最新9半导体的光学性质PPT课件.ppt

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1、9半导体的光学性质半导体的光学性质研究历史早在20世纪30年代人们就通过光吸收测量了半导体的禁带宽度。20世纪50年代对吸收光谱的研究所取得的最重要的进展是，区别了直接带隙半导体和间接带隙半导体，并测量了一些重要的能带参数。通过对微波范围的共振吸收—回旋共振，相当直接地证明了Ge、Si的导带的多谷结构。与此同时，准确地测量了有效质量。20世纪60年代以来，相继对许多半导体的反射光谱进行了研究，配合理论计算，对半导体的能带结构取得了相当系统的认识。对半导体的光学性质的研究也是设计和制造半导体光电器件的理论依据。9.1半导体的光学常数9.2本征吸收教学要求1．写出并记忆光

2、子波长和能量的转换关系式(9.2-1)。2．掌握概念：本征吸收、本征吸收限、吸收系数、吸收谱、吸收边、直接跃迁、间接跃迁。3．写出直接跃迁和间接跃迁过程中的准动量守恒和能量守恒公式。4．了解吸收系数公式(9.2-10)和(9.2-12)，说明根据吸收谱可以确定半导体禁带宽度的原理。人眼只能检测波长范围大致在0.4～0.7μm的光。紫外区的波长范围为0.01～0.4μm。红外区的波长范围为0.7～1000μm。光学区域的电磁波谱图9.2本征吸收半导体材料吸收光子能量使电子从能量较低的状态跃迁到能量较高的状态。这些跃迁可以发生在：(a)不同能带的状态之间；(b)、(c)、

3、(e)禁带中分立能级和能带的状态之间；(d)禁带中分立能级的不同状态之间；(f)同一能带的不同状态之间；……它们引起不同的光吸收过程。9.2本征吸收9.2本征吸收吸收系数与光子能量或波长的关系叫做吸收谱。下图是半导体的吸收系数与波长的关系。曲线在短波端陡峭上升是半导体吸收谱的一个显著特点，它标志着本征吸收的开始。吸收限附近的吸收谱叫做吸收边。吸收边对应于电子从价带顶向导带底的跃迁。吸收谱9.2.1直接跃迁9.2.1直接跃迁直接跃迁示意图电子在跃迁的过程中波矢保持不变，则原来在价带中的状态A的电子只能跃迁到导带中的状态B。A与B在E(k)曲线上位于同一垂线上。因而这种跃

4、迁称为竖直跃迁也叫做直接跃迁。直接跃迁示意图在A到B直接跃迁中所吸收光子的能量与图中垂直距离AB相对应。显然，对应于不同的k，垂直距离各不相等。即相对于任何一个k值的不同能量的光子都有可能被吸收，而吸收的光子最小能量应等于禁带宽度Eg。由此可见，本征吸收形成一个连续吸收带，并具有一长波吸收限：可见从光吸收的测量，可求得半导体的禁带宽度。本征吸收的吸收系数本征吸收的吸收系数图9.5直接跃迁吸收系数与光子能量的关系曲线9.2.2间接跃迁在间接带隙半导体中，导带极小值和价带极大值不是发生在布里渊区的同一地点，而是具有不同的k值，因此这种跃迁是非竖直跃迁。跃迁过程中由于光子的

5、波数比电子的波数小得多，因此，准动量守恒要求必须有第三者—声子参加。就是说，在跃进过程中必须伴随声子的吸收或放出，即(9.2-13)式中q为声子的波矢，正号表示吸收声子，负号表示放出声子。9.2.2间接跃迁9.2.2间接跃迁图9.7Ge、Si和GaAs的吸收谱直接带隙半导体中，涉及声子发射和吸收的间接跃迁也可能发生，主要涉及光学声子。发射声子过程(吸收的光子的能量要更大些)，吸收应发生在直接跃迁吸收限短波一侧。吸收声子过程(吸收的光子的能量可以小些)发生在吸收限长波一侧，可使直接跃迁吸收边不是陡峭地下降为零。间接带隙半导体中，仍可能发生直接跃迁，例如图9.7所示的Ge

6、、Si和GaAs吸收谱的肩形结构。本征吸收长波限蓝移、红移重掺杂半导体(如N型)中，EF进入导带，低温时，EF以下能级被电子占据，价带电子只能跃迁到EF以上的状态，因而本征吸收长波限蓝移，称为伯斯坦移动(Burstein-Moss效应)。强电场作用下，能带倾斜，小于Eg的光子可通过光子诱导的隧道效应发生本征跃迁，使本征吸收长波限红移，称为弗朗兹-克尔德什(Franz-Keldysh)效应。9.3激子吸收9.3激子吸收如果半导体吸收能量小于禁带宽度的光子，电子被从价带激发。但由于库仑作用，它仍然和价带中留下的空穴联系在一起，形成束缚状态。这种被库仑能束缚在一起的电子-空

7、穴对称为激子(见图9.2(e))。激子作为一个整体，可以在晶体中自由运动。由于在整体上激子是电中性的，因此激子的运动不会引起电流。9.3激子吸收根据束缚程度的不同，可以把激子分成两种类型。一种称为弗兰克尔(Frenkel)激子，或紧束缚激子，其半径为晶格常数数量级。另一种称为沃尼尔(Wannier)激子，这种激子的电子和空穴束缚较弱，它们之间的距离远大于晶格常数。通常半导体中遇到的就是沃尼尔激子。激子在晶体中运动的过程中可以受到束缚，受束缚的激子不能再在晶体中自由运动，这种激子称为束缚激子。在晶体中能束缚激子的有施主、受主、施主-受主对和等电子陷阱等