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固体光学2.doc
第五章 杂质和缺陷的光谱
有不少固体是结构敏感的,它们许多性质不仅决定于固体的基体结构,还与固体中占很小百分比的杂质或缺陷有密切的关系。半导体便是这类同体的典型一族。
大多数情况下,在半导体或电介质当中的杂质和缺陷,与基体的原子相比.其浓度要小得多。这些杂质或缺陷一般在固体能带结构的禁带当中引入非本征的、分立的能级,具有定域的电子波函数。当然,若加入的别种原了多到一定程度,便不能简单地把它们看作杂质,这时将形成固溶体、合金或化合物等。同样,若缺陷多到一定程度,晶格无序很厉害,就不宜把之看作分立的点缺陷了。晶格无序进 一 步发展下去,最后可变为无定形态,或称非晶态。固溶体、合金、化合物以及无定形材料的光学性质,自然与纯晶体颇不相同。
至于杂质和缺陷对固体的光学性质的影响,只有在本征光学效应很小的条件下才容易显现出来.杂质或缺陷的光谱通常是叠加在固体基体原有的光谱的.一般而言,由于固体基体原有的介电常数ε有明显的数值,故杂质和缺陷对ε的影响不大.至于电导率σ,由于金属的σ在通常的光频范围内已具有颇大的值,杂质和缺陷对金属的σ的贡献也不大;但是,对于绝缘体或半导体,当光子能量hμ小于固体的禁带宽时基体的σ(以及相应的吸收系数)接近于零,这时杂质和缺陷便可以对σ有可观的贡献.例如,1015cm-3的杂质或缺陷能引起数量级为1cm-1 的吸收系数,而本征吸收与之相比要大5个或6个数量级,但对于小于禁带宽、末产生本征吸收的光频范围,杂质和缺陷的跃迁便能产生可观的效应,可通过精密实验测量出来。
本章介绍几类重要的杂质缺陷光谱,各有其特点和一定的典型性.类氢能级是一类松束缚态,这时只需考虑电子与光子的互作用,不用计及声子的影响,可以用较简单的类氢模型来加以描述和分析。紧束缚态能级与类氢能级不同,其波函数定域性很强,有关的理论也较复杂,一般而言,其光谱与杂质元素本身的原子能级有密切关系.色心是—类能赋给固体以一定颜色的缺陷,分析其光谱时除了考虑光子与电子的互作用外,还要考虑晶格振动的作用.
现代对固体中的杂质和缺陷的研究范围很广,如深能级杂质、杂质缺陷复合体等等,本书不准备一一加以介绍.本章介绍的几类杂质缺陷光谱的基础知识和基本概念,有助于了解和分析更复杂的杂质缺陷情况.
5-1类氢能级谱
硅和锗半导体中,Ⅲ族杂质(如B、Al、Ga、In)与Ⅴ族杂质(如P、As、Sb、Bi)分别是受主与施主,它们产生的定域态均相应于类氢能级.Kohn曾写过一篇关于硅与锗中类氢能级的评述性文章。
类氢能级光谱与氢原子光谱很相似,由一系列满足一定关系式的谱线组成.氢原子中—个电子围绕原子核(即质子)运动,而类氢能级杂质情况下是一个电子(或者一个空穴)围绕固体中某一正电荷(或者负电荷)运动.两者不同之处在于后音处在固体之中,受固体其他原子和电子的影响.具体的影响主要有两点:—是在ε/ε0不等于1的介质中,二是电子(或空穴)的有效质量m﹡
其中Wn是能级相对于能带边的位置,m﹡是在带边处载流子的有效质量(对于施主,它是电子有效质量;对于受主,它是空穴有效质量),Ke是相对介电常数,等于,WH是氢原子电离能,WH=13.6Ev,n是正整数.即n=1,2,3,…
从式(5-1)可看出,类氢能级与氢能级不同之处在于m﹡与Ke两个因素.但是,介电常数的影响为什么与KE的平方项成反比、而不是与Kc成反比呢?这一点读者可思考—下(注意波函数半径的变比).
由于固体中有效质量m﹡常常是各向异性的,因此考虑了各向异性有效质量条件下得到的更精确的解,比式(5-1)有更复杂的形式,这里不去详述.半导体中的空穴能带常常是简并的,具有轻空穴带与重空穴带,式(5-1)中的m﹡也可看成两种空穴综合贡献所对应的有效质量。
图5-1是Burstein等在低温下测得的Si中B、Al和In的吸收谱。由图可见,硅中每种杂质的谱都有几根谱线,并且在光子能量高一些的地方出现连续谱。前者对应于从杂质基态到激发态的跃迁,后者则是从杂质基态到能带(连续态)的跃迁。到连续态的跃迁产生可动的载流子,引起光电导;而到定域的激发态的跃迁则不能产生光电导。
图5-2是Si中P、As、Sb的能级测定值与用类氢模型算出的能级值得对比。图中最低的能级是杂质基态,即n=1.由图5-2可见,在这点上理论值与实验值有比较大的差别,并且不同元素的杂质的能级实验值也不同,As的最低,Sb的最高。请注意,类氢模型的有效质量理论仅仅区别杂质是施主抑或受主,而不区分它们是那种元素的原子。对于激发态,即n≥2,则理论与实验相符较好。为什么激发态的理论结果比基态的要好呢?考虑一下杂质定域态波函数的空间分布范围。便会得到答案.按照类氢模型的理论,波函数的半径为
(5-2)
式中rH是氢原子基态的波函数半径.即玻
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