最新半导体的光学常数和光吸收教学讲义PPT.ppt

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1、半导体的光学常数和光吸收⑵吸收系数：光在介质中传播时有衰减，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，引入比例系数，即：其中x是介质的厚度，比例系数的大小和光的强度无关，称为光的吸收系数。对上式积分反映出吸收系数的物理含义是：当光在介质中传播1/距离时，其能量减弱到原来的1/e。积分得⑶反射系数R：反射系数R是界面反射能流密度和入射能流密度之比，若以和分别代表入射波和反射波电矢量振幅，则有：⑷透射系数T：透射系数T为透射能流密度和

2、入射能流密度之比，由于能量守恒，在界面上可以得到：T=1-R当光透过厚度为d，吸收系数为的介质时有：（2）直接跃迁和直接带隙半导体参照右图所示的一维E(k)曲线可见，为了满足选择定则，吸收光子只能使处在价带中状态A的电子跃迁到导带中k相同的状态B。A与B在E(k)曲线上位于同一竖直线上，这种跃迁称为直接跃迁。在A到B的直接跃迁中所吸收的光子能量hν与图中垂直距离相对应。就是说，和任何一个k值相对应的导带与价带之间的能量差相当的光子都有可能被吸收，而能量最小的光子对应于电子从价带顶到导带底的跃迁

3、，其能量等于禁带宽度Eg。本征吸收形成一个连续吸收带，并具有一长波吸收限ν0＝Eg／h。因而，从光吸收谱的测量可以求出禁带宽度Eg。在常用半导体中，III-Ⅴ族的GaAs、InSb及Ⅱ-Ⅵ族等材料，导带极小值和价带极大值对应于相同的波矢，常称为直接禁带半导体。这种半导体在本征吸收过程中发生电子的直接跃迁。由理论计算可知，在直接跃迁中，如果对于任何k值的跃迁都是允许的，则吸收系数与光子能量的关系为：（3）间接跃迁与间接带隙半导体：诸如硅和锗的一些半导体材料，导带底和价带顶并不像直接带隙半导体那样具

4、有相同的波矢k。这类半导体称为间接带隙半导体，对这类半导体，任何直接跃迁所吸收的光子能量都应该比其禁带宽度Eg大得多。因此，若只有直接跃迁，这类半导体应不存在与禁带宽度相当的光子吸收。这与实际情况不符。这就意味着在本征吸收中除了有符合选择定则的直接跃迁外，还存在另外一种形式的跃迁，如右图中的O→S跃迁。在这种跃迁过程中，电子不仅吸收光子，同时还和晶格振动交换一定的能量，即放出或吸收一个或多个声子。这时，准能量守恒不再是电子和光子之间所能满足的关系，更主要的参与者应该是声子。这种跃迁被称为非直接跃

5、迁，或称间接跃迁。总之，半导体材料的光吸收过程中，如果只考虑电子和光子的相互作用，则根据动量守恒要求，只可能发生直接跃迁；但如果还考虑电子与晶格的相互作用，则非直接跃迁也是可能的，这是由于依靠发射或吸收一个声子，使动量守恒原则仍然得到满足。由于间接跃迁的吸收过程一方面依赖于电子和光子的相互作用，另一方面还依赖于电子与晶格的相互作用，因此理论上这是一种二级过程。其发生概率要比直接跃迁小很多。因此，间接跃迁的光吸收系数比直接跃迁的光吸收系数小很多。前者一般为1~1×103cm-1数量级，而后者一般为

6、1×104~1×106cm-1。（4）激子（exciton）吸收在低温时发现，某些晶体在本征连续吸收光谱出现以前，即hν＜Eg时，就会出现一系列吸收线，但产生这些吸收线的过程并不产生光电导，说明这种吸收不产生自由电子或空穴。在这种过程中，由于光子能量hν＜Eg，受激发后的价带电子不足以进入导带而成为自由电子，仍然受到空穴的库仑场作用。实际上，受激电子和空穴互相束缚而结合在一起成为一个新的系统，称这种系统为激子，产生激子的光吸收称为激子吸收。激子中电子与空穴之间的作用类似氢原子中电子与质子之间的相

7、互作用。激子在晶体中某处产生后，并不一定停留在该处，也可以在整个晶体中运动。固定不动的激子称为束缚激子，可以移动的激子称为自由激子。由于激子是电中性的，因此自由激子的运动并不形成电流。半导体中的激子能级非常密集，激子吸收线与本征吸收的长波限差别不大，常常要在低温下用极高分辩率的测试仪器才能观察到。对Ge和Si等半导体，因为能带结构复杂，并且有杂质吸收和晶格缺陷吸收的干扰，激子吸收更不容易被观察到。因此，必须使用纯度较高、晶格缺陷很少的样品才能观察到。（5）自由载流子吸收对于一般半导体材料，当入射

8、光子的频率不够高，不足以引起本征吸收或激子吸收时，仍有可能观察到光吸收，而且其吸收强度随波长增大而增加。这是自由载流子在同一带内的跃迁引起的，称为自由载流子吸收。这种跃迁同样必须满足能量守恒和动量守恒关系。和本征吸收的非直接跃迁相似，电子的跃迁也必须伴随着吸收或发射一个声子。自由载流子吸收一般是红外吸收。以右图所示的Ge的价带为例，该价带由三个独立的能带组成，每一个波矢k对应于分属三个带的三个状态。价带顶实际上是由两个简并带组成，空穴主要分布在这两个简并带顶的附近，第三个分裂的带则经常被电子填满