光发射热辐射ppt课件.ppt

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1、1.5.2-1本征吸收半导体吸收了一个能量大于禁带宽度Eg的光子，电子由价带跃迁到导带，这种吸收为本征吸收。分两种类型的跃迁：仅涉及一个（或多个）光子的跃迁，称直接跃迁；包含声子的跃迁，称为间接跃迁。两种类型的半导体：直接带隙半导体导带中最低能量状态的波矢值k*min（通常在k=0处）和价带中最高状态的波矢值kmax相同；化合物半导体GaAs，GaSb，InP，InS和Zn，Cd，Pb硫属化合物等。除此之外的半导体都属于间接带隙半导体Si，Ge和GaP是间接带隙半导体的代表。1）直接跃迁直接跃迁是在两个直接能谷之间的跃迁，且由一个带到另一个带的跃迁中，仅垂直跃迁是允许的。取价带顶为能级零点

2、，则每一个Ei的初态对应于某个Ef的终态，即Ef＝hν－

3、Ei

4、（22）但是在抛物线能带的情形，则有（23）和（24）式中：h＝6.626×10－34J·s为普朗克常数，ħ=h/2；Ei和Ef分别为初态和终态的能量；me*和mh*分别表示电子和空穴有效质量。2）间接跃迁为了动量守恒，必须以发射或吸收一个或多个声子的形式把动量从晶格中取出或者交给晶格。由于多声子过程比起单声子过程可能性更小，所以主要考虑单声子过程。在间接带隙半导体中，由于导带最低状态的k值同价带最高能量状态的k值不同，因此价带顶的电子不能直接跃迁到导带底，因为动量不守恒。从原子吸收谱人们已熟知除电离连续谱区外，还存在着由于

5、原子被激发所产生的分立的吸收谱线。在半导体中，这种受激电子与空穴构成新的系统可以看成一种“准粒子”并称它为激子。1.5.2-2激子吸收激子的产生是由于入射光子能量不足以使价带电子跃迁到导带，处于受激状态的电子仍受到价带空穴束缚。由于束缚能很小，因此激子能级位于紧靠导带底的禁带中。电子和空穴是由库仑力束缚在一起的。根据氢原子模型，束缚能可表示为(41)式中：mr为电子和空穴的折合质量；ε′为相对介电系数；n=1为基态，n=2，3，……分别为激发态。基态激子能量是里德伯能量的（mr/mo）ε-2倍，其中mo为真空中电子质量，1里德伯能量等于13．6eV。设mr/mo=0．05，ε′=13时，所

6、求出的Eexc(1)是4meV。因此，在本征吸收限下面几个毫电子伏特处应观察到一系列分立的激子吸收谱线。n型半导体SiSiSiSiSiSiSiPSi是lV族元素，有四个价电子．位于正四面体中心的原子和位于正四面体各顶点的四个最近邻原子，通过共价键组成金刚石结构的晶体．半导体最重要的性质之一，是由于存在极少量的杂质，使电导率产生显著变化．施主和受主n型半导体SiSiSiSiSiSiSiP假设用v族元素原子P(磷)原子替代一个Si原子，则磷原子的五个价电子中的四个就和周围的四个Si原子组成共价键．这种状态的P原子可以看成是+1价的离子，在它周围通过库仑引力微弱地束缚一个电子，这个电子就象氢原

7、子中的电子的情形一样．只要给予很小的能量，就会脱离正离子的束缚而成为传导电子，对电导作出贡献．这种起供给电子作用的杂质称为施主．空带满带施主能级EDEg这种靠近空带的附加能级称为施主（donor）能级假如正离子束缚的电子的轨道半径比起原子间距足够大，则电子的束缚能可由氢原子模型求出．只要把真空氢原子束缚能公式中的电子质量m。用电子有效质量me*代替，真空介电常数o用介质(这个场合为Si)介电常数代替就行了．氢原子模型是合适的．当从外界给束缚电子以大于束缚能的能量时，电子被激发到导带而成为传导电子，对电导有贡献．因此，施主的能级在禁带中，位于导带底以下(束缚能)处．P型半导体SiSiSi

8、SiSiSiSi+BIII族元素B做为杂质掺到硅中，为了和周围4个Si组成共价键，只有3个价电子的B原子必须从附近的硅原子获得一个多出的价电子，自己变成l价的负离子，在它周围束缚一个空穴．用很小的能量就能很容易地将此空穴激发到价带．这种接受价电子，在价带产生空六的杂质称为受主．受主的空穴束缚能A也能按照氢原子模型，利用空穴有效质量m*通过ro求出．受主能级在禁带中，位于价带顶以上(束缚能)处．空带EA满带受主能级P型半导体SiSiSiSiSiSiSi+BEg这种靠近满带的附加能级称为受主（acceptor）能级。杂质的存在从下面三个方面使半导体的吸收光谱发生改变：（1）从杂质中心基态到

9、激发态的激发，可以引起线状吸收谱。这种跃迁的最大几率发生在光子能量hv与电离能同数量级时，即与受主EA和施主ED同数量级。该能量比禁带宽度小得多。对于Si中的Al杂质中心，如图14所示。从图中可观察到由杂质基态向激发态跃迁所产生的三个吸收峰。1.5.2-3杂质吸收图14在Si中的AI杂质中心引起的吸收在大多数半导体中，多数的施主和受主能级都很接近于导带和价带，因此这种吸收出现在红外区域内。例如在Ge中，V族施主的基态在导