最新半导体的光学性质和光电ppt课件.ppt

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1、半导体的光学性质和光电半导体的光学常数设均匀不带电的介质的复折射为，磁导率m=m0（对于光学中所讨论的大多数固体材料，相对磁导率mr=1)，介电常数e=ere0，电导率s，则光（频率为w）在中传播时，有以下关系：以上公式中n0为折射率，k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为对于吸收很弱的材料，k很小，反射率R比纯电介质的稍大。对于金属，由于k很大，R很接近于1。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

2、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Burstein-Mosseffect吸收谱与吸收边吸收系数对光子能量（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

3、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，直接跃迁的吸收系数为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a2与的关系为一直线，将此直线外推到a=0处，可得出禁带宽度Eg。ZnOfilmZnOfilm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

4、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，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，准动量守恒由下式给出：如果用ＥＰ表示声子的能量，则能量守恒可表示为光子波矢电子波矢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

5、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。吸收谱线不难看出，如果以为纵坐标，以光子能量为横坐标，则吸收谱线应为两条直线对应横坐标上的两个截距，分别为Eg-Ep和Eg+Ep。由此可以求出禁带宽度和声子的能量。间接跃迁材料的缺点实际上在直接禁带半导体中，涉及声子发射和吸收的间接跃迁也可能发生，即直接禁带半导体中也会发生间接跃迁。同样，在间接禁带半导体中，也可能发生直接跃迁。但它们不是能量最低的带间跃迁。间接跃迁要求同时有光子和声子参加，是一个二级

6、过程，跃迁几率要比直接跃迁的跃迁几率小得多，相应的吸收系数也较小。因为光电器件一般均涉及电子的跃迁，因此间接能隙半导体材料一般不适宜作为光电材料，尤其不能作为发光材料。激子吸收在低温时发现，某些晶体在本征吸收连续光谱区的低能侧靠近吸收限附近存在一系列吸收线，并且对应于这些吸收线不伴随有光电导。起因：激子吸收电子空穴对）自由载流子吸收当入射光的波长较长，不足以引起带间跃迁或形成激子时，半导体中仍然存在光吸收，而且吸收系数随着波长的增加而增加。这种吸收是自由载流子在同一能带内的跃迁引起的，称为自由截流子吸收。载流子对电磁能量的吸收

7、显著地依赖于频率（或波长）。可以证明，自由载流子的吸收系数。自由载流子吸收也需要声子参与，因此也是二级过程，与接跃迁过程类似。但这里所涉及的是载流子在同一带内的跃迁。子带间的跃迁电子在价带或导带中子带（sub-band）之间的跃迁。在这种情况下，吸收曲线有明显的精细结构，而不同于由自由载流子吸收系数随波长单调增加的变化规律。多半导体的价带在价带顶附近由三个子带组成，不同子带间可以发生三种引起光吸收的跃迁过程。（a）从轻空穴带到重空穴带的跃迁（ｂ）从分裂的带到重空穴带的跃迁（c）从分裂的带到轻空穴带的跃迁。杂质吸收杂质可以在半导

8、体的禁带中引入杂质能级，例如Ge和Si中的III族和V族杂质。占据杂质能级的电子或空穴的跃迁可以引起光吸收，这种吸收称为杂质吸收，可以分为下面三种类型：吸收光子可以引起中性施主上的电子从基态到激发态或导带的跃迁；中性受主上的空穴从基态到激发态或价带的跃迁；电离受主到电离