半导体的光学常数.doc

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1、半导体物理教案-30第l0章半导体的光电特性本章讨论光和半导体相互作用的一般规律,用光子与晶体中电子、原子的相互作用来研究半导体的光学过程、重点讨论光吸收、光电导和发光,以及这些效应的主要应用。§10.1半导体的光学常数一、折射率和吸收系数(Refractiveindex&Absorptioncoefficient)固体与光的相互作用过程,通常用折射率、消光系数和吸收系数来表征。在经典理论中,早已建立了这些参数与固体的电学常数之间的固定的关系。1、折射率和消光系数(Extinctioncoefficient)按电

2、磁波理论,折射率定义为式中,εr和σ分别是光的传播介质的相对介电常数和电导率,w是光的角频率。显然,当σ≠0时,N是复数,因而也可记为(10-1)两式相比,可知(10-2)式中,复折射率N的实部n就是通常所说的折射率,是真空光速c与光波在媒质中的传播速度v之比;k称为消光系数,是一个表征光能衰减程度的参量。这就是说,光作为一种电磁辐射,当其在不带电的、σ≠0的各问同性导电媒质中沿x方向传播时,其传播速度决定于复折射率的实部,为c/n;其振幅在传播过程中按exp(-ωkx/c)的形式衰减,光的强度I0则按exp(-

3、2ωkx/c)衰减,即(10-3)2、吸收系数光在介质中传播而有衰减,说明介质对光有吸收。用透射法测定光在介质中传播的衰减情况时,发现介质中光的衰减率与光的强度成正比,即比例系数a的大小和光的强度无关,称为光的吸收系数。对上式积分得(10-4)上式反映出a的物理含义是:当光在媒质中传播1/a距离时,其能量减弱到只有原来的1/e。将式(10-3)与式(10-4)相比,知吸收系数(10-4)式中λ是自由空间中光的波长。8半导体物理教案-303、光学常数n、k和电学常数的关系解方程组(10-2)可得;式中,n、k、σ和

4、er都是对同一频率而言,它们都是频率的函数。当σ≈0时,n≈e1/2,k≈0。这说明,非导电性介质对光没有吸收,材料是透明的;对于一般半导体材料,折射率n约为3—4。吸收系数a除与材料本身有关外,还随光的波长变化。a-1代表光对介质的穿透深度。对于吸收系数很大的情况(例如,α≈1×105cm-1),光的吸收实际上集中在晶体很薄的表面层内。小结:光在导电媒质中的传播与光在电介质中的传播相似。所不同的是:在电介质中,电磁波的传播没有衰减;而在导电媒质中,如在半导体和金属内,波的振幅随着透入的深度而减小、即存在光的吸收

5、。这是由于导电媒质内部有自由电子存在,波在传播过程中在媒质内激起传导电流,光波的部分能量转换为电流的焦耳热。因此,导电媒质的吸收系数决定于电导率。二、反射率、吸收率和透射率一个界面对入射光的反射率R定义为反射能流密度与入射能流密度之比,透射率T定义为透射能流密度与入射能流密度之比。按能量守恒,同一界面必有R+T=1。定义一个物体对入射光的透射率T为透出物体的能流密度与入射物体能流密度之比。按能量守恒,必有R+T+A=1,A即为吸收率。1、光在界面的反射与透射(注意纠正参考书中“系数”和“率”的混乱)当光波(电磁波

6、)照射到物体界面时,必然发生反射和折射。一部分光从界面反射,另一部分则穿透界面进入物体。当光从空气垂直入射于折射率为N=n-ik的物体界面时,反射率对于吸收性很弱的材料,k很小,反射率R只比纯电介质的稍大;但折射率较大的材料,其反射率也较大。譬如n=4时,其反射率接近40%。在界面上,除了光的反射外,还有光的透射。规定透射率T为透射能流密度和入射能流密度之比。由于能量守恒,在界面上透射系数和反射系数满足关系T=1-R。2、有一定厚度的物体对光的吸收图10-1反射和透射示意图如图10-1所示,以强度为I0的光垂直入

7、射空气中具有均匀厚度d和均匀吸收系数a的物体,物体前后界面(入射面和出射面)都会对入射光有反射和透射,反射率皆为R,但这两个界面各自的入射光强度显然不同。入射面的入射光强度为I0,反射光强度为RI0,透入物体的光强度是(1-R)I0;经过物体的吸收衰减之后到达出射界面的光的强度就是(1-R)I0exp(-αd),最后透过出射面的光强度就应等于(1-R)2I0exp(-αd)。不考虑光在物体中的多次反射,则厚度为d的均匀吸收体对入射光的透射率按定义可得考虑光在两界面之间的多次反射之后,容易证明(作业):8半导体物理

8、教案-30§10.2半导体的光吸收材料吸收辐射能导致电子从低能级跃迁到较高的能级或激活晶格振动。半导体有多种不同的电子能级和晶格振动模式,因而有多种不同的光吸收机构,不同吸收机构通常对应不同辐射波长,具有不同的吸收系数。半导体中导致电子从低能带跃迁到高能带的吸收,不同于孤立原子中电子从低能级向高能级跃迁的吸收。孤立原子中的能级是不连续的,两能级间的能量差是定值,因而电子在

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