9半导体的光学性质PPT课件
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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。
半导体材料总结ppt课件
ppt课件.
23
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GaAs电学性质
电子迁移率高达 8000cm2 VS
GaAs中电子有效质量为自由电子的1/15， 是硅电子的1/3
用GaAs制备的晶体管开关速度比硅的快 3~4倍
高频器件，军事上应用
ppt课件.
24
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本征载流子浓度
T 3 0 0 K n i 1 .3 1 0 6/c m 3
体心原子的划分，属于每个晶胞 1
ppt课件.
9
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（c）面心立方晶体 6个面中心各有1个原子， 6*1/2=3原子； 8个顶角各有1个原子，8*1/8=1个原子。 每个面心立方晶胞有4个原子。
ppt课件. 面心原子的划分，属于每个晶胞 110/2
10
（2）半导体材料的能带结构
间接带隙结构 直接带隙结构
∶ ∶
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4
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按组成
元素半导体 无机半导体
化合物半导体
有机半导体
按结构
晶体
单晶半导体 多晶半导体
非晶、无定形半导体
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5
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3.半导体材料的基本性质及应用
(1)半导体的晶体结构 (2)半导体的能带结构 (3) 半导体的杂质和缺陷 (4) 半导体的电学性质 (5) 半导体的光学性质
带隙大小
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11
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(3) 半导体的杂质和缺陷
轻掺杂
掺杂浓度为1017 cm-3 杂质离子100%电离
中度掺杂 掺杂浓度为1017～1019 cm-3 载流子浓度低于掺杂浓度
重掺杂 掺杂浓度大于1019 cm-3
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12
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硅中的杂质
1. n型掺杂剂：P，As，Sb
半导体光学性质PPT模板
2.1半导体的带间跃迁过程 2.2带间跃迁的量子力学理论 2.3半导体带间直接跃迁光吸收 过程 2.4间接跃迁的量子力学处理 2.5半导体带间直接跃迁辐射复 合发光过程
第二章半导体带间 光跃迁的基本理论
2.1半导体的带间跃迁过 程
1
2
2.1.1导带底和价带顶
位于波矢空间同一位置
时的允许带间直接跃迁
第四章半导体的吸收光谱和反射光谱——带内跃迁过程及与杂 质、缺陷、晶格振动有关的跃迁过程
4.3杂质吸收光谱 4.3.1浅杂质的有效质量方程和浅杂质吸收光谱 4.3.2浅杂质光热电离谱 4.3.3a<sup>+</sup>态和d<sup>﹣</sup>态 4.3.4共振杂质态
4.3杂质吸收光谱 4.3.1浅杂质的有效质量方程和浅杂质吸收光谱 4.3.2浅杂质光热电离谱 4.3.3A<sup>+</sup>态和
4.1带内跃迁和自由载流子吸收 4.1.1带内亚结构间的光跃迁 4.1.2自由载流子吸收 4.1.3等离子激元效应
第四章半导体的吸收光谱和反射光谱——带内跃迁过程及与杂质、缺陷、晶格振动有关的跃迁过程 4.2自由载流子吸收的量子理论 4.2.1散射矩阵元 4.2.2散射几率 4.2.3吸收系数 4.2.4关于吸收系数的讨论
5.2导带-价带辐射复合跃迁
5.2.1带间 的直接辐射 复合跃迁
5.2.2带间 的间接辐射 复合跃迁
第五章半导体的发光光谱和辐射复合
5.3激子复合发光
03
5.3.3电子-空穴滴
及其辐射复合发光
光谱
02
5.3.2激子分子
01
第二章半导体带间 光跃迁的基本理论
2.1半导体的带间跃迁过 程
1
2
2.1.1导带底和价带顶
位于波矢空间同一位置
时的允许带间直接跃迁
第四章半导体的吸收光谱和反射光谱——带内跃迁过程及与杂 质、缺陷、晶格振动有关的跃迁过程
4.3杂质吸收光谱 4.3.1浅杂质的有效质量方程和浅杂质吸收光谱 4.3.2浅杂质光热电离谱 4.3.3a<sup>+</sup>态和d<sup>﹣</sup>态 4.3.4共振杂质态
4.3杂质吸收光谱 4.3.1浅杂质的有效质量方程和浅杂质吸收光谱 4.3.2浅杂质光热电离谱 4.3.3A<sup>+</sup>态和
4.1带内跃迁和自由载流子吸收 4.1.1带内亚结构间的光跃迁 4.1.2自由载流子吸收 4.1.3等离子激元效应
第四章半导体的吸收光谱和反射光谱——带内跃迁过程及与杂质、缺陷、晶格振动有关的跃迁过程 4.2自由载流子吸收的量子理论 4.2.1散射矩阵元 4.2.2散射几率 4.2.3吸收系数 4.2.4关于吸收系数的讨论
5.2导带-价带辐射复合跃迁
5.2.1带间 的直接辐射 复合跃迁
5.2.2带间 的间接辐射 复合跃迁
第五章半导体的发光光谱和辐射复合
5.3激子复合发光
03
5.3.3电子-空穴滴
及其辐射复合发光
光谱
02
5.3.2激子分子
01
半导体物理第九章--半导体的光学性质
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）
dI I x
dx
光强在半导体媒质中的衰减规律
I x I0 expx
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
本征吸收
0 :引起本征吸收的最低频率限；
cm1 100
0：本征吸收长波限
75
50
0
hc Eg
1.24eV Eg (eV )
[m]
25
0 4 8 12 16 μm
InSb的吸收谱
9.1 半导体的光吸收 9.1.2 本征吸收
3.光吸收时半导体中电子的跃迁要求
——能量守恒, 准动量守
恒。
很小
能量守恒和动量守恒E h h a E'
d2
vd
n E
n
V d
9.2 半导体的光电导 9.2.3 复合中心和陷阱对光电导的影响
高阻光电材料中典型 的复合中心对光电导 的影响:这样的材料对 光电导起决定作用的 是非平衡多数载流子, 因为非平衡少数载流 子被陷在复合中心上, 等待与多数载流子的 复合。
9.2 半导体的光电导 9.2.3 复合中心和陷阱对光电导的影响
定光照下，定态光电导Δσs（对应Δns）越大，其 光电导灵敏度也越高。
前面推导的小注入时的Δσs公式为:
s qbI nn
可以看出，如果考虑到光电导灵敏度的话，材料光 电导的弛豫时间（由寿命τ来体现）越大，光电导 的定态值也越大（即光电导灵敏度越高）。
9.2 半导体的光电导 9.2.2 定态光电导及其弛豫过程
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）
dI I x
dx
光强在半导体媒质中的衰减规律
I x I0 expx
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
本征吸收
0 :引起本征吸收的最低频率限；
cm1 100
0：本征吸收长波限
75
50
0
hc Eg
1.24eV Eg (eV )
[m]
25
0 4 8 12 16 μm
InSb的吸收谱
9.1 半导体的光吸收 9.1.2 本征吸收
3.光吸收时半导体中电子的跃迁要求
——能量守恒, 准动量守
恒。
很小
能量守恒和动量守恒E h h a E'
d2
vd
n E
n
V d
9.2 半导体的光电导 9.2.3 复合中心和陷阱对光电导的影响
高阻光电材料中典型 的复合中心对光电导 的影响:这样的材料对 光电导起决定作用的 是非平衡多数载流子, 因为非平衡少数载流 子被陷在复合中心上, 等待与多数载流子的 复合。
9.2 半导体的光电导 9.2.3 复合中心和陷阱对光电导的影响
定光照下，定态光电导Δσs（对应Δns）越大，其 光电导灵敏度也越高。
前面推导的小注入时的Δσs公式为:
s qbI nn
可以看出，如果考虑到光电导灵敏度的话，材料光 电导的弛豫时间（由寿命τ来体现）越大，光电导 的定态值也越大（即光电导灵敏度越高）。
9.2 半导体的光电导 9.2.2 定态光电导及其弛豫过程
《半导体物理学》课件
重要性
半导体物理学是现代电子科技和信息 科技的基础，对微电子、光电子、电 力电子等领域的发展具有至关重要的 作用。
半导体物理学的发展历程
19世纪末期
半导体概念的形成，科学家开始认识到 某些物质具有导电性介于金属和绝缘体
之间。
20世纪中叶
晶体管的商业化应用，集成电路的发 明，推动了电子科技和信息科技的发
半导体中的热电效应
总结词
解释热电效应的原理及其在半导体中的应用。
详细描述
当半导体受到温度梯度作用时，会在两端产生电压差 ，这一现象被称为热电效应。热电效应的原理在于不 同温度下，半导体内部载流子的分布不同，导致出现 电势差。热电效应在温差发电等领域有应用价值，可 以通过优化半导体的材料和结构来提高热电转换效率 。
分析器件在长时间使用或恶劣环 境下的性能退化，以提高其可靠 性。
THANKS
THANK YOU FOR YOUR WATCHING
06
半导体材料与工艺
半导体材料的分类和特性
元素半导体
如硅、锗等，具有稳定的化学性质和良好的半导 体特性。
化合物半导体
如砷化镓、磷化铟等，具有较高的电子迁移率和 光学性能。
宽禁带半导体
如金刚石、氮化镓等，具有高热导率和禁带宽度 大等特点。
半导体材料的制备和加工
气相沉积
通过化学气相沉积或物理气相沉积方法制备 薄膜。
05
半导体器件的工作原理
二极管的工作原理
总结词
二极管是半导体器件中最简单的一种 ，其工作原理基于PN结的单向导电性 。
详细描述
二极管由一个P型半导体和一个N型半 导体结合而成，在交界处形成PN结。 当正向电压施加时，电子从N区流向P 区，空穴从P区流向N区，形成电流； 当反向电压施加时，电流极小或无电流 。
半导体物理学是现代电子科技和信息 科技的基础，对微电子、光电子、电 力电子等领域的发展具有至关重要的 作用。
半导体物理学的发展历程
19世纪末期
半导体概念的形成，科学家开始认识到 某些物质具有导电性介于金属和绝缘体
之间。
20世纪中叶
晶体管的商业化应用，集成电路的发 明，推动了电子科技和信息科技的发
半导体中的热电效应
总结词
解释热电效应的原理及其在半导体中的应用。
详细描述
当半导体受到温度梯度作用时，会在两端产生电压差 ，这一现象被称为热电效应。热电效应的原理在于不 同温度下，半导体内部载流子的分布不同，导致出现 电势差。热电效应在温差发电等领域有应用价值，可 以通过优化半导体的材料和结构来提高热电转换效率 。
分析器件在长时间使用或恶劣环 境下的性能退化，以提高其可靠 性。
THANKS
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06
半导体材料与工艺
半导体材料的分类和特性
元素半导体
如硅、锗等，具有稳定的化学性质和良好的半导 体特性。
化合物半导体
如砷化镓、磷化铟等，具有较高的电子迁移率和 光学性能。
宽禁带半导体
如金刚石、氮化镓等，具有高热导率和禁带宽度 大等特点。
半导体材料的制备和加工
气相沉积
通过化学气相沉积或物理气相沉积方法制备 薄膜。
05
半导体器件的工作原理
二极管的工作原理
总结词
二极管是半导体器件中最简单的一种 ，其工作原理基于PN结的单向导电性 。
详细描述
二极管由一个P型半导体和一个N型半 导体结合而成，在交界处形成PN结。 当正向电压施加时，电子从N区流向P 区，空穴从P区流向N区，形成电流； 当反向电压施加时，电流极小或无电流 。
半导体材料的基本特性 ppt课件
PPT课件
22
芯片可靠性
芯片可靠性致力于趋于芯片寿命的功能的能力，通过严格 的诸如无颗粒空气净化间的使用以及控制化学试剂的纯度 来控制玷污
PPT课件
23
降低芯片价格
由于特征尺寸的减小使得硅片上集成的晶体管增多降低了 成本。 半导体产品市场大幅度增长引入了制造的规模经济
PPT课件
24
微电子技术发展展望
PPT课件
19
提高芯片的性能
关键尺寸 芯片上的最小物理尺寸 芯片上器件尺寸的相应缩小是按比例进行的，仅减小一个 尺寸是不可接受的。
PPT课件
20
每块芯片上的元件数 减小一块芯片的关键尺寸使得可 以在硅片上制造更多的元件 ，由于芯片数增加性能也得 到提高。
摩尔定律
PPT课件
21
功耗 真空管耗费很大功率，而半导体器件确实耗用很 小的功率，随着器件的微型化，功耗相应减小，尽管晶体 管数以惊人的速度增为什么有如此的发展速度
第一：集成电路业属于非资源耗尽型的环保类产业，原始材 料是地壳中的二氧化硅。
第二：集成电路的设计与制造技术中高新技术含量和技术赋 加值极高 ，产出效益好。
第三：集成电路的设计与制造业是充满技术驱动的效益驱动 的高活性产业
PPT课件
18
半导体的趋势
★ 提高芯片性能 ★ 提高芯片的可靠性 ★ 降低芯片的成本
★衬底必须是纯净的 ★单晶硅片 ★晶体的基本形态
单晶 多晶 非晶 ★综合指标要求 导电类型 N型或P型
PPT课件
30
集成电路的制造步骤
★硅片制造 ★硅片制备 ★硅片测试/拣选 ★装配与封装 ★终测
PPT课件
31
★硅片制备 在这一阶段，将硅从沙中提炼并纯化，经过特 殊工艺生产适当直径的硅锭，然后将硅锭切割。
沪科版初中九年级物理 半导体 ppt课件
学习目标
材料的导电性
半导体元件
半导体材料的应用
巩固练习
第二节
半导体
本课小结
一、材料的导电性 1、导体和绝缘体 2、半导体 3、导体和绝缘体并没有绝对界限 二、半导体元件 1、各种半导体元件：半导体二极管、三极 管及集成电路 2、二极管的单向导电特性 3、半导体元件的特性 三、半导体的应用
学习目标
材料的导电性
学习目标
材料的导电性
半导体元件
半导体材料的应用
巩固练习
第二节
半导体
三、半导体材料的应用
1、太阳电池
当光照到某些半导体时，半导体内将会产生电流．太阳能电
池就根据这个原理制成的．
学习目标 材料的导电性 半导体元件
半导体材料的应用
巩固练习
第二节
半导体
三、半导体材料的应用
2、条形码扫描器
工作原理
学习目标
半导体元件
半导体材料的应用
巩固练习
第二节
半导体
巩固练习
1、家庭电路中常用铜材料做导电的元件，如导线的铜芯、灯头、灯座、 插头、插座等接头处，这是因为铜是良好的_________体。大地、油、 人体、石墨、汞、空气中，容易导电的是______________。 2、塑料、橡胶、玻璃它们都是_________体，但玻璃加热后，塑料、橡 胶烧焦后都可能变为____________ 体，导体和绝缘体并没有严格的界 限，当条件改变时绝缘体也会变为导体。 3、常用的二极管、三极管中的主要材料都是用__________体做成的。 半导体有很多特性，如单向导电性、热敏性、光敏性、压敏性等，有些 半导体受光照射时还会产生电流，太阳电池就是一例。 4、空气会导电吗？请举例说明。 5、如果把半导体二极管与灯泡串联后再接入交流电路，灯泡会亮吗？ 6、压敏电阻受到的压力增大时，电阻会随之变小。试利用压敏电阻设 计一个可以表示汽车油箱内油量多少的示意图。(油量表可用电流表)
《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。
半导体材料总结ppt课件
(一)、半导体材料特性(5学时)
1.半导体材料的发展趋势
2.半导体材料的分类ຫໍສະໝຸດ 3.半导体材料的基本性质及应用
4.实例说明如何运用半导体材料知识开展实验设
计
ppt课件.
1
1
2. 半导体材料的分类
禁带宽度的不同，又可分为： 窄带隙半导体材料：Si，Ge 宽带隙半导体材料：GaN，ZnO，SiC，AlN
ppt课件.
23
23
GaAs电学性质
电子迁移率高达 8000cm2 VS
GaAs中电子有效质量为自由电子的1/15， 是硅电子的1/3
用GaAs制备的晶体管开关速度比硅的快 3~4倍
高频器件，军事上应用
ppt课件.
24
24
本征载流子浓度
T 3 0 0 K n i 1 .3 1 0 6/c m 3
化学组分和结构的不同，又可分为： 元素半导体、化合物半导体、固溶体半导体、非晶半导 体、微结构半导体、有机半导体和稀磁半导体等
使用功能的不同，可分为： 电子材料、光电材料、传感材料、热电致冷材料等
ppt课件.
2
2
ppt课件.
3
3
按功能和应用
光电半导体
热电半导体
微波半导体 气敏半导体 微电子半导体
ppt课件.
6
6
（1）半导体材料结构
晶体： 有规则对称的几何外形； 物理性质(力、热、电、光…)各向异性； 有确定的熔点； 微观上，分子、原子或离子呈有规则的周期性 排列，形成空间点阵(晶格)。
简单立方晶格
面心立方晶格
Au、Ag、Cu、Al…
ppt课件.
体心立方晶格 Li、Na、K、Fe…
六角密排晶格 Be，Mg，Zn，Cd…
1.半导体材料的发展趋势
2.半导体材料的分类ຫໍສະໝຸດ 3.半导体材料的基本性质及应用
4.实例说明如何运用半导体材料知识开展实验设
计
ppt课件.
1
1
2. 半导体材料的分类
禁带宽度的不同，又可分为： 窄带隙半导体材料：Si，Ge 宽带隙半导体材料：GaN，ZnO，SiC，AlN
ppt课件.
23
23
GaAs电学性质
电子迁移率高达 8000cm2 VS
GaAs中电子有效质量为自由电子的1/15， 是硅电子的1/3
用GaAs制备的晶体管开关速度比硅的快 3~4倍
高频器件，军事上应用
ppt课件.
24
24
本征载流子浓度
T 3 0 0 K n i 1 .3 1 0 6/c m 3
化学组分和结构的不同，又可分为： 元素半导体、化合物半导体、固溶体半导体、非晶半导 体、微结构半导体、有机半导体和稀磁半导体等
使用功能的不同，可分为： 电子材料、光电材料、传感材料、热电致冷材料等
ppt课件.
2
2
ppt课件.
3
3
按功能和应用
光电半导体
热电半导体
微波半导体 气敏半导体 微电子半导体
ppt课件.
6
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（1）半导体材料结构
晶体： 有规则对称的几何外形； 物理性质(力、热、电、光…)各向异性； 有确定的熔点； 微观上，分子、原子或离子呈有规则的周期性 排列，形成空间点阵(晶格)。
简单立方晶格
面心立方晶格
Au、Ag、Cu、Al…
ppt课件.
体心立方晶格 Li、Na、K、Fe…
六角密排晶格 Be，Mg，Zn，Cd…
半导体物理 半导体的光学性质
c
的物理意义：光在介质中传播距离为 1 时，光的强度
衰减到原来的 1 e 。
➢ 反射率与透射率的关系：
T 1-R
R：反射率 T：透射率
(10.11)
§10.2 本征吸收
一、光在电介质中传播时强度衰减的现象，称 为光吸收
电子吸收光子能量后 将跃迁
（即能量状态改变）
1.不同能带的状态之间； 2.同一能带的不同状态之间； 3.禁带中能级与能带之间。
2.间接禁带半导体中，仍可能发生直接跃迁。Ge吸收谱 的肩形结构的解释，P306，图10.8。
3.重掺杂半导体（如n型），Ef进入导带，低温时，Ef以 下能级被电子占据，价带电子只能跃迁到Ef以上的状态，因而 本征吸收长波限蓝移，即伯斯坦移动(Burstein-Moss效应)。
4.强电场作用下，能带倾斜，小于Eg的光子可通过光子 诱导的隧道效应发生本征跃迁，既本征吸收长波限红移，即弗 朗兹-克尔德什（Franz-Keldysh）效应。
A
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
0
k 上位于同一垂线上，因而这种跃迁称为直接跃
迁。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，相当于任何一个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
电子、光子和声子共同参与跃迁过程。
能量守恒：h E p E f Ei Eg 动量守恒：h / q k f ki
E
0
S Ef
声子角频率：
：
p
10
13
Hz，E p
的物理意义：光在介质中传播距离为 1 时，光的强度
衰减到原来的 1 e 。
➢ 反射率与透射率的关系：
T 1-R
R：反射率 T：透射率
(10.11)
§10.2 本征吸收
一、光在电介质中传播时强度衰减的现象，称 为光吸收
电子吸收光子能量后 将跃迁
（即能量状态改变）
1.不同能带的状态之间； 2.同一能带的不同状态之间； 3.禁带中能级与能带之间。
2.间接禁带半导体中，仍可能发生直接跃迁。Ge吸收谱 的肩形结构的解释，P306，图10.8。
3.重掺杂半导体（如n型），Ef进入导带，低温时，Ef以 下能级被电子占据，价带电子只能跃迁到Ef以上的状态，因而 本征吸收长波限蓝移，即伯斯坦移动(Burstein-Moss效应)。
4.强电场作用下，能带倾斜，小于Eg的光子可通过光子 诱导的隧道效应发生本征跃迁，既本征吸收长波限红移，即弗 朗兹-克尔德什（Franz-Keldysh）效应。
A
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
0
k 上位于同一垂线上，因而这种跃迁称为直接跃
迁。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，相当于任何一个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
电子、光子和声子共同参与跃迁过程。
能量守恒：h E p E f Ei Eg 动量守恒：h / q k f ki
E
0
S Ef
声子角频率：
：
p
10
13
Hz，E p
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.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
7
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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8
9.2 本 征 吸 收
c
hc
h
1.24
h (eV)
[μm]
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9
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。
Eg Eg
d C( Eg )3/ 2
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18
图9.5 直接跃迁吸收系数与光子能量的关系曲线
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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
Ey
Ey0 exp i
t
nx c
exp
c
x
I x Ey 2
2 / c
I (x) I0e x
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4
9.1 半导体的光学常数
n2
1 2
r
1
2 2 2
1/ 2
1
2
1 2
r
1
2 2
2
1/ 2
1
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5
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。
长波吸收限：
0
1.24 E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 ,
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
1
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。
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。
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9.1 半导体的光学常数
Ey
Ey0 exp i
t
x v
v c / nc
nc n i
1 v
n c
i
c
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3
9.1 半导体的光学常数
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
Ep )2 / KT
)
( Eg Ep )2 exp(Ep / KT ) 1
,
i
A( Eg EP )2 exp(Ep / KT ) 1
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9.2 本 征 吸 收
h Eg h 0
0
c
0
hc
h 0
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。
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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。
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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