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半导体的光学常数和光吸收 一、半导体的光学常数 本章讨论光与半导体的相互作用时，就是用光子与晶体中电子、原子的相互作用来研究半导体的光学过程。半导体的光学常数主要有以下几个： ⑴折射率n： n=c/v,即光在真空中的相速度与光在介质中的相速度之比值。折射率不但和介质有关，还与入射光波长有关，称色散现象。 ⑵吸收系数? ：光在介质中传播时有衰减，说明介质对光有吸收。用透射法测定光在介质中传播的衰减情况时，发现介质中光的衰减率与光的强度成正比，引入比例系数?，即： ⑶反射系数R：反射系数R是界面反射能流密度和入射能流密度之比，若以 和 分别代表入射波和反射波电矢量振幅，则有： ⑷透射系数T：透射系数T为透射能流密度和入射能流密度之比，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?的介质时有： 二、半导体的光吸收 光在导电介质中传播时具有衰减现象，即产生光的吸收，半导体材料通常能强烈的吸收光能，具有105cm-1的吸收系数。对于半导体材料，自由电子和束缚电子的吸收都很重要。 价带电子吸收足够的能量从价带跃迁入导带，是半导体研究中最重要的吸收过程。与原子吸收的分立谱线不同，半导体材料的能带是连续分布的，光吸收表现为连续的吸收带。 下面介绍几种半导体的光吸收过程： 以上(a)与(b)的过程皆称为本征跃迁，或称为能带至能带的跃迁。另一方面，若hν小于Eg，则只有在禁带中存在由化学杂质或物理缺陷所造成的能态时，光子才会被吸收，如(c)所示，这种过程称为非本征跃迁。 （2）直接跃迁和直接带隙半导体 参照右图所示的一维E(k)曲线可见，为了满足选择定则，吸收光子只能使处在价带中状态A的电子跃迁到导带中k相同的状态B。A与B在E(k)曲线上位于同一竖直线上，这种跃迁称为直接跃迁。在A到B的直接跃迁中所吸收的光子能量hν与图中垂直距离相对应。就是说，和任何一个k值相对应的导带与价带之间的能量差相当的光子都有可能被吸收，而能量最小的光子对应于电子从价带顶到导带底的跃迁，其能量等于禁带宽度Eg。 本征吸收形成一个连续吸收带，并具有一长波吸收限ν0＝Eg／h。因而，从光吸收谱的测量可以求出禁带宽度Eg。在常用半导体中，III-Ⅴ族的GaAs、InSb及Ⅱ-Ⅵ族等材料，导带极小值和价带极大值对应于相同的波矢，常称为直接禁带半导体。这种半导体在本征吸收过程中发生电子的直接跃迁。 由理论计算可知，在直接跃迁中，如果对于任何k值的跃迁都是允许的，则吸收系数与光子能量的关系为： （3）间接跃迁与间接带隙半导体：诸如硅和锗的一些半导体材料，导带底和价带顶并不像直接带隙半导体那样具有相同的波矢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的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的光子吸收。这与实际情况不符。 这就意味着在本征吸收中除了有符合选择定则的直接跃迁外，还存在另外一种形式的跃迁，如右图中的O→S跃迁。在这种跃迁过程中，电子不仅吸收光子，同时还和晶格振动交换一定的能量，即放出或吸收一个或多个声子。这时，准能量守恒不再是电子和光子之间所能满足的关系，更主要的参与者应该是声子。这种跃迁被称为非直接跃迁，或称间接跃迁。 总之，半导体材料的光吸收过程中，如果只考虑电子和光子的相互作用，则根据动量守恒要求，只可能发生直接跃迁；但如果还考虑电子与晶格的相互作用，则非直接跃迁也是可能的，这是由于依靠发射或吸收一个声子，使动量守恒原则仍然得到满足。 由于间接跃迁的吸收过程一方面依赖于电子和光子的相互作用，另一方面还依赖于电子与晶格的相互作用，因此理论上这是一种二级过程。其发生概率要比直接跃迁小很多。因此，间接跃迁的光吸收系数比直接跃迁的光吸收系数小很多。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，但产生这些吸收线的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。 在这种过程中，由于光子能量hν＜Eg，受激发后的价带电子不足以进入导带而成为自由电子，仍然受到空穴的库仑场作用。实际上，受激电子和空穴互相束缚而结合在一起成为一个新的系统，称这种系统为激子，产生激子的光吸收称为激子吸收。激子中电子与空穴之间的