光吸收光发射.pptxVIP

半导体材料能带结构 完全纯净的结构、完整的半导体晶体称为本征半导体，在绝对零度和没有外界激发时，价带中完全充满电子，而导带中完全空着，这时即使加电场于该半导体也不会导电。当有外界激发时，价带中的电子可能获得能量跃过禁带进入导带，而在价带中留下空穴。在外加电场作用下，导带中的电子和价带中空穴就会产生定向运动而形成电流。本征半导体中载流子的分布是均匀的，即导带电子数和价带空穴数相等。这种半导体由于热运动而产生的自由电子和空穴的数量很少，导电能力差。 ‘ 在本征半导体内掺入微量杂质可使半导体导电能力发生显著变化，掺杂的本征半导体称为杂质半导体。由价电子能级分裂而成的能带叫做“价带”，有被电子填满的，也有没被电子填满的，被电子填满的价带叫“满带”。如有电子因某种因素受激进人空带，则此空带又叫“导带”。温度较高时，由于热运动可把价带中的一些电子激发到导带，这时，在价带中就形成若干空着的能态，称为“空穴” 各类固体材料的吸收光谱其具体情况可以有很大差别。通常以一个假设的半导体吸收光谱为典型例子。 固体光吸收主要特性: 本征吸收区对应于价带电子吸收光子后跃迁至导带的强吸收区，它处于紫外可见光与近红外区。这时，价带中的空穴和导带中的电子是自由的，可以在电场的作用下进行漂移，产生光电导，吸收系数可达105～106cm－1。在它的低能量端，吸收系数陡然下降，称为吸收边缘。边缘界限对应于价带电子吸收光子（hν=Eg）跃迁至导带的长波限,波长大于此限的光(hν＜Eg)不能引起本征吸收。 当光波长稍长于吸收边缘界限，若晶体是理想完整的，禁带内没有杂质或缺陷能级，这时的光吸收只能把电子激发到禁带中的某些能级上。 在低温时，这些能态是比较稳定的（衰减时间约10—5～10－6 s），这时的光吸收不产生光电导，受激电子与空穴是在同一原子（离子）上，这种电子空穴构成一个系统，称为激子。由于激子吸收，在这个区域常观察到光谱的精细结构。 当光波长增加超出本征吸收边时，吸收系数缓慢上升。这是由于电子在导带中和空穴在价带中的带内跃迁引起的，称为自由载流子吸收，它处于整个红外区和微波波段，吸收系数值是载流子浓度的函数。 在自由载流子吸收区中，当光波长处于20～50μm时，存在有入射光子和晶格振动之间的相互作用所引起的一组新的吸收峰。离子晶体吸收系数可达105cm－1，同极晶体吸收系数约为10～102cm－1。 杂质吸收因固体材料及材料中杂质各类而异。假设杂质具有浅能级（约0.01eV，这种杂质吸收仅在较低温下（使kT〈杂质电离能，k为玻尔兹曼常数〉，才能被观察到。 与磁性材料有关的自旋波量子吸收和回旋共振吸收是固体物理研究范畴，这里不作讨论。2．2．1 本征吸收 半导体吸收了一个能量大于禁带宽度Eg的光子，电子由价带跃迁到导带，这种吸收为本征吸收。 分两种类型的跃迁： 仅涉及一个（或多个）光子的跃迁，称直接跃迁； 包含声子的跃迁，称为间接跃迁。 两种类型的半导体： 直接带隙半导体 导带中最低能量状态的波矢值k*min（通常在k=0处）和价带中最高状态的波矢值kmax相同； 化合物半导体GaAs，GaSb，InP，InS和Zn，Cd，Pb硫属化合物等。 除此之外的半导体都属于间接带隙半导体 Si，Ge和GaP是间接带隙半导体的代表。 1）直接跃迁 直接跃迁是在两个直接能谷之间的跃迁，且由一个带到另一个带的跃迁中，仅垂直跃迁是允许的。 取价带顶为能级零点，则每一个Ei的初态对应于某个Ef的终态，即 Ef＝hν－|Ei |（22）但是在抛物线能带的情形，则有 （23） 和 （24） 式中：h＝6.626×10－34 J·s为普朗克常数，?=h/2?；Ei和Ef分别为初态和终态的能量；me*和mh*分别表示电子和空穴有效质量。因此可得（24）mr为折合质量，mr－1＝me*－１＋mh*－１，单位体积、单位能量间隔内可以允许存在的终态和初态能量差为hv的状态对数目，即状态对密度N(hv)为（25）在直接跃迁情况下，由能量为hv的光子所引起的电子跃迁数目与跃迁几率Wif有关，并与状态对密度N（hv）成正比。Wif可近似看成常数，因此允许直接跃迁吸收系数可以表示如下：hvEg（26）≈0 hν≤Eg（27）e为电子或空穴的电荷；m为自由电子质量；fif是一个数量级为1 的因子，称为跃迁的振子强度。若取me*＝mh*＝m，n=4，fif＝1。当h?＞Eg时，则吸收系数为（28）若取hν＝1eV，hν－Ｅg＝0.01eV，则有ad≈6.7×103cm－12）间接跃迁 在间接带隙半导体中，由于导带最低状态的k值同价带最高能量状态的k值不同，因此价带顶的电子不能直接跃迁到导带底，因为动量不守恒。为了动量守恒，必须以发射或吸收一个或多个声子的形式