(4 0 ) n n
激子吸收谱是一系列分立的。 直接带隙半导体中，自由激 子的形成能
h E g Eexc 2k 2 * * 2(me mh )
1.4.3 本征发光
• 导带电子和价带空穴复合发光 • 分为直接跃迁和间接跃迁 • 在较高温度下可以观察到，低温下很弱
1.直接跃迁
• 表现为谱带。自吸收 • 光谱分布 I (h ) 2 (h Eg )1/ 2 e[ ( h E ) / kT ]
g
2.间接跃迁
• 间接带隙半导体，带间复合发光需要声 子参加。发射声子时，光谱分布
• 掺锌或镉的InSb 的光吸收 Eg=235.7mev; EA=7.9mev
1.3.4 自由载流子吸收
• 自由载流子吸收一个光子能量跃迁到同 一能带的另一个态。 • 对导带中电子跃迁，吸收正比于自由电 子数。吸收系数为 ne 2 ge3 / 4 2 0 mc2c 3nc 0 • 空穴的吸收系数也是如此，只是一些参 数不同
1.3 固体中光的吸收
概述 1.基本吸收区 2.激子吸收 3.自由载流子吸收 4.声子吸 收 5.杂质吸收 6.自旋波量子吸收和回旋共振吸收
1.3.1本征吸收
• 半导体吸收一个能量大于禁带宽度的光 子，电子由价带跃迁到导带，称本征吸 收 • 两种跃迁 直接跃迁：仅涉及一个（或多 个）光子的吸收。 间接跃迁：还包含声子的吸收 • 两种半导体：直接带隙半导体 间接带隙 半导体
3）施主受主对的 辐射跃迁 分立谱线，远间 距的合并为连续 谱线 辐射跃迁几率与 空间间距的关系
W (r ) W0e
2 r / a*
外量子效率高
1.直接跃迁
• 是在两个直接能谷之间 的跃迁，仅垂直跃迁是 允许的 • 能量守恒 Ef=hν- | Ei | • 动量守恒 k1 Pop k2
Pop 0, k1 k 2
• 抛物线能带
2k 2 E f Eg * 2me k Ei * 2mh
2 2
• 得到
• 在k空间，k到k+dk之间终态与初态能量 差为 hν的状态对密度
8k 2 dk (2mr ) 3 / 2 N (h )dh (h E g )1/ 2 d (h ) (2 ) 3 2 2 h 3
k 1 1 k 1 h E g ( * *) 2 me mh 2 mr
2 / 3 B(2mr / m) f if' / hf if
• 重掺杂半导体的 本征吸收限向高 频方向移动，布 尔斯坦－莫斯移 动 • 直接跃迁吸收系 数的光谱曲线， 吸收系数随光子 能量减小呈指数 衰减
2.间接跃迁
• 间接带隙，导带最 低状态的k值与价 带顶最高能量状态 的k值不同，跃迁 过程要引入声子的 吸收和发射过程 • 能量守恒 hν±Ep=Eg k q k 1 2 • 动量守恒
• 间接带隙半导体，激子光吸收有声子参 加，间接声子形成能
h ax E g Eexc E p h ex E g Eexc E p
• 激子吸收谱是一个具有确定下限的带光 谱。单声子过程，还有多声子过程。 • 间接激子的吸收系数 (h Eg Eexc E p )1/ 2