半导体材料的光学性质[精]
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• 复折射率n=n0-ik。
从麦克斯韦电磁场理论的基础方程我们知 道，一束频率为w的电磁波在不带电的、均 匀的、各向同性的光学介质中传播时，有
n02
1 2
r
(1
2 w2 2
r 02
)1/ 2
1（ 7.1）
k2
1 2
r
wenku.baidu.com
(1
2 w2 2
图7.2为厚度为 50nm的ZnO薄膜的 紫外-可见吸收谱线。
课件在波长大于 400nm时，吸收很
小，但当波长小于 380nm时，吸收强
度迅速增加，表示 本征吸收的开始。
谢谢！
7.3 半导体中的光吸收
• 半导体材料吸收光子的能量，使电子由能量较 低的状态跃迁到能量较高的状态。
• 半导体的光吸收过程主要有以下几个大类： a）电子在不同能带之间跃迁；
• b）电子在同一能带的不同状态之间跃迁；c）电子 在禁带中的杂质缺陷能级与能带之间跃迁；d）电 子在杂质缺陷能级之间跃迁；
• 对于绝缘材料，由于电导率 0，因
此消光系数k也趋于0.这说明材料中没有 光吸收，即材料是透明的。 • 在金属和半导体中0，因此或多或少地存 在光吸收现象，即光的强度随着透入深 度的增加按指数规律衰减，用公式表示 就是：
II0exp x（ )(7） .7
II0ex 2 p w(/kc)x
T(11RR2)e2exxpp 2((dd)（ ) 7.） 5
• 它的物理意义是光在材料中传播时，强 度衰减到原来的1/e时对应的光程的倒数 。
• 如果材料由微粒组成，而且微粒的尺寸与 波长可以比拟时，那么微粒散射引起的透 射强度下降必须考虑。此时
•
T=1-R-S （7.6）
• 其中S表示散射率。一般情况下，散射强度 与波长的平方成反比。如果材料内的晶粒 足够大，那么散射引起的透射率下降可以 忽略。
• (e)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。
• (f)声子吸收：声子就是“晶格振动的简正 模能量量子”。声子吸收是材料晶格振动 所引起的能量吸收
I=I0exp(-2wkx/c)
其中I0为初始光强。
• 在空气-半导体材料的界面上，除了光的反 射外，还有光的折射，透射光强与入射光 强之比称为透射率。
• 如果不考虑材料的吸收，那么透射率T与反 射率满足：
•
T=1-R
（7.4）
• 假如材料对光的吸收系数为 ,其值等于
2wk/c，那么光透过厚度为d的薄膜材料时 ，透射率与反射率之间有以下的关系：
• 在半导体中，最主要的吸收过程是电子由 价带向导带的跃迁所引起的光吸收，即带 间吸收或本征吸收。
• 如在光电导中所提到，这种吸收伴随着电 子-空穴对的产生，使半导体的的电导率增 加，即产生光电导。
• 在半导体中，若想引起本征吸收，那么 光子能量必须等于或大于禁带宽度，即：
•
hh0Eg
• 此即本征吸收限。本征吸收限对应的波 长称为本征吸收限，或本征吸收边。
r 02
)1/ 2
1（ 7.2）
• 光作为一种电磁辐射，当其在不带电的， 电导率不等于0的各向同性导电媒质中沿着 x方向传播时:
光的传播速度决定于复折射率的实部， 为c/n0,其振幅在传播过程中按exp(-wkx/c) 的形式衰减，光的强度I则按exp(-2wkx/c) 衰减，即：
•
现代半导体物理
第七章 半导体材料的光学性质
• 7.1 半导体的光学常数 • 7.2 反射率和折射率 • 7.3 半导体中的光吸收
7.1 半导体的光学常数
• 设半导体材料的折射率为n0，消光系数为k ，相对磁导率为ur，相对介电常数为 r,
电导率为。
• 由于对于光学中所讨论的大多数固体材料 ur=1,因此磁导率u=u0。
禁带宽度与吸收边之间的转换公式为：
c
1.24 (m（ ) 7.） 8
Eg(eV)
因此当频率低于v0或波长大于本征吸收限 时不可能产生本征吸收，此时吸收系数急剧 下降。
• 吸收强度随光子能量（或波长）的变化曲 线成为吸收谱。
• 一般来说，本征吸收可在吸收谱中明显地 表现出来，特别是直接能带材料，由于吸 收系数大，吸收强度在对应禁带宽度的地 方陡峭地上升。
从麦克斯韦电磁场理论的基础方程我们知 道，一束频率为w的电磁波在不带电的、均 匀的、各向同性的光学介质中传播时，有
n02
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图7.2为厚度为 50nm的ZnO薄膜的 紫外-可见吸收谱线。
课件在波长大于 400nm时，吸收很
小，但当波长小于 380nm时，吸收强
度迅速增加，表示 本征吸收的开始。
谢谢！
7.3 半导体中的光吸收
• 半导体材料吸收光子的能量，使电子由能量较 低的状态跃迁到能量较高的状态。
• 半导体的光吸收过程主要有以下几个大类： a）电子在不同能带之间跃迁；
• b）电子在同一能带的不同状态之间跃迁；c）电子 在禁带中的杂质缺陷能级与能带之间跃迁；d）电 子在杂质缺陷能级之间跃迁；
• 对于绝缘材料，由于电导率 0，因
此消光系数k也趋于0.这说明材料中没有 光吸收，即材料是透明的。 • 在金属和半导体中0，因此或多或少地存 在光吸收现象，即光的强度随着透入深 度的增加按指数规律衰减，用公式表示 就是：
II0exp x（ )(7） .7
II0ex 2 p w(/kc)x
T(11RR2)e2exxpp 2((dd)（ ) 7.） 5
• 它的物理意义是光在材料中传播时，强 度衰减到原来的1/e时对应的光程的倒数 。
• 如果材料由微粒组成，而且微粒的尺寸与 波长可以比拟时，那么微粒散射引起的透 射强度下降必须考虑。此时
•
T=1-R-S （7.6）
• 其中S表示散射率。一般情况下，散射强度 与波长的平方成反比。如果材料内的晶粒 足够大，那么散射引起的透射率下降可以 忽略。
• (e)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。
• (f)声子吸收：声子就是“晶格振动的简正 模能量量子”。声子吸收是材料晶格振动 所引起的能量吸收
I=I0exp(-2wkx/c)
其中I0为初始光强。
• 在空气-半导体材料的界面上，除了光的反 射外，还有光的折射，透射光强与入射光 强之比称为透射率。
• 如果不考虑材料的吸收，那么透射率T与反 射率满足：
•
T=1-R
（7.4）
• 假如材料对光的吸收系数为 ,其值等于
2wk/c，那么光透过厚度为d的薄膜材料时 ，透射率与反射率之间有以下的关系：
• 在半导体中，最主要的吸收过程是电子由 价带向导带的跃迁所引起的光吸收，即带 间吸收或本征吸收。
• 如在光电导中所提到，这种吸收伴随着电 子-空穴对的产生，使半导体的的电导率增 加，即产生光电导。
• 在半导体中，若想引起本征吸收，那么 光子能量必须等于或大于禁带宽度，即：
•
hh0Eg
• 此即本征吸收限。本征吸收限对应的波 长称为本征吸收限，或本征吸收边。
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1（ 7.2）
• 光作为一种电磁辐射，当其在不带电的， 电导率不等于0的各向同性导电媒质中沿着 x方向传播时:
光的传播速度决定于复折射率的实部， 为c/n0,其振幅在传播过程中按exp(-wkx/c) 的形式衰减，光的强度I则按exp(-2wkx/c) 衰减，即：
•
现代半导体物理
第七章 半导体材料的光学性质
• 7.1 半导体的光学常数 • 7.2 反射率和折射率 • 7.3 半导体中的光吸收
7.1 半导体的光学常数
• 设半导体材料的折射率为n0，消光系数为k ，相对磁导率为ur，相对介电常数为 r,
电导率为。
• 由于对于光学中所讨论的大多数固体材料 ur=1,因此磁导率u=u0。
禁带宽度与吸收边之间的转换公式为：
c
1.24 (m（ ) 7.） 8
Eg(eV)
因此当频率低于v0或波长大于本征吸收限 时不可能产生本征吸收，此时吸收系数急剧 下降。
• 吸收强度随光子能量（或波长）的变化曲 线成为吸收谱。
• 一般来说，本征吸收可在吸收谱中明显地 表现出来，特别是直接能带材料，由于吸 收系数大，吸收强度在对应禁带宽度的地 方陡峭地上升。