光吸收光子能量.pptVIP

半导体物理 Semiconductor Physics 能带内部跃迁 P型：当价带顶部为空穴占据时，可能有三种方式来吸收光子实现跃迁：1、从轻空穴带V2到重空穴带V1，2、从分裂出去的带V3到重空穴带V1，3、从V3到轻空穴带V2。 N型：导带子能带之间跃迁 在相同导带子能带不同k极小值之间的间接跃迁。 半导体物理 Semiconductor Physics 晶格吸收 在化合物半导体中，不同种类的原子间的键合形成一组电偶极子。这些偶极子可以从电磁场中吸收能量，当辐射频率等于偶极子的一个振动模式时，偶极子与辐射的耦合达到极大。发生在谱的远红外范围。 通常振动模式是复杂的，需要多声子参与，观察到的相应谱结构也很复杂 半导体物理 Semiconductor Physics 杂质振动吸收 热电子协助吸收 强电场下的吸收 有兴趣可以查阅相关书目 半导体的光吸收 庞智勇 山东大学物理学院 本幻灯片参照刘恩科等所著《半导体物理学》 【美】J.I.潘可夫，《半导体中的光学过程》 编写 半导体物理 Semiconductor Physics 半导体中的主要光吸收过程包括本征吸收、激子吸收、自由载流子吸收、晶格振动吸收、杂质吸收等 本征吸收即带间跃迁光吸收，包括直接跃迁和间接跃迁。 在研究半导体能带结构、声子结构或其它能级结构中，与光跃迁过程密切相关的吸收光谱、发光光谱等有重要意义。 半导体物理 Semiconductor Physics 探测半导体能带结构最直接的方法就是去测量其光吸收谱。在吸收过程中，一个已知能量的光子将电子由较低能态激发到较高能态。根据吸收谱或者透射谱，人们就可以得知电子可能的跃迁，并获得许多关于能态分布的信息。 可能的跃迁过程包括：能带之间的跃迁、激子跃迁、子能带之间的跃迁、杂质和能带之间的跃迁、同一能带内自由载流子的跃迁以及由于晶格和杂质振动引起的共振跃迁。 半导体物理 Semiconductor Physics 本征吸收 (基本吸收） 最基本的光吸收是从能带到能带的吸收，也就是一个电子从价带到导带的跃迁。这种由于带与带之间的跃迁所形成的吸收过程称为本征吸收。 要发生本征吸收，光子能量必须等于大于禁带宽度，即 半导体物理 Semiconductor Physics 本征吸收光谱在低频（或长波）方面存在一个频率（波长）界限。当频率低于频率界限时，不能产生本征吸收，吸收系数迅速下降。这种吸收系数显著下降的特定波长λ0（或特定频率v0）称为半导体的本征吸收限。 跟据本征吸收限可以知道半导体材料的禁带宽度。 0 4 8 12 16 λ（μm） 100 50 0 α (cm-1) 半导体物理 Semiconductor Physics 直接跃迁： 光子动量远小于电子动量，在吸收过程中，光子动量可忽略不计，电子波矢保持不变 容许直接跃迁：考虑两个直接能谷之间的光跃迁，此时，所有的动量守恒的跃迁都是允许的 半导体物理 Semiconductor Physics 禁戒直接跃迁：在有些材料中，量子选择定则禁止在k = 0处的直接跃迁，但是允许在k≠0处的直接跃迁 Х! √! 半导体物理 Semiconductor Physics 当光跃迁需要能量和动量均改变时，因为光子不可能提供动量上的改变，跃迁需要一个两步过程。通过与声子的相互作用可以达到动量守恒。需要发射或吸收一个声子。 虽然声子谱很宽，但仅仅是那些能提供所需要的动量改变的声子方能有用。通常是声学声子。 吸收声子 发射声子 间接跃迁： 半导体物理 Semiconductor Physics 对于 的情况，光吸收系数为 只能吸收声子 对于 的情况，光吸收系数为 既可吸收声子，也可发射声子 半导体物理 Semiconductor Physics 直接能谷之间的非直接跃迁 与非直接能谷间的跃迁很相似，由一个二级过程来达到动量守恒，例如声子的发射或吸收或者由杂质或载流子引起的散射。