9半导体的光学性质PPT课件
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对半导体的光学性质的研究也是设计和制造半导体光 电器件的理论依据。
.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
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9.1 半导体的光学常数
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1 v
n c
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c
.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
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9.1 半导体的光学常数
h (eV)
[μm]
.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
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9.2 本 征 吸 收
半导体材料吸收光子能量使电子从能量较低的状态跃 迁到能量较高的状态。这些跃迁可以发生在： ➢ (a)不同能带的状态之间； ➢ (b)、(c)、(e)禁带中分立能级和能带的状态之间； ➢ (d)禁带中分立能级的不同状态之间； ➢ (f)同一能带的不同状态之间； ……它们引起不同的光吸收过程。
.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
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光学区域的电磁波谱图
人眼只能检测波长范围大致在0.4～0.7μm的光。 紫外区的波长范围为0.01～0.4μm。 红外区的波长范围为0.7～1000μm。
.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
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9.2 本 征 吸 收
c
hc
h
1.24
kf ki q
(9.2-13)
式中q为声子的波矢，正号表示吸收声子，负号
表示放出声子。
.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
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9.2.2 间接跃迁
Ef Ei Ep
.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
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9.2.2 间接跃迁
A
( 1
Eg exp(Ep
.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
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9.2.1 直接跃迁
kf ki kL
.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
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9.2.1 直接跃迁
kf ki
.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
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直接跃迁示意图
电子在跃迁的过程中波矢保持不变，则原来在价带中 的状态A的电子只能跃迁到导带中的状态B。A与B在 E(k)曲线上位于同一垂线上。因而这种跃迁称为竖直跃 迁也叫做直接跃迁。
第9章 半导体的光学性质
9.1 半导体的光学常数 9.2 本征吸收 9.3 激子吸收 9.4 其他光吸收过程 9.5 PN结的光生伏打效应 9.6 半导体发光 9.7 非辐射复合 9.8 发光二极管（LED） 9.9 高效率的半导体发光材料
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半导体的光学性质研究历史
早在20世纪30年代人们就通过光吸收测量了半导体的 禁带宽度。 20世纪50年代对吸收光谱的研究所取得的最重要的进 展是，区别了直接带隙半导体和间接带隙半导体，并 测量了一些重要的能带参数。通过对微波范围的共振 吸收—回旋共振，相当直接地证明了Ge、Si的导带的 多谷结构。与此同时，准确地测量了有效质量。 20世纪60年代以来，相继对许多半导体的反射光谱进 行了研究，配合理论计算，对半导体的能带结构取得 了相当系统的认识。
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9.1 半导体的光学常数
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9.2 本 征 吸 收
h Eg h 0
0
c
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hc
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1.24 Eg (eV)
(μm)
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吸收谱
吸收系数与光子能量或波长的关系叫做吸收谱。 下图是半导体的吸收系数与波长的关系。 曲线在短波端陡峭上升是半导体吸收谱的一个显著特 点，它标志着本征吸收的开始。吸收限附近的吸收谱 叫做吸收边。吸收边对应于电子从价带顶向导带底的 跃迁。
长波吸收限：
0
1.24 Eg (eV)
(μm)
可见从光吸收的测量，可求得半导体的禁带宽度。
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本征吸收的吸收系数
d APk N ( )
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本征吸收的吸收系数
d
B( 0,
Eg )1/ 2 ,
Ep )2 / KT
)
( Eg Ep )2 exp(Ep / KT ) 1
,
i
A( Eg EP )2 exp(Ep / KT ) 1
Eg Eg
d C( Eg )3/ 2
.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
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wk.baidu.com
图9.5 直接跃迁吸收系数与光子能量的关系曲线
.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
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9.2.2 间接跃迁
在间接带隙半导体中，导带极小值和价带极大 值不是发生在布里渊区的同一地点，而是具有 不同的k值，因此这种跃迁是非竖直跃迁。 跃迁过程中由于光子的波数比电子的波数小得 多，因此，准动量守恒要求必须有第三者—声 子参加。就是说，在跃进过程中必须伴随声子 的吸收或放出，即
.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
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直接跃迁示意图
在A到B直接跃迁中所吸收光子的能量与图中垂直距离
AB相对应。显然，对应于不同的k，垂直距离各不相
等。即相对于任何一个k值的不同能量的光子都有可能
被吸收，而吸收的光子最小能量应等于禁带宽度Eg。 由此可见，本征吸收形成一个连续吸收带，并具有一
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9.1 半导体的光学常数
3．反射率和透射率 反射率
R
(n (n
1)2 1)2
2 2
透射率
T = 1−R
(9.1-10) (9.1-11)
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9.2 本 征 吸 收
教学要求 1．写出并记忆光子波长和能量的转换关系式(9.2-1)。 2．掌握概念：本征吸收、本征吸收限、吸收系数、吸 收谱、吸收边、直接跃迁、间接跃迁。 3．写出直接跃迁和间接跃迁过程中的准动量守恒和能 量守恒公式。 4．了解吸收系数公式(9.2-10)和(9.2-12)，说明根据吸 收谱可以确定半导体禁带宽度的原理。
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9.1 半导体的光学常数
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9.1 半导体的光学常数
h (eV)
[μm]
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9.2 本 征 吸 收
半导体材料吸收光子能量使电子从能量较低的状态跃 迁到能量较高的状态。这些跃迁可以发生在： ➢ (a)不同能带的状态之间； ➢ (b)、(c)、(e)禁带中分立能级和能带的状态之间； ➢ (d)禁带中分立能级的不同状态之间； ➢ (f)同一能带的不同状态之间； ……它们引起不同的光吸收过程。
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光学区域的电磁波谱图
人眼只能检测波长范围大致在0.4～0.7μm的光。 紫外区的波长范围为0.01～0.4μm。 红外区的波长范围为0.7～1000μm。
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9.2 本 征 吸 收
c
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kf ki q
(9.2-13)
式中q为声子的波矢，正号表示吸收声子，负号
表示放出声子。
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9.2.2 间接跃迁
Ef Ei Ep
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9.2.2 间接跃迁
A
( 1
Eg exp(Ep
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9.2.1 直接跃迁
kf ki kL
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13
9.2.1 直接跃迁
kf ki
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直接跃迁示意图
电子在跃迁的过程中波矢保持不变，则原来在价带中 的状态A的电子只能跃迁到导带中的状态B。A与B在 E(k)曲线上位于同一垂线上。因而这种跃迁称为竖直跃 迁也叫做直接跃迁。
第9章 半导体的光学性质
9.1 半导体的光学常数 9.2 本征吸收 9.3 激子吸收 9.4 其他光吸收过程 9.5 PN结的光生伏打效应 9.6 半导体发光 9.7 非辐射复合 9.8 发光二极管（LED） 9.9 高效率的半导体发光材料
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半导体的光学性质研究历史
早在20世纪30年代人们就通过光吸收测量了半导体的 禁带宽度。 20世纪50年代对吸收光谱的研究所取得的最重要的进 展是，区别了直接带隙半导体和间接带隙半导体，并 测量了一些重要的能带参数。通过对微波范围的共振 吸收—回旋共振，相当直接地证明了Ge、Si的导带的 多谷结构。与此同时，准确地测量了有效质量。 20世纪60年代以来，相继对许多半导体的反射光谱进 行了研究，配合理论计算，对半导体的能带结构取得 了相当系统的认识。
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I x Ey 2
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I (x) I0e x
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9.1 半导体的光学常数
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9.2 本 征 吸 收
h Eg h 0
0
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hc
h 0
1.24 Eg (eV)
(μm)
.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
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吸收谱
吸收系数与光子能量或波长的关系叫做吸收谱。 下图是半导体的吸收系数与波长的关系。 曲线在短波端陡峭上升是半导体吸收谱的一个显著特 点，它标志着本征吸收的开始。吸收限附近的吸收谱 叫做吸收边。吸收边对应于电子从价带顶向导带底的 跃迁。
长波吸收限：
0
1.24 Eg (eV)
(μm)
可见从光吸收的测量，可求得半导体的禁带宽度。
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本征吸收的吸收系数
d APk N ( )
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本征吸收的吸收系数
d
B( 0,
Eg )1/ 2 ,
Ep )2 / KT
)
( Eg Ep )2 exp(Ep / KT ) 1
,
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A( Eg EP )2 exp(Ep / KT ) 1
Eg Eg
d C( Eg )3/ 2
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图9.5 直接跃迁吸收系数与光子能量的关系曲线
.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
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9.2.2 间接跃迁
在间接带隙半导体中，导带极小值和价带极大 值不是发生在布里渊区的同一地点，而是具有 不同的k值，因此这种跃迁是非竖直跃迁。 跃迁过程中由于光子的波数比电子的波数小得 多，因此，准动量守恒要求必须有第三者—声 子参加。就是说，在跃进过程中必须伴随声子 的吸收或放出，即
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直接跃迁示意图
在A到B直接跃迁中所吸收光子的能量与图中垂直距离
AB相对应。显然，对应于不同的k，垂直距离各不相
等。即相对于任何一个k值的不同能量的光子都有可能
被吸收，而吸收的光子最小能量应等于禁带宽度Eg。 由此可见，本征吸收形成一个连续吸收带，并具有一
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9.1 半导体的光学常数
3．反射率和透射率 反射率
R
(n (n
1)2 1)2
2 2
透射率
T = 1−R
(9.1-10) (9.1-11)
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6
9.2 本 征 吸 收
教学要求 1．写出并记忆光子波长和能量的转换关系式(9.2-1)。 2．掌握概念：本征吸收、本征吸收限、吸收系数、吸 收谱、吸收边、直接跃迁、间接跃迁。 3．写出直接跃迁和间接跃迁过程中的准动量守恒和能 量守恒公式。 4．了解吸收系数公式(9.2-10)和(9.2-12)，说明根据吸 收谱可以确定半导体禁带宽度的原理。