半导体光电子学第7章 半导体中的光吸收和光探测.pptVIP

第七章 半导体中的光吸收和光探测 半导体对光的吸收机构大致可分为： ①本征吸收； ②激子吸收； ③晶格振动吸收； ④杂质吸收； ⑤自由载流子吸收. 参与光吸收跃迁的电子可涉及四种： ①价电子； ②内壳层电子； ③自由电子； ④杂质或缺陷中的束缚电子， 7.1 本征吸收 如果有足够能量的光子作用到半导体上，价带电子就有可能被激发到导带而形成电子一空穴对。这样的过程称为本征吸收。第一章已经提到，这种受激本征吸收使半导体材料具有较高的吸收系数，有一连续的吸收谱，并在光子振荡频率?=Eg/h处有一陡峭的吸收边，在?Eg/h(即入射光波长?1.24/Eg)的区域内，材料是相当透明的。由于直接带隙与间接带隙跃迁相比有更高的跃迁速率，因而有更高的吸收系数或在同样光子能量下在材料中的光渗透深度较小。与间接带隙材料相比，直接带隙材料有更陡的吸收边， 一、直接带隙跃迁引起的光吸收 1．允许跃迁 在外光场作用下导带电子向价带跃迁的几率为 2. 禁戒跃迁 在某些材料中(如Ge)，价带由单个原子的s态形成，而导带则由d电子态形成，跃迁选择定则禁止在k=0处发生直接带隙跃迁，但却允许在k?0处发生这种跃迁。禁戒跃迁亦表示于图7.1-2中。并且可以证明。当k=0时，跃迁几率B12=0，而当k离开零点时，跃迁几率随k2增加，即正比于(h?-Eg)。因为与直接跃迁相联系的态密度正比于(h?-Eg)1/2，所以吸收系数的光谱关系可表示为 式中f’if为在非允许的直接带隙跃迁(禁戒跃迁)情况下的振子强度。因而吸收系数可表示为 二、间接带隙跃迁引起的吸收 1．二阶微扰过程的物理描述 当导带能量最小值与价带能量最大值不对应同一k值，即kmax?kmin时，不满足动量守恒。但实验上却观察到电子在这两个能量极值之间的跃迁所引起的光吸收，因而可以判断必定有声子参与了跃迁过程，即必须通过吸收声子或发射声子才能使电子从初态“O”跃迁至终态“m”。这种间接带隙跃迁可以有两种方式来完成，如图7.1-4所示，而每种方式又均可分两步来实现。 即“O”?I?“m”或“O”?I’?“m”。(图画得有些倾斜) 在这种能带结构中，也可以发生从价带顶(k=0)至导带次能谷的竖直跃迁或直接跃迁，如图7.1-5中的箭头A表示，只是由于导带底(对应k=kmin)的能量比k=0处的导带能量小很多，则跃迁所涉及的能量比间接跃迁(图7.1-5中箭头B大．这已为很薄的纯单晶Ge片、在入射光子能量h?=0.8eV附近表现出很陡的吸收峰所证实，如图7.1-6所示。在更长波长处的吸收则是由于间接跃迁所引起，而这必须伴随着声子的发射和吸收，以满足所需的动量守恒。 2．间接吸收的吸收系数 在图7.1-4所表示的间接带隙跃迁中，两种从初态至终态的跃迁方式都必将伴随有声子的发射和吸收，在不考虑多声子吸收时，则有 经推导(p175～176) 由吸收声子所引起的吸收系数为 经推导(p175～176) 由吸收声子所引起的吸收系数为 在前面的讨论中，我们只考虑单声子过程，所作的?i1/2~h?关系曲线图如图7.1-7所示。对应每一温度的吸收曲线在横轴(h?轴)上的截距分别为Eg-Es和Eg+Es，即分别对应于吸收声子与发射声子的情况。显然在低温下发射声子是主要的。 在价带顶附近的状态与导带底附近的状态之间的跃迁(即图7.1-5中箭头B)是“禁戒”跃迁，由这种跃迁所引起的吸收系数是与过剩光子能量(h?-Eg?Es)的三次方成正比的。而如上所述，在这种能带结构中的允许跃迁(在k=0处发生竖直跃迁)所产生的吸收系数是比例于(h?-Eg?Es)2 的。 图7.1-8和图7.1-9是间接跃迁半导体Ge的基本吸收谱。由图7.1-9看出，在k空间?点和在高的光子能量作用下，仍可产生允许的直接跃迁，并得到其值不小的吸收系数。 7.2 半导体中的其它光吸收 在§7.1中所讨论的本征吸收是最重要的、基本的吸收。 在半导体中还存在许多其它吸收机构。主要的吸收： 一、激子吸收 二、自由载流子吸收 三、杂质吸收 一、激子吸收 1．概述 在发生带间跃迁时，价带电子吸收光子而激发到导带，该电子与留在价带上的空穴的库仑相互作用，使得激发到导带的电子与留在价带的空穴处于束缚状态，这种束缚态称为激子。 按这种束缚的强弱，又可将激子分为夫伦克耳(Frenkel)激子和瓦尼尔-莫特(wannier-Mott)激子。 夫伦克耳(Frenkel)激子是一种紧束缚激子，其束缚态局域于一个原子或分子。电子与空穴之间的距离|re-rh|是晶格常数量级，因而可按“紧束缚”电子处理，惰性气体晶体及碱金属卤化物等中的激子属于这种类型。 瓦尼尔-莫特(wannier-Mott)激子，其电子-