固体中光的吸收和发射课件.ppt

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1、1.3固体中光的吸收概述1.基本吸收区2.激子吸收3.自由载流子吸收4.声子吸收5.杂质吸收6.自旋波量子吸收和回旋共振吸收1.3.1本征吸收半导体吸收一个能量大于禁带宽度的光子，电子由价带跃迁到导带，称本征吸收两种跃迁直接跃迁：仅涉及一个（或多个）光子的吸收。间接跃迁：还包含声子的吸收两种半导体：直接带隙半导体间接带隙半导体1.直接跃迁是在两个直接能谷之间的跃迁，仅垂直跃迁是允许的能量守恒Ef=hν-

2、Ei

3、动量守恒抛物线能带得到在k空间，k到k+dk之间终态与初态能量差为hν的状态对密度直接跃迁情况下，吸收系数α＝AWifN(hν)Wi

4、f为跃迁几率，所有跃迁都是许可的情况下，Wif是常数，则αd＝B(hν-Eg)1/2,其中有限范围内成立；需修正在某些材料中，k=0的直接跃迁是禁止的,k≠0的直接跃迁是允许的，Wif正比于k2，正比于(hν-Eg)，则αd＝α(hν-Eg)3/2，其中重掺杂半导体的本征吸收限向高频方向移动，布尔斯坦－莫斯移动直接跃迁吸收系数的光谱曲线，吸收系数随光子能量减小呈指数衰减2.间接跃迁间接带隙，导带最低状态的k值与价带顶最高能量状态的k值不同，跃迁过程要引入声子的吸收和发射过程能量守恒hν±Ep=Eg动量守恒间接跃迁的吸收系数αi=αe+αa其

5、中αe和αa分别为声子发射和吸收引起的贡献纯净半导体低温下，吸收系数很低重掺杂半导体，低温时，声子数目少，散射过程可以近似看作弹性过程，补偿实现动量守恒；温度较高时，动量守恒主要依靠电子－电子散射来完成3.电场和温度对本征吸收的影响1）电场的影响半导体放在电场E中能带发生倾斜，产生隧道效应夫兰茨－凯尔迪什效应入射光子hν

6、Ge不同温度时的光吸收，吸收曲线的肩形部分1.3.2激子吸收基本吸收中，认为被激发电子变成了导带中自由粒子，价带中产生的空穴也是自由的。但是受激电子与空穴会彼此吸引，有可能形成束缚态，称为激子。能在晶体中自由运动的激子称自由激子，又称瓦尼尔激子。不能自由运动的激子称束缚激子，又称弗伦克尔激子。激子的产生是由于入射光子能量不足以使价带电子跃迁到导带，受激电子受到价带空穴束缚。束缚能激子吸收谱是一系列分立的。直接带隙半导体中，自由激子的形成能间接带隙半导体，激子光吸收有声子参加，间接声子形成能激子吸收谱是一个具有确定下限的带光谱。单声子过程，还

7、有多声子过程。间接激子的吸收系数1.3.3杂质吸收三个方面1）从杂质中心的基态到激发态的激发，可引起线状吸收谱。2）电子从施主能级到导带或从价带到受主能级的吸收跃迁红外区3)从价带到施主能级或从被电子占据的受主能级到导带的吸收跃迁。几率小。浅受主能级到导带的跃迁吸收跃迁系数掺锌或镉的InSb的光吸收Eg=235.7mev;EA=7.9mev1.3.4自由载流子吸收自由载流子吸收一个光子能量跃迁到同一能带的另一个态。对导带中电子跃迁，吸收正比于自由电子数。吸收系数为空穴的吸收系数也是如此，只是一些参数不同中红外范围内，自由载流子吸收按λ2规律

8、变化。近红外区不再适用。电子在导带中跃迁，不同能量状态间跃迁，则必须改变波矢量，为了动量守恒，电子动量的改变可由声子或电离杂质的散射来获得补偿。近红外区域，M.Becker等人指出①电子受到声学声子散射，1.5②电子受到光学声子散射，2.5③受杂质散射，33.51.4.3本征发光导带电子和价带空穴复合发光分为直接跃迁和间接跃迁在较高温度下可以观察到，低温下很弱1.直接跃迁表现为谱带。自吸收光谱分布2.间接跃迁间接带隙半导体，带间复合发光需要声子参加。发射声子时，光谱分布间接跃迁发光强度比直接跃迁发光强度弱。发射谱带通常与

9、自由激子发射谱带重叠1.4.4激子复合发光激子发光光谱在低温下观测1）直接带隙半导体。只有k=0附近的自由激子才能辐射跃迁，形成锐线GaAs中2）间接带隙半导体，激子复合光谱为谱带。发射带的宽度决定于激子的热分布。18k硅的激子复合光谱。没有吸收声子的谱带，因为低温下声子数很少。束缚激子，动能接近于0，复合发射谱线为锐线，比自由激子窄。束缚激子复合光谱通常含有零声子光谱和发射声子光谱或声子组合光谱。3）等电子中心发光GaP中N原子，负电性大于P原子，N原子周围产生晶格变形，使N原子俘获电子，束缚在周围，同时以库仑力俘获空穴，形成束缚激子。k

10、空间能级图，波函数一直扩展到k=0附近,且电子的几率密度也很大。等电子中心，间接跃迁→准直接跃迁，复合几率飞速增长，发光效率大大提高。已经制成GaP:N,GaP:Zn-O,GaA