半导体物理 半导体的光学性质
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
p
光子角频率：： 2c / 1015 Hz，E
声子波矢：q： / a 107 cm1
光子波矢：2 / ： 104 cm1
所以 E p h，h / q，则有
Eg
0 Ei
000
111
a
Ge的能带
h Eg
间接带间跃迁所涉及的光子能量仍然接近禁带宽度
q k f ki
间接跃迁为一个二级过程（电子与光子作用，电子与声子作 用），因此其发生概率比直接跃迁小得多，相应的吸收系数也 小。
间 1 103 cm1；直 104 106 cm1
吸收系数的理论表达式为：
A
h Eg E p
2
h Eg E p
2
h
exp
2
exp
Ep kT
1
1
exp
Ep kT
0
h Eg E p Eg E p h Eg E p h Eg E p
四、补充
1.直接带隙半导体中，涉及声子发射和吸收的间接跃迁 也可能发生。主要是涉及光学声子，发射声子过程，吸收应发 生在直接跃迁吸收限短波一侧。吸收声子过程发生在吸收限长 波一侧，可使直接跃迁吸收边不是陡峭地下降为零。
二、直接跃迁
电子跃迁要求满足两个守恒：能量守恒，准动量守恒。
电子的跃迁有光子参与,
当电子的初E、kk''末 k态E波kh矢/ 分h别c /为k k和k'，光光子子的波动量长为，则
对于典型半导体（假定Eg≈1eV），引起本征吸收的光子波长
为：
0 1.24m
光子波矢为：
k
2 0
5 104 cm1
研究本征吸收的意义：
研究半导体的本征吸收光谱，不仅可以根据吸收限决 定禁带宽度Eg，还有助于了解能带的复杂结构，也可作为 区分直接带隙和间接带隙半导体的重要依据。
原子间距
电子的波矢在Brillioum区中，线度为：2 / a 108 cm1，可见：
光子准动量 电子准动量；所以 k k，即只有光子参与跃
迁时，电子跃迁前后的波矢不变，称为直接跃迁或竖直跃迁。
E
电子吸收光子产生跃迁时波矢保持不变（电子
B
能量增加）。这就是电子跃迁的选择定则。为
Eg h 了满足选择定则，以使电子在跃迁的过程中波
光电效应：光电器件的基础； 光学方法：研究能带结构及特性参数的手段。
➢ 半导体吸收系数：p.293
角频率为 的平面电磁波，沿固体中x方向传播时，电场强度：
E y
E 0
expi
t
nx c
exp
x
c
(10.11)
光强： I ( x ) I e( x ) 0
(10.12)
称为吸收系数： ＝2
形成一个连续吸收带，并具有一个长波吸收限：
0
hc Eg
1.24 Eg
[m]
因而从光吸收的测量，也可求得禁带宽度。
E B
Eg h
A
理论计算可得：在直接跃迁中，对任何k 值的跃迁都是允许的，则吸收系数与光子 能量关系为：
h A h Eg 1/2，h Eg
0，
h Eg
0
k A基本为一常数。
第十章 半导体的光学性质
• 半导体的光学性质是半导体物理性质的最主 要的方面之一。
• 半导体光电效应是各种光电器件的基础。 • 光学方法是研究半导体的能带结构和检测材
料参数的一种重要手段。
第十章 半导体的光学性质
● 10.2 ● 10.3 ● 10.4 ● 10.5 ● 10.6
本征吸收 激子吸收和其它吸收过程 光电导 丹倍效应和光磁效应 光生伏特效应
1、本征吸收：电子由价带向导带的跃迁所引起的光吸收。它 是最重要的吸收，又叫基本吸收。
本征吸收产生电子-空穴对，从而引起光电导。
2、本征吸收限：
h h 0 Eg，
0，0为
本
征吸收限
。cm
1
100 75
0 :引起本征吸收的最低频率限；
50
0：本征吸收长波限
25
0
hc Eg
1.24 Eg
[m]
0 4 8 12 16
( m )
3、吸收谱：
图10.2 InSb的吸收谱
吸收系数与h或的关系
I x I0ex； 为吸收系数，光在介质中传播1 / 长度时，光
强衰减为原来的 1 / e。 4、吸收边：吸收限附近的吸收谱。
吸收曲线在短波段陡峭上升，是半导体吸收谱的一个突出特点, 标志着本征吸收的开始。
5、本征吸收：直接跃迁 间接跃迁
k 0处的跃迁几率不为零的跃迁，称为允许跃迁。
(图10.4，p300)
某些材料，k 0的跃迁几率为零，称为禁戒跃迁，但其它k值处
直接跃迁允许，这时h h Eg 3 2
直接跃迁吸收 系数与光子能
或
2
或 2
量的关系：
（10.42）
直线
2
2
Eg
h
0
外推可确定Eg
Eg
h
三、间接跃迁
间接带隙半导体：Si, Ge, GaP
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
p
光子角频率：： 2c / 1015 Hz，E
声子波矢：q： / a 107 cm1
光子波矢：2 / ： 104 cm1
所以 E p h，h / q，则有
Eg
0 Ei
000
111
a
Ge的能带
h Eg
间接带间跃迁所涉及的光子能量仍然接近禁带宽度
q k f ki
间接跃迁为一个二级过程（电子与光子作用，电子与声子作 用），因此其发生概率比直接跃迁小得多，相应的吸收系数也 小。
间 1 103 cm1；直 104 106 cm1
吸收系数的理论表达式为：
A
h Eg E p
2
h Eg E p
2
h
exp
2
exp
Ep kT
1
1
exp
Ep kT
0
h Eg E p Eg E p h Eg E p h Eg E p
四、补充
1.直接带隙半导体中，涉及声子发射和吸收的间接跃迁 也可能发生。主要是涉及光学声子，发射声子过程，吸收应发 生在直接跃迁吸收限短波一侧。吸收声子过程发生在吸收限长 波一侧，可使直接跃迁吸收边不是陡峭地下降为零。
二、直接跃迁
电子跃迁要求满足两个守恒：能量守恒，准动量守恒。
电子的跃迁有光子参与,
当电子的初E、kk''末 k态E波kh矢/ 分h别c /为k k和k'，光光子子的波动量长为，则
对于典型半导体（假定Eg≈1eV），引起本征吸收的光子波长
为：
0 1.24m
光子波矢为：
k
2 0
5 104 cm1
研究本征吸收的意义：
研究半导体的本征吸收光谱，不仅可以根据吸收限决 定禁带宽度Eg，还有助于了解能带的复杂结构，也可作为 区分直接带隙和间接带隙半导体的重要依据。
原子间距
电子的波矢在Brillioum区中，线度为：2 / a 108 cm1，可见：
光子准动量 电子准动量；所以 k k，即只有光子参与跃
迁时，电子跃迁前后的波矢不变，称为直接跃迁或竖直跃迁。
E
电子吸收光子产生跃迁时波矢保持不变（电子
B
能量增加）。这就是电子跃迁的选择定则。为
Eg h 了满足选择定则，以使电子在跃迁的过程中波
光电效应：光电器件的基础； 光学方法：研究能带结构及特性参数的手段。
➢ 半导体吸收系数：p.293
角频率为 的平面电磁波，沿固体中x方向传播时，电场强度：
E y
E 0
expi
t
nx c
exp
x
c
(10.11)
光强： I ( x ) I e( x ) 0
(10.12)
称为吸收系数： ＝2
形成一个连续吸收带，并具有一个长波吸收限：
0
hc Eg
1.24 Eg
[m]
因而从光吸收的测量，也可求得禁带宽度。
E B
Eg h
A
理论计算可得：在直接跃迁中，对任何k 值的跃迁都是允许的，则吸收系数与光子 能量关系为：
h A h Eg 1/2，h Eg
0，
h Eg
0
k A基本为一常数。
第十章 半导体的光学性质
• 半导体的光学性质是半导体物理性质的最主 要的方面之一。
• 半导体光电效应是各种光电器件的基础。 • 光学方法是研究半导体的能带结构和检测材
料参数的一种重要手段。
第十章 半导体的光学性质
● 10.2 ● 10.3 ● 10.4 ● 10.5 ● 10.6
本征吸收 激子吸收和其它吸收过程 光电导 丹倍效应和光磁效应 光生伏特效应
1、本征吸收：电子由价带向导带的跃迁所引起的光吸收。它 是最重要的吸收，又叫基本吸收。
本征吸收产生电子-空穴对，从而引起光电导。
2、本征吸收限：
h h 0 Eg，
0，0为
本
征吸收限
。cm
1
100 75
0 :引起本征吸收的最低频率限；
50
0：本征吸收长波限
25
0
hc Eg
1.24 Eg
[m]
0 4 8 12 16
( m )
3、吸收谱：
图10.2 InSb的吸收谱
吸收系数与h或的关系
I x I0ex； 为吸收系数，光在介质中传播1 / 长度时，光
强衰减为原来的 1 / e。 4、吸收边：吸收限附近的吸收谱。
吸收曲线在短波段陡峭上升，是半导体吸收谱的一个突出特点, 标志着本征吸收的开始。
5、本征吸收：直接跃迁 间接跃迁
k 0处的跃迁几率不为零的跃迁，称为允许跃迁。
(图10.4，p300)
某些材料，k 0的跃迁几率为零，称为禁戒跃迁，但其它k值处
直接跃迁允许，这时h h Eg 3 2
直接跃迁吸收 系数与光子能
或
2
或 2
量的关系：
（10.42）
直线
2
2
Eg
h
0
外推可确定Eg
Eg
h
三、间接跃迁
间接带隙半导体：Si, Ge, GaP