西北大学 半导体物理课件10new

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1、第第第第十十十十章章章章半导体的光学性质和光半导体的光学性质和光半导体的光学性质和光半导体的光学性质和光电与发光现象电与发光现象电与发光现象电与发光现象研究半导体的能带结构以及位于禁带中的各种局部能级结构的最有效方法是研究半导体和电磁波之间的相互作用。半导体中位于能带或局部能级中的电子，吸收或放出与能级间能量差相等的光子而发生跃迁的过程，可以通过光电导现象和光电效应用电学的方法进行检测。光激发产生激子的过程无法用电学的方法检测，但可以通过光学方法进行观测。本章讨论光和半导体相互作用的规律。第十章第十章P

2、art1Part110.1半导体的光学常数10.2半导体中的光吸收10.3半导体的光电导10.4光生伏特效应10.5半导体发光半导体的光学常数半导体的光学常数一、折射率和吸收系数1、折射率和吸收系数rrr∂BB∇×E=−①---磁感应强度∂trrE---电场强度rr∂Dr∇×H=J+②H---磁场强度∂trr∇•B=0③D---电位移矢量rr∇•D=0④J---电流密度矢量半导体是均匀的、各项通行的介质，所以有：rrJ=σE⑤rrD=εεE⑥r0rrB=µµH⑦r0式中的常数σ，εr，ε0，µr，µ0都

3、是与坐标无关的量。一、折射率和吸收系数对①式求旋度，得：rrr∂E∂2E2∇E−σµµ−µµεε=0r0r0r02∂t∂t只考虑波沿x方向传播，上式可简化为一维形式，即：rrr22∂E∂E∂E−µµσ−µµεε=02r0r0r02∂x∂t∂t上式的解为：xiω(t−)E(x,t)=Eevy0式中Ey为电场E的一个分量。一、折射率和吸收系数将Ey代入波动方程中，得：2ω2−−iµµσω+µµεεω=02r0r0r0v1µµσr0∴=µµεε−i2r0r0vω波速的平方可表示为复数形式，这表明电磁波一边传播

4、，一边损耗。真空中，电磁波的波速为c，且µr=1，εr=1，σ=011∴=εµ∴c=200cµε00一、折射率和吸收系数介质中电磁波的速度与真空中的速度之间的关系为：cv=N为介质的折射率。N由于v是一个复数，所以N也是一个复数，即：N=n–ik其中n是通常所说的折射率，是一个实数，k是一个表征光能衰减的参量，称为消光系数。22n−k=µεrrµσr2nk=ωε0一、折射率和吸收系数联立求解得：21σn=µε[1+1+]rr2222ωεεr021σk=µε[1+−1]rr2222ωεεr0在介质中波动方

5、程的解为：ωknx−xiω(t−)Ey(x,t)=Eecec0nxωkiω(t−)−x式中ec是介质中光波的传播因子；Eec是光波电分量的振幅。0一、折射率和吸收系数在光学理论中：−αxI=Ie02ωk其中：α=Cα称为介质对光的吸收系数物理意义：α标志着光透入介质的平均深度，即xd，或者说，光在媒质中传播x=1/a距离时，光能量减弱为原来的1/e。所以：22ωk2ωεµσrrα==[1+−1]222CC2ωεεr0一、折射率和吸收系数讨论：<1>对于绝缘体σ=0，所以α=0，这说明绝缘体对于光是透明的

6、。注意：α=0，是指自由载流子对光的吸收系数，而其他因素对于光的吸收不见得等于零。另外，α除与材料本身有关外，还随光的波长变化。<2>对于半导体：σ=1～103s/cm，ω≈1015/s，μ=1，r2σ所以<<1222ωεεr022ωε1σσ可得到α=r[1+−1]=ε222rC22ωεεCεεr0r0显然α∝σ二、反射系数和透射系数1、反射系数反射光强度R=，R的大小与入射角有关。入射光强度22(n−1)+k垂直入射时：R=介质的消光系数k越大，反射系数R也越大。22(n+1)+k入射反射1)对于绝缘

7、体，σ=0，所以k=02(n−1)所以R=2(n+1)2)对于半导体，σ≈1Ω⋅cm，所以k=0，2(n−1)所以R≈2(n+1)透射二、反射系数和透射系数2、透射系数透射光强度2−αdT==（1-Re），d为样品厚度入射光强度2−αd2−αd2−2αd4−4αdI0(1−Re)I=I(1−Re)(1+Re+Re+L)=02−2αd1+Re−2−αd⎧I(1Re)(1−R)2e−αd(αd>>1)T==⎨2−2αd1−RI1+Re⎩(αd<<1)01+R期中测试试题一、名词解释（40分，每小题5分）1、

8、异质结；2、超晶格；3、表面势；4、费米势；5、快界面态；6、慢界面态；7、量子阱；8、二维电子气；二、分析、回答问题（60分，每小题30分）1、半导体表面积累、耗尽、本征和反型的物理意义是什么？分析n型半导体形成上述几种状态的条件，画图示意之。2、什么是半导体异质结的超注入现象？试利用异质结的超注入现象解释半导体激光器的发光机制。半导体中的光吸收半导体中的光吸收光在导电媒质中传播时有光衰减现象，即产生了光的吸收，半导体材料也能强烈的吸收光