第十章半导体的光学性质和光电....ppt

半导体的光学常数 设均匀不带电的介质的复折射为 ，磁导率m=m0（对于光学中所讨论的大多数固体材料，相对磁导率mr=1)，介电常数e=ere0，电导率s，则光（频率为w）在中传播时，有以下关系： 以上公式中n0为折射率，k为消光系数。 反射率 当光照射到介质的界面时，或多或少会发生反射。反射光强与入射光强之比称为反射率。当光从空气垂直人射到介质表面时，可以得出反射率R为 对于吸收很弱的材料，k很小，反射率R比纯电介质的稍大。对于金属，由于k很大，R很接近于1。 透射率 在介质的界面上，除了光的反对外，还有光的透射，透射光强与入射光强之比称为透射率。若不考虑光的吸收，则在界面上透射率T与反射率满足下式： T=1-R 一般情况下，光透过一定厚度的介质时，透射率与反射率之间有以下的关系： 吸收系数 上式中的a称为吸收系数，它与消光系数的关系为 吸收系数的物理意义：光在介质中传播距离1/a时，光的强度衰减到原来的1/e。 对于电介质材料，消光系数趋于０，光在这类材料中没有被吸收，因此材料是透明的。 在金属和半导体中，消光系数不为0，即存在光吸收，光的强度随着透入深度的增加按指数规律衰减，即 半导体的光吸收吸收 半导体材料中的电子吸收光子的能量，从能量较低的状态跃迁到能量较高的状态。这种跃迁可以发生在：1、不同的能带之间；2、同一能带的不同状态之间；3、禁带中的分立能级之间；4、禁带中的分立能级和能带之间。 以上各种吸收引起不同的吸收过程。 本征吸收 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，称为本征吸收或基本吸收．这种吸收伴随着电子-空穴对的产生，使半导体的电导率增加，即产生光电导。显然，引起本征吸收的光子能量必须等于或大于禁带宽度，即 对应的波长称为本征吸收限。根据上式，可得出本征吸收长波限的公式为 吸收谱与吸收边 吸收系数对光子能量（或波长）的依赖关系称为吸收谱。 本征吸收限可在吸收谱中明显地表现出来。吸收系数曲线在短波端陡峭地上升，是半导体吸收谱突出的一个特点。它标志着本征吸收的开始。 通常把吸收限附近的吸收谱称为吸收边。它相应于电子由价带顶附近到导带底附近的跃迁。 直接跃迁 电子在跃迁过程中，除了能量必须守恒外，还必须满足准动量守恒。设电子的初态和末态的波矢分别为k和k’，则应有 若电子在跃迁前后的波矢可以认为保持不变，则这种跃迁称为直接跃迁。这种跃迁过程相当于电子由价带竖直地跃迁到导带，所以也称为垂直跃迁。 对下图那样的能带结构，直接跃迁的吸收系数为 这种能带结构称为直接能隙半导体材料。 间接跃迁 若导带底和价带顶位于k空间的不同位置，例如在Si和Ge中，那么任何竖直跃迁所吸收的光子能量都应该比禁带宽度大。 但实验指出，引起本征吸收的最低光子能量还是约等于Eg。 推论：除了竖直跃迁之外，还存在另一类跃迁过程：由价带顶向具有不同ｋ值的导带底的跃迁。 在这种跃迁过程中，电子的准动量变化很大。由于光子的动量很小，所以必须吸收或发射声子才能满足准动量守恒。设声子的波矢为ｑ，略去光子的动量，准动量守恒由下式给出： ? 如果用ＥＰ表示声子的能量，则能量守恒可表示为 吸收系数 在以上二式中，正号和负号分别对应于吸收和发射声子的过程。 这种除了吸收光子之外还要吸收或发射声于的跃迁，称为间接跃迁或非竖直跃迁。相应的材料称为间接能隙半导体材料。 由于声子的能量很小，一般不超过百分之几电子伏特，所以间接带间跃迁所涉及的光子能量仍然接近禁带宽度。 吸收谱线 不难看出，如果以 为纵坐标，以光子能量为横坐标，则吸收谱线应为两条直线 对应横坐标上的两个截距，分别为Eg-Ep和Eg+Ep。 由此可以求出禁带宽度和声子的能量。 间接跃迁材料的缺点 实际上在直接禁带半导体中，涉及声子发射和吸收的间接跃迁也可能发生，即直接禁带半导体中也会发生间接跃迁。同样，在间接禁带半导体中，也可能发生直接跃迁。但它们不是能量最低的带间跃迁。 间接跃迁要求同时有光子和声子参加，是一个二级过程，跃迁几率要比直接跃迁的跃迁几率小得多，相应的吸收系数也较小。 因为光电器件一般均涉及电子的跃迁，因此间接能隙半导体材料一般不适宜作为光电材料，尤其不能作为发光材料。 激子吸收 在低温时发现，某些晶体在本征吸收连续光谱区的低能侧靠近吸收限附近存在一系列吸收线，并且对应于这些吸收线不伴随有光电导。 起因：激子吸收电子空穴对） 自由载流子吸收 当入射光的波长较长，不足以引起带间跃迁或形成激子时，半导体中仍然存在光吸收，而且吸收系数随着波长的增加而增加。这种吸收是自由载流子在同一能带