2007同济大学电科课件 半导体与量子力学 半导体光电性质.ppt

半导体的光学性质和光电与发光现象 半导体的光学常数 与光吸收 半导体的光电导现象 半导体的光生伏特效应 半导体发光 半导体激光器 半导体的光学性质 半导体的光学系数 固体对光的吸收过程，通常用折射率、消光系数和吸收系数来表征。这些参数与固体电学常参数之间的关系，可用经典的电动力学理论导出。 一般地，光的衰减和光强度成指数关系： 比例系数α和光强度无关，称为媒介的吸收系数 半导体的光吸收 概念： 光在导电媒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地吸收光能，吸收系数的数量级可达105 实际晶体中是连续的能带，因而光吸收也就表现为连续的吸收带 本征吸收 电子由带与带之间的跃迁所形成的吸收过程称为本征吸收。本征吸收，光子能量必须等于或大于禁带宽度： 由此确定的波长或特定频率，称为半导体的本征吸收限 直接跃迁和间接跃迁 跃迁选择定则:电子吸收光子跃迁过程，满足能量和动量守恒。 k’－k=光子动量。因吸收的光子动量远小于能带中电子的动量，光子动量可忽略不计，即电子吸收光子产生跃迁时波矢保持不变。 直接跃迁：电子在跃迁过程中波矢保持不变，原来在价带中某一状态的电子只能跃迁到导带中具有相同k的状态，即在E(k)曲线上位于同一垂线上。 直接跃迁中所吸收光子的能量与跃迁前后两状态的垂直距离相对应。显然，对应于不同的k值，垂直距离各不相等。就是说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，才可能产生电子跃迁。所以本征吸收形成一个连续吸收带，并具有—长波吸收限。因而从光吸收的实验，也可求得禁带宽度值。 直接带隙半导体在本征吸收过程中，产生电子的直接跃迁。 非直接跃迁(间接跃迁)：电子在跃迁中吸收光子外还与晶格交换能量 间接带隙半导体的导带和价带极值不都对应于相同的波矢。如Si、Ge材料，价带顶位于k空间原点，而导带底则不在k空间原点。 非直接跃迁过程中，电子不仅吸收光子，同时还和晶格交换一定的振动能量，即放出或吸收一个声子。能量转换关系应该考虑声子的能量。 非直接跃迁过程是电子、光子和声子三者同时参与的过程，能量关系为： ?E=hv0±Ep hv0表声子的能量，Ep为声子的能量，“十”号吸收声子，“一”号发射声子。 声子的能量非得小（百分之几电子伏特），可以忽略不计。电子在跃迁前后能量差近似等于所吸收的光子能量。 直接跃迁和非直接跃迁相同的能量关系均可表示为： ?E=?(k’－k)=hv0＝Eg 声子也具有能量和准动量。波矢为q的格波。在非直接跃迁过程中,伴随声子的吸收或发射，动量守恒关系得到满足： ?(k’－k)=hv0±?q 略去光子动量，电子的动量变化等于声子动量，则(k’－k)=±q 在非直接跃迁过程中，伴随发射或吸收适当的声子，电子的波矢k得以改变。或电子吸收光子实现由价带顶跃迁到导带底身状态时，必须吸收或发射一个的声子q=±(k’－k)。 光的本征吸收过程中，只存在电子和电磁波的作用，则只发生直接跃迁；如果存在电子与晶格的相互作用而发射或吸收声子，则是非直接跃迁。 间接跃迁的吸收过程，一方面依赖于电子与电磁波的相互作用，另一方面还依赖于电子与晶格的相互作用。发生间接跃迁几率比直接跃迁的几率小得多，因此间接跃迁的光吸收系数比 直接跃迁成数量级减小。 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，还可以了解能带的复杂结构，作为区分直接带隙和间接带隙半导体的重要依据 Ge和Si是间接带隙半导体，光子能量为Eg时，本征吸收开始。随着光子能量的增加，吸收系数首先上升到一段较平缓的区域，这对应于间接跃迁；向更短波长方面，随着光子能量增加，吸收系数再一次陡增，发牛强烈的光吸收，表示直接跃迁的开始。而GaAs是直接带隙半导体，光子能量大于禁带宽度，就有强烈吸收，吸收系数陡峻上升，反映出直接跃迁过程。 其它吸收过程 大于本征吸收限波长的光波在半导体中也能被吸收。这说明除了本征吸收外，还存在着其它的光吸收过程：主要有激子吸收、杂质吸收、自由载流子吸收等。 激子吸收：晶体在本征连续吸收光谱出现以前，即hvEg时，就己出现一系列吸收线，而且这种吸