半導(dǎo)體光電子學(xué)第7章 半導(dǎo)體中的光吸收和光...ppt課件

第七章半導(dǎo)體中的光吸收和光探測,半導(dǎo)體對光的吸收機構(gòu)大致可分為：本征吸收；激子吸收；晶格振動吸收；雜質(zhì)吸收；自由載流子吸收.參與光吸收躍遷的電子可涉及四種：價電子；內(nèi)殼層電子；自由電子；雜質(zhì)或缺陷中的束縛電子，,7.1本征吸收,如果有足夠能量的光子作用到半導(dǎo)體上，價帶電子就有可能被激發(fā)到導(dǎo)帶而形成電子一空穴對。這樣的過程稱為本征吸收。第一章已經(jīng)提到，這種受激本征吸收使半導(dǎo)體材料具有較高的吸收系數(shù)，有一連續(xù)的吸收譜，并在光子振蕩頻率=Eg/h處有一陡峭的吸收邊，在1.24/Eg)的區(qū)域內(nèi)，材料是相當透明的。由于直接帶隙與間接帶隙躍遷相比有更高的躍遷速率，因而有更高的吸收系數(shù)或在同樣光子能量下在材料中的光滲透深度較小。與間接帶隙材料相比，直接帶隙材料有更陡的吸收邊，,圖7.1-1比較了幾種直接帶隙材料(GaAs、In0.7Ga0.3As0.64P0.36、In0.53Ga0.47As)和間接帶隙材料(Ge、Si)的光吸收系數(shù)和滲透深度與入射光波長的關(guān)系。,.,一、直接帶隙躍遷引起的光吸收,1允許躍遷在外光場作用下導(dǎo)帶電子向價帶躍遷的幾率為,在1.2中已提到在直接帶隙躍遷吸收中，可以產(chǎn)生允許的和禁戒的躍遷。,(1.2-25),當光輻射場與半導(dǎo)體中電子發(fā)生共振相互作用時，即滿=2=1，則上式括號中第一個指數(shù)變?yōu)?。由式(1.2-25)還可以看到，當滿足,(1.2-26),時，則括號中第二個指數(shù)變?yōu)?，這時括號中就有非零值。這說明，只有當半導(dǎo)體中的電子在輻射場作用下滿足動量守恒(k選擇定則)所產(chǎn)生的躍遷才有最大的躍遷幾率。,.,由式(1.2-25)和式(1.2-26)可以看出，當滿足動量守恒時產(chǎn)生允許的直接帶隙躍遷，這時價帶能量的最大值所對應(yīng)的波矢k=kmax與導(dǎo)帶能量最小值的波矢k=kmin。均在布里淵區(qū)的原點，即kmax=kmin=0，如圖7.1-2所示。允許的直接躍遷有最大的躍遷幾率，且躍遷矩陣元與波矢k基本無關(guān)。,(1.2-25),(1.2-26),.,吸收系數(shù)寫為,(7.1-7),其中A為常數(shù),(7.1-8),mr折合有效質(zhì)量，表示為,(7.1-6),m0為自由電子的質(zhì)量，其余都是所熟知的符號，只是fif表示與偶極矩陣元|M|2有關(guān)的振子強度，fif=2|M|2/m0，它通常是數(shù)量級為1的因子。,.,(7.1-7),(7.1-8),式(7.1-8)所能適用的范圍是有限的，當(h-Eg)的值較大時，吸收系數(shù)隨h變化緩慢，d隨h上升的曲線斜率與能帶的形狀有關(guān)。而且當(h-Eg)與激子激活能(關(guān)于激子吸收將在7.2中討論)可以相比擬時，式(7.1-7)還應(yīng)作適當修改。即使h0，此時吸收系數(shù)并不為零而趨于一穩(wěn)定值；當hEg的情況，其吸收系數(shù)為,(7.2-11),式中,當h=Eg時，則有ex(Eg)=0(Eg)；當hEg，則0，則ex(h)=A(h-Eg)1/2，即h很大時，庫侖引力趨于零，其激子的影響不明顯，這時的吸收系數(shù)即可用7.1中直接帶隙躍遷的吸收系數(shù)表示，但其值仍比沒有考慮電子-空穴庫侖引力時大，當hEg時，為分立的激子態(tài)，吸收譜線寬度受熱散射而展寬，在多數(shù)半導(dǎo)體中只能在低溫下觀察到n=1的吸收峰，圖7.2-2給出了激于吸收的理論曲線，橫坐標為-1處對應(yīng)于n=1的激于吸收峰。圖7.2-3則表示InP中的激于吸收譜的實驗曲線，從中可看出激子吸收峰。類似的吸收譜也在GaAs中觀察到。,.,對于禁戒的直接躍遷中的激子吸收，當hEg時，可得到一系列的線狀譜，其強度比例于(n2-1)/n2，可見沒有n=1的譜線。h=Eg時，得到收斂于吸收邊的連續(xù)譜，這時的吸收系數(shù)為,(7.2-12),(7.1-11),式中B由式(7.1-11)給出。對于較大的光子能量，吸收趨于式(7.1-10):,(7.2-13),在間接帶隙躍遷半導(dǎo)體中，由于激子質(zhì)心的動量k不為零，激子吸收也必須有聲子參與。設(shè)Emin為最小的激子形成能，則間接帶隙躍遷中激子引起的吸