光吸收光子能量课件.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,,‹#›,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,,,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,,,*,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,半导体的光吸收,庞智勇,山东大学物理学院,,,本幻灯片参照刘恩科等所著,《,半导体物理学,》,【,美,】J.I.,潘可夫，,《,半导体中的光学过程,》,编写,半导体物理,Semiconductor Physics,半导体中的主要光吸收过程包括本征吸收、激子吸收、自由载流子吸收、晶格振动吸收、杂质吸收等,,本征吸收即带间跃迁光吸收，包括直接跃迁和间接跃迁在研究半导体能带结构、声子结构或其它能级结构中，与光跃迁过程密切相关的吸收光谱、发光光谱等有重要意义。

半导体物理,Semiconductor Physics,,探测半导体能带结构最直接的方法就是去测量其光吸收谱在吸收过程中，一个已知能量的光子将电子由较低能态激发到较高能态根据吸收谱或者透射谱，人们就可以得知电子可能的跃迁，并获得许多关于能态分布的信息可能的跃迁过程包括：能带之间的跃迁、激子跃迁、子能带之间的跃迁、杂质和能带之间的跃迁、同一能带内自由载流子的跃迁以及由于晶格和杂质振动引起的共振跃迁半导体物理,Semiconductor Physics,本征吸收,(,基本吸收）,最基本的光吸收是从能带到能带的吸收，也就是一个电子从价带到导带的跃迁这种由于带与带之间的跃迁所形成的吸收过程称为,本征吸收,要发生本征吸收，光子能量必须等于大于禁带宽度，即,,,,,,半导体物理,Semiconductor Physics,,本征吸收光谱在低频（或长波）方面存在一个频率（波长）界限当频率低于频率界限时，不能产生本征吸收，吸收系数迅速下降这种吸收系数显著下降的特定波长,λ,0,（或特定频率,v,0,）称为半导体的,本征吸收限,跟据本征吸收限可以知道半导体材料的禁带宽度0 4 8 12 16,λ,（,μ,m,）,100,,,50,,,0,α,(cm,-1,),,半导体物理,Semiconductor Physics,直接跃迁,：,,光子动量远小于电子动量，在吸收过程中，光子动量可忽略不计，电子波矢保持不变,容许直接跃迁,：考虑两个直接能谷之间的光跃迁，此时，所有的动量守恒的跃迁都是允许的,,,,,,半导体物理,Semiconductor Physics,,,,,,,,禁戒直接跃迁：,在有些材料中，量子选择定则禁止在,k = 0,处的直接跃迁，但是允许在,k≠0,处的直接跃迁,Х,!,√!,半导体物理,Semiconductor Physics,,,当光跃迁需要能量和动量均改变时，因为光子不可能提供动量上的改变，跃迁需要一个两步过程。

通过与声子的相互作用可以达到动量守恒需要发射或吸收一个声子虽然声子谱很宽，但仅仅是那些能提供所需要的动量改变的声子方能有用通常是声学声子吸收声子,发射声子,间接跃迁,：,半导体物理,Semiconductor Physics,对于 的情况，光吸收系数为,,只能吸收声子,对于 的情况，光吸收系数为,既可吸收声子，也可发射声子,半导体物理,Semiconductor Physics,直接能谷之间的非直接跃迁,,,与非直接能谷间的跃迁很相似，由一个二级过程来达到动量守恒，例如声子的发射或吸收或者由杂质或载流子引起的散射半导体物理,Semiconductor Physics,高能量跃迁,,从价带到导带的直接跃迁在动量空间的几乎所有点都能够发生（除开那些为选择定则所禁戒的）这些跃迁具有的能量皆大于带隙能量另外，在导带与价带之内，都有一些子能带，这就允许一些更高能量的跃迁半导体物理,Semiconductor Physics,本征吸收系数和能量的关系,,间接跃迁，对应带隙,直接跃迁开始,直接跃迁吸收边，对应带隙,半导体物理,Semiconductor Physics,Burstein-Moss,效应,,对重掺杂半导体，以,n,型为例，费米能级进入导带。

发生光跃迁时，电子从价带跃迁导费米能级上方，因而表现光吸收限大于带隙本征吸收的吸收限向短波方向移动，这一现象称为,Burstein-Moss,效应有效质量越小的半导体，这种现象越显著半导体物理,Semiconductor Physics,高能量跃迁,,从价带到导带的直接跃迁在动量空间的几乎所有点都能够发生（除开那些为选择定则所禁戒的）这些跃迁具有的能量皆大于带隙能量另外，在导带与价带之内，都有一些子能带，这就允许一些更高能量的跃迁半导体物理,Semiconductor Physics,激子,：,一个自由空穴和一个自由电子作为具有相反电荷的一对，受到一库仑相吸作用，因而电子能绕着空穴运动，像是一个类氢原子这样一个体系叫做,激子,激子离化能（束缚能）,,,,,,,式中,n,为≥1的整数，表示不同的激发态,,n=1,n=2,n=∞,半导体物理,Semiconductor Physics,,为电子和空穴有效质量的折合质量,,,,激子的折合质量低于电子有效质量，,激子束缚能要低于施主或受主的束缚能,激子能在晶体中漫游漫游不形成电流激子在运动过程中可以通过两种途径消失：一是通过热激发或其它能量的激发使激子分离成自由电子和空穴；另一种是激子中的电子和空穴通过复合，使激子湮灭同时放出能量（发射光子或同时发射光子和声子）,半导体物理,Semiconductor Physics,激子吸收,,,激子的形成通常表现为在直接带隙半导体的吸收边具有一些窄峰，或者在间接带隙半导体的吸收边具有一些台阶。

在直接能隙半导体中，当光子能量为,hv,=,E,g,,-,E,x,（,激子束缚能）时，产生自由激子在,k,= 0,处，这是一个很明显的跃迁，它随温度升高而变宽,,,半导体物理,Semiconductor Physics,,半导体物理,Semiconductor Physics,,半导体物理,Semiconductor Physics,,在间接带隙半导体中，要保持动量守恒，需要有声子参与参与的声子可以多于一个，它们以不同的结合方式被吸收或发射，所以在吸收边可以出现许多台阶由于声子光谱很宽，因而不出现离散的激子吸收谱线，而形成许多很宽的台阶半导体物理,Semiconductor Physics,自由载流子吸收,,,当入射光子的频率不够高，不足以引起电子从带到带的跃迁或形成激子时，仍然存在吸收，而且其强度随波长增大而增加这是自由载流子在同一带内跃迁所引起的，称为,自由载流子吸收,k,E,,半导体物理,Semiconductor Physics,,,自由载流子吸收的特征是它具有一个单调的谱，它按,λ,p,增长，,p,在1.5-3.5之间，,λ,是光子波长，一般是红外吸收0 4 8 12 16,λ,（,μ,m,）,100,,,50,,,0,α,(cm,-1,),,半导体物理,Semiconductor Physics,,为吸收一个光子，电子从低能态跃迁到较高能态，需要满足能量及动量守恒，可用声子来与晶格相互作用或者用杂质散射的方法来达到动量改变。

声子散射使得吸收依,λ,1.5,增加，光学声子散射给出的依赖关系为,λ,2.5,，,离化杂质散射给出的依赖关系是,λ,3,或,λ,4,，,依所使用的近似理论而定一般地，三种散射模式都会发生自由载流子吸收系数是三种过程经过权重处理的总和半导体物理,Semiconductor Physics,能带与杂质能级之间的跃迁,,,在一个中性施主与导带之间，或在价带与一个中性受主之间的跃迁，可以借助于吸收一个低能量的光子来完成在这种吸收过程中，光子能量必须至少等于杂质的离化能这个能量一般相应于吸收谱的远红外区域杂质与能带之间吸收的特征是在吸收边处有一个肩部，此肩部所处的阈值能量比能隙低一个杂质的离化能能量透过率,波长,半导体物理,Semiconductor Physics,受主到施主的跃迁,,,,当晶体中同时存在施主和受主时，材料会部分补偿、全部补偿、或者是过分补偿，依赖于施主与受主与受主的比例受主态至少是被部分占据，施主态至少是部分空着，这就有可能去吸收一个光子，促使电子从一个受主态达到施主态由受主到施主跃迁产生的吸收谱结构与等电子陷阱不同最低能量在吸收谱中连续谱那部分，而谱中的分离结构，应该对应于较高的能量，它们靠近基本吸收边。

因其距基本吸收边很近，在光吸收实验中很难找到它半导体物理,Semiconductor Physics,等电子陷阱所产生的吸收,,,,等电子陷阱能束缚住一个激子例如氮替代,GaP,中的,P，,氮的等电子陷阱是一个很局域化的势阱，它能捕获一个电子，从而变成带电的，所产生的库仑电场能吸引住一个空穴，这两个陷进去的载流子形成被等电子陷阱束缚的一个激子最近邻的等电子杂质具有最高的束缚能，在吸收谱中对应于能量最低的峰，而连续谱出现在较高能量处，并在这些地方汇入基本吸收边光吸收,光子能量 （,eV,）,2.18,2.32,GaP,晶体,半导体物理,Semiconductor Physics,能带内部跃迁,,,,,P,型：当价带顶部为空穴占据时，可能有三种方式来吸收光子实现跃迁：1、从轻空穴带,V,2,到重空穴带,V,1,，2、,从分裂出去的带,V,3,到重空穴带,V,1,，3、,从,V,3,到轻空穴带,V,2,N,型：导带子能带之间跃迁,在相同导带子能带不同,k,极小值之间的间接跃迁半导体物理,Semiconductor Physics,晶格吸收,,,在化合物半导体中，不同种类的原子间的键合形成一组电偶极子。

这些偶极子可以从电磁场中吸收能量，当辐射频率等于偶极子的一个振动模式时，偶极子与辐射的耦合达到极大发生在谱的远红外范围通常振动模式是复杂的，需要多声子参与，观察到的相应谱结构也很复杂,,,,半导体物理,Semiconductor Physics,杂质振动吸收,,,热电子协助吸收,,强电场下的吸收,,有兴趣可以查阅相关书目,,,,内容总结,半导体的光吸收在研究半导体能带结构、声子结构或其它能级结构中，与光跃迁过程密切相关的吸收光谱、发光光谱等有重要意义在吸收过程中，一个已知能量的光子将电子由较低能态激发到较高能态本征吸收光谱在低频（或长波）方面存在一个频率（波长）界限这种吸收系数显著下降的特定波长λ0（或特定频率v0）称为半导体的本征吸收限这些跃迁具有的能量皆大于带隙能量激子离化能（束缚能）为电子和空穴有效质量的折合质量激子在运动过程中可以通过两种途径消失：一是通过热激发或其它能量的激发使激子分离成自由电子和空穴这是自由载流子在同一带内跃迁所引起的，称为自由载流子吸收因其距基本吸收边很近，在光吸收实验中很难找到它在化合物半导体中，不同种类的原子间的键合形成一组电偶极子有兴趣可以查阅相关书目,。