半导体材料的电学和光学特性ppt课件.ppt

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1、Chap２半导体材料的电学和光学特性2.1半导体材料的电学特性2.2半导体材料的光学特性2.3半导体材料的种类和特性及PN结任何一种物质对光波都会或多或少地吸收。光在介质内传播时，介质中的束缚电子在光波电场的作用下作受迫震动，因此光波要消耗能量来激发电子的振动，这些能量一部分又以次波的形式与入射波叠加成折射光波而射出介质。此外，由于与周围原子和分子的相互作用，束缚电子受迫振动的一部分能量将变为其它形式的能量，例如分子热运动的能量，这部分能量的损耗就是我们所指的介质对光波的吸收。光的吸收2.2.1光的产生光和材料

2、的相互作用：光的吸收2.2.1光的产生一些物质的颜色呈白色（人眼），说明它反射了所有可见光…一些物质的颜色呈黑色（人眼），说明它吸收了所有可见光…光的吸收2.2.1光的产生ECEtEDEAEVED，EA和Et分别是施主杂质能级，受主杂质能级和深杂质能级。本征吸收（过程1）：产生电子-空穴对杂质吸收（2.2.2.4.5）：每个过程只能产生一种符号的载流子，或电子，或空穴。载流子吸收（6.7）：使电子或空穴的动能增加晶格振动的吸收：增加晶格的热运动能等离子体吸收：使全部自由电子或空穴作为一个整体相对于晶体点阵的

3、振动能增加。1６５３４２７光的吸收2.2.1光的产生介质的吸收在形式上也可以引入一个复折射率来描述：则，在介质内沿z轴方向传播的平面波的电场可以写为：则平面波的强度：令则有式中I0是z=0处的光强,为物质的吸收系数。2.2.1光的产生表明：光波的强度（能量）随着光波进入介质的距离z的增大按指数规律衰减，衰减的快慢取决于物质的吸收系数的大小。此式通常称为布格尔（Bouguer）定律。由布格尔定律可知：吸收系数在数值上等于光波强度因吸收而减弱到时透过的物质厚度的倒数，单位为cm-1。光的吸收2.2.1光的产生一般对可见光

4、来说，金属、玻璃可见各种物质的吸收系数的差别是很大的。大多数物质的吸收具有波长选择性。即，对于不同波长的光，物质的吸收系数不同。这种特殊性可用吸收系数和波长的关系曲线来表示。对于液体和固体，吸收带都比较宽，而对于气体则比较窄，通常只有10－3nm量级。光的吸收2.2.1光的产生吸收系数和波长的关系2.2.1光的产生光的产生光是从实物中发射出来的，因为实物是由大量的各种带电粒子组成，粒子在不断地运动。当它们的运动受到骚扰时就可能发射出电磁波。2.2.1光的产生不同物体发射不同波长的光2.2.1光的产生2.2.1光的产生

5、光产生的三种形式自发辐射受激辐射拉曼散射2.2.1光的产生E2E1h在没有光照射的情况下，处于E2能级的电子也能跃迁到E1，此时产生的能量为hv=E2-E1的光子，这种现象称为光的自发辐射。如果设法将电子处于E2能级，此时因自发辐射放出光子，故电子跃迁到E1能级，这时发出的光通常称为荧光（luminescence)。自发辐射－Spontaneous2.2.1光的产生受激辐射－Stimulated原子处于激发态上同时吸收一个对应能级差能量的光子入射的光子增加了原子向基态跃迁的几率发射两个相同的光子：一个为入射光

6、子，另一个为跃迁产生的光子2.2.1光的产生通过电偶极子的相互作用，电子在E1和E2能级之间跃迁时，吸收或者发射光，这种跃迁称为允许跃迁。另一方面，有些E1能级和E2能级的电子状态的组合并不能产生上述的电子跃迁。例如原子的轨道角动量相等的电子能级之间，就不可能通过电偶极子的相互作用吸收或发射光子产生电子跃迁，将此称为禁止跃迁。注意2.2.1光的产生喇曼散射－RamanScattering2.2.1光的产生以频率或波长为横轴，以辐射的强度为纵轴得到的曲线称为发射光谱。2.2.1光的产生在两个能级的情况下，这个曲线是一条

7、处于v=(E2-E1)/h位置处的垂直的线，该垂直线称为谱线。称这样的光谱为线光谱。如图所示2.2.1光的产生物质中的电子处于E2能级的时间是有限的。由能量和时间的测不准原理可知，如果电子处于E2能级的时间（即寿命τ）很短，E2将是一个不确定的值，所以光谱具有一定的线宽。有均匀加宽和不均匀加宽两种类型。均匀加宽例如气体，当加大气体的压力，气体分子之间将频繁的碰撞，气体分子内部的电子能级E2的寿命τ变短，E2不确定度即光谱线宽增大。这种光谱线宽对于所有的分子来说都是同样的，所以称为均匀线宽。均匀展宽光谱线宽2.2.1光

8、的产生在气体中，由于分子热运动的方向不同，对于与光传输方向同向运动的分子来说，光频率低；而与光传输方向反向运动的分子来说，光频率高，即所谓的多普勒效应。实际上，观测到的吸收光谱是各个分子吸收光谱的叠加，所以光谱线具有一定的宽度。这种光谱线的加宽是由于各个分子具有不同的线宽很窄的光谱，称为不均匀加宽。在发光光谱中，也同样产生光谱线的加宽。不均匀展