半导体的光学性质ppt课件.pptx

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1、第9章半导体的光学性质9.1半导体的光学常数9.2本征吸收9.3激子吸收9.4其他光吸收过程9.5PN结的光生伏打效应9.6半导体发光9.7非辐射复合9.8发光二极管（LED）9.9高效率的半导体发光材料1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

2、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。29.1半导体的光学常数1．折射率和吸收系数角频率为的平面电磁波，沿固体中x方向传播时，电场强度为(9.1-1)式中，v是光的传播速度(9.1-2)c是光波在真空中的传播速度。(9.1-3)式中，nc是复折射率，n是折射率实部，虚部称为消光系数。由式(9.1-2)和式(9.1-3)，有(9.1-4)3将式(9.1-4)代入式(9.1-1)得(9.1-5)光强，(9.1-6)其中(9.1-7)称为吸收系数，其量纲为cm−1。它的物理意义是光在介质中传播距离时，光强衰减到原来的1/e。

3、可以看出，是频率的函数。9.1半导体的光学常数42．折射率与介电常数和电导率的关系根据电磁场理论，折射率与介电常数和电导率具有如下关系：(9.1-8)(9.1-9)式中，为介电常数，r为相对介电常数，为消光系数。对于电介质材料，，则折射率，消光系数。这说明在这些材料中没有光吸收，材料是透明的。在金属和半导体中，，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。9.1半导体的光学常数53．反射率和透射率反射率(9.1-10)透射率T=1−R(9.1-11)9.1半导体的光学常数69.2本征吸收教学要求1．写出并记忆光子波长和能量的转换关系式(9.2-1)。2．掌握概念：本征吸收、

4、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。7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8光子的波长和能量的转换关系为(9.2-1)式中，c为真空中的光速，为光的频率，h为谱朗克常量，为光子能量，单位是eV。9.2本征吸收9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：(

5、a)不同能带的状态之间；(b)、(c)、(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10半导体中最主要的光吸收过程是电子由价带顶到导带底的跃迁。这种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。引起本征吸收的光子能量必须等于或大于半导体的禁带宽度，即(9.2-2)式中，是引起本征吸收的最低光子能量。频率和与对应的波长λ0称为本征吸收限。本征吸收限波长(9.2-3)9.2本征吸收11吸收系数与光子能量或波长的关系叫做吸收谱

6、。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129.2.1直接跃迁与本征吸收有关的电子跃迁过程可以分为直接跃迁和间接跃迁两种类型。电子在跃迁过程中必须遵守能量守恒和准动量守恒。设电子的初态和末态波矢量分别为和，在仅涉及光子的跃迁过程中，准动量守恒要求(9.2-4)kL表示入射光子的波矢量。139.2.1直接跃迁对于典型的半导体，禁带宽度为1eV的数量级，对应的引起本征吸收的光子的波数2π/λ=5×104cm−1。电子的波数在布里渊区为2π/a10

7、8cm−1，可见光子的准动量比电子的准动量小得多，因此，式(9.2-4)可近似写成(9.2-5)上式表明在只有光子参加的跃迁过程中，电子在跃迁前后的波矢量保持不变。14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。因而这种跃迁称为竖直跃迁也叫做直接跃迁。15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