第十章-半导体的光学性质和光电

《第十章-半导体的光学性质和光电》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、半导体光电•半导体的光电性质是半导体材料最重要性质之一。•半导体的光电效应是各种光电器件的基础。•光学方法是研究半导体的能带结构和检测材料参数的一种重要手段。•本章：讨论半导体的光吸收、光生伏特效应等半导体材料基本的光电性质和应用。半导体的光学常数•设均匀不带电的介质的复折射率为n=n0−iκ，磁导率µ=µ（对于光学中所讨论的大多数固体0材料，相对磁导率µ=1)，介电常数ε=εε电导rr0，率σ，则光（频率为ω）在中传播时，有以下关系：21/221σn=ε1++102rω2ε2ε2r01/21σ22κ

2、=εr1+222−12ωεrε0以上公式中n0为折射率，κ为消光系数。反射率•当光照射到介质的界面时，或多或少会发生反射。反射光强与入射光强之比称为反射率。当光从空气垂直人射到介质表面时，可以得出反射率R为22(n−1)+κR=22(n+1)+κ•对于吸收很弱的材料，κ很小，反射率R比纯电介质的稍大。对于金属，由于κ很大，R很接近于1。透射率•在介质的界面上，除了光的反对外，还有光的透射，透射光强与入射光强之比称为透射率。若不考虑光的吸收，则在界面上透射率T与反射率满足下式：T=1-R•一般情况下，光透过一定厚度的介质时

3、，透射率与反射率之间有以下的关系：2(1−R)exp(−αd)T=21−Rexp(−2αd)吸收系数•上式中的a称为吸收系数，它与消光系数的关系为2ωκc•吸收系数的物理意义：光在介质中传播距离1/α时，光的强度衰减到原来的1/e。•对于电介质材料，消光系数趋于０，光在这类材料中没有被吸收，因此材料是透明的。•在金属和半导体中，消光系数不为0，即存在光吸收，光的强度随着透入深度的增加按指数规律衰减，即−αxI=Ie0半导体的光吸收吸收•半导体材料中的电子吸收光子的能量，从能量较低的状态跃迁到能量较高的状态。这种跃迁可以发生在：1、不同的能带

4、之间；2、同一能带的不同状态之间；3、禁带中的分立能级之间；4、禁带中的分立能级和能带之间。•以上各种吸收引起不同的吸收过程。本征吸收•在半导体中。最主要的吸收过程是电子由价带向导带的跃迁所引起的光吸收，称为本征吸收或基本吸收．这种吸收伴随着电子-空穴对的产生，使半导体的电导率增加，即产生光电导。显然，引起本征吸收的光子能量必须等于或大于禁带宽度，即hν≥hν=E0g•对应的波长称为本征吸收限。根据上式，可得出本征吸收长波限的公式为1.242λ=(µm)cE(eV)gBurstein-Mosseffect吸收谱与吸收边•吸收系数对光子能量（

5、或波长）的依赖关系称为吸收谱。•本征吸收限可在吸收谱中明显地表现出来。吸收系数曲线在短波端陡峭地上升，是半导体吸收谱突出的一个特点。它标志着本征吸收的开始。•通常把吸收限附近的吸收谱称为吸收边。它相应于电子由价带顶附近到导带底附近的跃迁。直接跃迁•电子在跃迁过程中，除了能量必须守恒外，还必须满足准动量守恒。设电子的初态和末态的波矢分别为k和k’，则应有hvk=k'+c•若电子在跃迁前后的波矢可以认为保持不变，则这种跃迁称为直接跃迁。这种跃迁过程相当于电子由价带竖直地跃迁到导带，所以也称为垂直跃迁。•对下图那样的能带结构，直接跃迁的吸收系

6、数为1/2B(w−Eg)ω>Egα=0ω≤Eg•这种能带结构称为直接能隙半导体材料。直接跃迁-由吸收谱求能隙宽度α2与的关系为一直线，将此直线外推到α=0处，可得出禁带宽度E。gZnOfilmZnOfilm间接跃迁•若导带底和价带顶位于k空间的不同位置，例如在Si和Ge中，那么任何竖直跃迁所吸收的光子能量都应该比禁带宽度大。•但实验指出，引起本征吸收的最低光子能量还是约等于Eg。•推论：除了竖直跃迁之外，还存在另一类跃迁过程：由价带顶向具有不同ｋ值的导带底的跃迁。•在这种跃迁过程中，电子的准动量变化很大。由于光子的动量很小，

7、所以必须吸收或发射声子才能满足准动量守恒。设声子的波矢为ｑ，略去光子的动量，准动量光子波矢守恒由下式给出：2π4−1k=≈5×10cm•k'=k±qλ电子波矢•如果用Ｅ表示声子的能Ｐ量，则能量守恒可表示2π8−1≈10cmE=E±Ea为fip吸收系数•在以上二式中，正号和负号分别对应于吸收和发射声子的过程。•这种除了吸收光子之外还要吸收或发射声于的跃迁，称为间接跃迁或非竖直跃迁。相应的材料称为间接能隙半导体材料。•由于声子的能量很小，一般不超过百分之几电子伏特，所以间接带间跃迁所涉及的光子能量仍然接近禁带宽度。22A(ω−E−E)

8、A(ω−E+E)gPgP+ω≥Eg+Ep1−exp(−E/kT)exp(E/kT)−1ppα=A(ω−Eg−EP)E−E≤ω≤E+EgPgp1−exp(−E/k