半导体光学

W ab if
ni
(Ei
)n
f
(E f
)
i, f
利用有效质量近似，可以推导出吸收系数为：
(E)
AW
(2 )3/ 2 2 23
(E
Eg )1/ 2
A (E
Eg )1/ 2
• 对于n=4,电子和空穴的有效质量采用自由电子的质量可以得到：
• () 2•104 ( Eg )1/2 cm1
吸收系数与能量的关系服从1/2次方律，由吸收光谱可以得到带隙Eg， 称为光学带隙。因为光学跃迁受选择定则的限制，用吸收变确定的 光学带隙，与实际的能隙可能有所差别，但是一种常用的确定带隙 的方法。
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➢ 电子吸收光子的跃迁过程，除了能量必须守恒外，还 必须满足动量守恒
hK’-hk=光子动量
➢ 直接跃迁与直接带隙半导体 ➢ 间接跃迁与间接带隙半导体
图10 直接跃迁与间接跃迁的示意图
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直接跃迁的吸收光谱的计算推导如下：
一个吸收过程可以表示为：
() A
➢ 提高光存储密度。DVD的光存储密度与作为读写器件的半导体激 光器的波长平方成反比，如果DVD使用GaN基短波长半导体激光 器，则其光存储密度将比当前使用GaAs基半导体激光器的同类产 品提高4－5倍，因此，宽禁带半导体技术还将成为光存储和处理 的主流技术。
➢ 改善军事系统与装备性能。高温、高频、高功率微波器件是雷达、 通信等军事领域急需的电子器件，如果目前使用的微波功率管输 出功率密度提高一个数量级，微波器件的工作温度将提高到300℃， 不仅将大大提高雷达（尤其是相控阵雷达）、通信、电子对抗以 及智能武器等军事系统与装备的性能，而且将解决航天与航空用 电子装备以及民用移动通信系统的一系列难题
彼此位移四分之一空间对角线长度套构而成
➢ 原子之间依靠共价键结合，但有一定的离子键成分 ➢ 硫化锌、硒化锌、硫化镉、硒化镉等都可以闪锌矿和
纤锌矿两种类型结晶 ➢ 离子性占优，则倾向于构成纤锌矿结构
图2 闪锌矿结构示意图
图3纤锌矿结构示意图
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➢半导体中的能带
➢ 电子将可以在整个晶体中运动，称为电子的共有化运 动
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第三代半导体材料：氮化镓，氧化锌
➢ 以高亮蓝光发光二极管（LED）和蓝光激光器的为标 志
➢ 禁带宽度大、击穿场强高、饱和电子迁移速率高、热 导率大、介电常数小、抗辐射能力强，以及良好的化 学稳定性
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➢ 实现半导体照明。国内外倍加关注的半导体照明是一种新型的高 效、节能和环保光源，将取代目前使用的大部分传统光源，被称 为21世纪照明光源的革命，而GaN基高效率、高亮度发光二极管 的研制是实现半导体照明的核心技术和基础。
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➢半导体材料是信息时代的原动力和发动 机,是现代高科技的核心与先导。
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半导体材料发展迅速
第一代半导体材料：硅，锗
➢ 推动集成电路为核心的微电子工业的发展 ➢ 推动 IT产业的飞跃 ➢ 在集成电路中，>99％用硅 ➢ 硅、锗基本物理参数
晶格常数 原子密度 共价半径 • 硅：0.543089nm 5.00×1022 0.117nm • 锗：0.565754nm 4.42×1022 0.122nm
➢ 相似壳层间转移，最外层电子的共有化运动显著 ➢ 绝缘体、半导体和导体的能带有区别
4 图4 原子能级分裂为能带示意图
图5 绝缘体、半导体和导体的能带示意图
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➢半导体中的杂质与缺陷能级
➢ 实际的半导体材料中,总是存在偏离理想情况
✓ 原子不是静止在具有严格周期性的晶格的格点位置上,而是在其平 衡位置附近振动
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➢ 显然，要发生本征吸收，光子能量必须等于或大于半 导体的禁带宽度，即： hν ≥ hν0 = Eg hν0是能够引起本征吸收的最低限度光子能量。也就是 说，在本征吸收光谱中，必然在低频方面存在一个频 率界限ν0（或者在长波方面存在一个波长界限λ0）。 当频率低于ν0或波长大于λ0时，不可能产生本征吸收， 吸收系数将会迅速下降。这种吸收系数显著下降的特 定波长λ0（或特定频率ν0），称为半导体的本征吸收 限。根据半导体材料的不同的禁带宽度Eg，可算出相 应的本征吸收长波限。 λ0 = 1.24(μm)/Eg(eV)
✓ 半导体材料并不是纯净的,而是含有若干杂质 ✓ 实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的,而是存在各种型式的缺
陷
➢ 杂质半导体中以两种方式存在
✓ 位于晶格原子间的间隙位置，称为间隙杂质（杂质原子小） ✓ 取代晶格原子而位于晶格格点处，称为替位杂质（杂质、晶格原
子大小相近）
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➢ 通过施放电子而产生导电电子并 形成正电中心，称为施主杂质
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• 第二代半导体材料:砷化镓,磷化铟
➢ GaAs是目前最主要的高速和超高速半导体器件 ➢ 几乎垄断手机制造中的功放器件市场 ➢ InP作为光纤通讯的关键光电部件应用在激光源、光纤放
大器、多路复用和信号分离器件 ➢ 第二代半导体材料的主要应用还包括红外激光器和高亮
度的红色发光二极管等
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本征吸收
理想半导体在绝对零度时，价带是完全被电子占满的， 因此价带内的电子不可能被激发到更高的能级。唯一有 可能的吸收是足够能量的光子使电子激发，越过禁带跃 迁入空的导带，而在价带中留下一个空穴，形成电子空穴对。这种由带与带之间的跃迁所形成的吸收过程称 为本征吸收。
图9 本征吸收的示意图
➢ 通过接受电子而产生导电空穴并 形成负电中心，称为受主杂质
➢ 施主和受主杂质之间还会发生相 互抵消的作用，称为杂质的补 图6 施主能级和施主电离的示意图 偿作用
图7 受主能级和受主电离的示意图
图8 杂质的补偿作用示意图
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半导体的光学性质
➢半导体的光吸收
➢ 本征吸收 ➢ 激子吸收 ➢ 自由载流子吸收 ➢ 杂质吸收 ➢ 晶格振动吸收
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半导体中的基本概念
➢半导体的晶格结构
➢ 硅、锗等半导体材料属于金刚石型结构 ➢ 两个面心立方晶胞沿空间对角线长度套构而成 ➢ 共价晶体
图1 金刚石结构示意图 博士研究生专业课课程论文
➢ Ⅲ－Ⅴ族化合物绝大多数具有闪锌矿型结构 ➢ 由两类原子各自组成的面心立方晶格，沿空间对角线