L7固體的光學(xué)性質(zhì)和光電現(xiàn)象(1)

1、17.1 7.1 固體的光學(xué)常數(shù)固體的光學(xué)常數(shù)7.2 7.2 克拉末克拉末克龍尼克克龍尼克(K-K)關(guān)系關(guān)系7.3 7.3 光學(xué)常數(shù)的實驗測量光學(xué)常數(shù)的實驗測量7.4 7.4 半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1)(1) 27 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 當(dāng)光通過固體時，由于光與固體中的電子、激當(dāng)光通過固體時，由于光與固體中的電子、激子、晶格振動和缺陷的相互作用而產(chǎn)生光的吸收。子、晶格振動和缺陷的相互作用而產(chǎn)生光的吸收。 當(dāng)固體吸收外界能量后，其中部分能量以光的當(dāng)固體吸收外界能量后，

2、其中部分能量以光的形式發(fā)射出來。形式發(fā)射出來。 本章重點討論半導(dǎo)體中的光吸收、光電導(dǎo)、光本章重點討論半導(dǎo)體中的光吸收、光電導(dǎo)、光生伏特效應(yīng)和發(fā)光現(xiàn)象。生伏特效應(yīng)和發(fā)光現(xiàn)象。 固體的光電現(xiàn)象包括：光的吸收、光電導(dǎo)、光固體的光電現(xiàn)象包括：光的吸收、光電導(dǎo)、光生伏特效應(yīng)和光的發(fā)射等。生伏特效應(yīng)和光的發(fā)射等。37 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 固體的光學(xué)常數(shù)固體的光學(xué)常數(shù) 理想理想(絕緣絕緣)介質(zhì)中沿介質(zhì)中沿z方向傳播的平面波方向傳播的平面波:nniK 這種電磁波在傳播過程中沒有損耗。對于這種電磁波在傳播過程中沒有損耗。對于吸收介質(zhì)用復(fù)折射率描述吸收介質(zhì)用

3、復(fù)折射率描述 ：()0itnzcEE e 式中，式中，k為消光系數(shù)。導(dǎo)電為消光系數(shù)。導(dǎo)電介質(zhì)中平面波：介質(zhì)中平面波：()0KzitnzccEE ee 7.1 固體的光學(xué)常數(shù)固體的光學(xué)常數(shù)47 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.1 固體的光學(xué)常數(shù)固體的光學(xué)常數(shù) 而光強而光強I與振幅的平方成正比，即與振幅的平方成正比，即2220KzcIEEe 令令 ，光強可寫為，光強可寫為2Kc0zII e 為吸收系數(shù)。它數(shù)值上等于光波強度因吸為吸收系數(shù)。它數(shù)值上等于光波強度因吸收而減弱到收而減弱到1/e時透過的物質(zhì)厚度的倒數(shù)，它用時透過的物質(zhì)厚度的倒數(shù)，它用單位單位

4、cm-1表示。表示。57 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.1 固體的光學(xué)常數(shù)固體的光學(xué)常數(shù) 當(dāng)光從自由空間入射到固體表面時，反射當(dāng)光從自由空間入射到固體表面時，反射光強與入射光強之比稱為反射率光強與入射光強之比稱為反射率R222221(1)1(1)nnKRnnK67 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.1 固體的光學(xué)常數(shù)固體的光學(xué)常數(shù)222ncic 用麥克斯韋方程將它們聯(lián)系起來：用麥克斯韋方程將它們聯(lián)系起來： 式中，式中，c為真空中的光速，為真空中的光速，001/c 固體的光學(xué)常數(shù)除了可用折射率和消光系

5、固體的光學(xué)常數(shù)除了可用折射率和消光系數(shù)這對物理量來描述外，還可用其他物理量來數(shù)這對物理量來描述外，還可用其他物理量來描述。較常用的是介電常數(shù)描述。較常用的是介電常數(shù) 與電導(dǎo)率與電導(dǎo)率 。77 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.1 固體的光學(xué)常數(shù)固體的光學(xué)常數(shù) 對于非磁性固體材料對于非磁性固體材料 對于無吸收介質(zhì)，對于無吸收介質(zhì)， 022022011121112nK00,/Kn 故87 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.1 固體的光學(xué)常數(shù)固體的光學(xué)常數(shù) 除了用（除了用（n, K）和）和(,)來描述物質(zhì)的光

6、性外，來描述物質(zhì)的光性外，還可用復(fù)還可用復(fù)介電常數(shù)或介電常數(shù)或復(fù)復(fù)電導(dǎo)率來描述：電導(dǎo)率來描述：ii97 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.1 固體的光學(xué)常數(shù)固體的光學(xué)常數(shù) 總之，描述固體的宏觀光學(xué)性質(zhì)可以有多總之，描述固體的宏觀光學(xué)性質(zhì)可以有多種形式，可用兩個參數(shù)組成一組，或用一個復(fù)種形式，可用兩個參數(shù)組成一組，或用一個復(fù)數(shù)參量，它們之間有一定的變換關(guān)系。數(shù)參量，它們之間有一定的變換關(guān)系。 復(fù)數(shù)形式的光學(xué)常數(shù)具有實部分量和虛部復(fù)數(shù)形式的光學(xué)常數(shù)具有實部分量和虛部分量，在光波的電磁作用下，其中一個分量與分量，在光波的電磁作用下，其中一個分量與能量消耗

7、有關(guān)，而另一個分量則不涉及能量消能量消耗有關(guān)，而另一個分量則不涉及能量消耗。耗。107 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.2 (K-K)關(guān)系關(guān)系克拉末克拉末克龍尼克克龍尼克 (K-K)關(guān)系關(guān)系12( )( )( )CCiC 每個固體需用兩個光學(xué)常數(shù)來描述，知道每個固體需用兩個光學(xué)常數(shù)來描述，知道其中一個量在整個頻譜段中的全部值（不是單其中一個量在整個頻譜段中的全部值（不是單一頻率下的值），便可由一頻率下的值），便可由K-K關(guān)系算出該固體關(guān)系算出該固體另外一個量在相應(yīng)頻段中的值。另外一個量在相應(yīng)頻段中的值。 將某種形式的光學(xué)常數(shù)寫成：將某種形式的光學(xué)

8、常數(shù)寫成：117 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.2 (K-K)關(guān)系關(guān)系 則則K-K關(guān)系表示為關(guān)系表示為12220()2( )CCd 211220()2( )( )CCCd K-K關(guān)系常常用來處理光學(xué)實驗數(shù)據(jù)。關(guān)系常常用來處理光學(xué)實驗數(shù)據(jù)。 上面兩式的積分中有奇異點，實際應(yīng)按下上面兩式的積分中有奇異點，實際應(yīng)按下面方法取值：面方法取值：000lim()aaa127 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.2 (K-K)關(guān)系關(guān)系例如，折射率的測量比吸收系數(shù)測量更費事，例如，折射率的測量比吸收系數(shù)測量更費事，這

9、時便可測量出較寬范圍內(nèi)的系數(shù)系數(shù)，然后這時便可測量出較寬范圍內(nèi)的系數(shù)系數(shù)，然后根據(jù)根據(jù)K-K關(guān)系計算出折射率與波長的關(guān)系：關(guān)系計算出折射率與波長的關(guān)系：220()( )1cnd 137 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.3 光學(xué)常數(shù)的實驗測量光學(xué)常數(shù)的實驗測量 測量固體光學(xué)常數(shù)譜的常用方法是橢圓偏測量固體光學(xué)常數(shù)譜的常用方法是橢圓偏振光譜方法。通過同時測量反射光束或透射光振光譜方法。通過同時測量反射光束或透射光束振幅衰減和相位改變，它可以只經(jīng)由光譜測束振幅衰減和相位改變，它可以只經(jīng)由光譜測量，而不必借助量，而不必借助k-k變換直接求得被測樣品的折變

10、換直接求得被測樣品的折射率和消光系數(shù)，從而獲得被研究固體的全部射率和消光系數(shù)，從而獲得被研究固體的全部光學(xué)常數(shù)。光學(xué)常數(shù)。（1）橢圓偏振光譜方法）橢圓偏振光譜方法光學(xué)常數(shù)的實驗測量光學(xué)常數(shù)的實驗測量147 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.3 光學(xué)常數(shù)的實驗測光學(xué)常數(shù)的實驗測量oscoscoscospnnrnn112211122coscoscoscossnnrnn第第1 1界面（空氣界面（空氣- -膜）的反射系數(shù)膜）的反射系數(shù) 腳標(biāo)腳標(biāo)p和和s分別表示分別表示p波和波和s波，波， 為入射角。為入射角。1 以圖以圖7-37-

11、3為例，空氣的折射率為為例，空氣的折射率為 ，膜的，膜的復(fù)折射率為復(fù)折射率為 ，襯底的復(fù)折射率為，襯底的復(fù)折射率為 膜厚為膜厚為d，則，則1n2n3n7 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.3 光學(xué)常數(shù)的實驗測光學(xué)常數(shù)的實驗測量量16322323223coscoscoscospnnrnn223322233coscoscoscossnnrnn 第第2 2界面（膜界面（膜- -襯底）的反射系數(shù)襯底）的反射系數(shù)112233sinsinsinnnn 一般為復(fù)數(shù)。一般為復(fù)數(shù)。 有如下關(guān)系：有如下關(guān)系：231、對1122pspsrrrr、7 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固

12、體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.3 光學(xué)常數(shù)的實驗測光學(xué)常數(shù)的實驗測量量172122121ipppipprr eRr r e 總反射總反射光束是許多光束是許多反射反射光束疊加的結(jié)果。光束疊加的結(jié)果。用多束光干涉公式，得用多束光干涉公式，得總反射系數(shù)：總反射系數(shù)：222cosdn2122121isssissrr eRr r e 是光在真空中的波長是光在真空中的波長 式中：式中： 為兩相鄰為兩相鄰光束的位相差，即有：光束的位相差，即有：27 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.3 光學(xué)常數(shù)的實驗測光學(xué)常數(shù)的實驗測量量18tan

13、pisReR定義橢偏參數(shù)定義橢偏參數(shù) 和和 tan 式中：式中： 的意義是相對振幅衰減，的意義是相對振幅衰減， 則是相位移動之差。則是相位移動之差。 與與 均以角度量度。均以角度量度。7 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.3 光學(xué)常數(shù)的實驗測光學(xué)常數(shù)的實驗測量量1922( ,)( ,)d nd n ，。1n 綜上所述，在固定實驗條件（波長綜上所述，在固定實驗條件（波長 和入和入射角射角 已知）下，空氣的已知）下，空氣的 可認為等于可認為等于1 1，若，若襯底的襯底的 已知，則有已知，則有 若測得若測得橢偏參數(shù)橢偏參數(shù) 和和 ，便可得到樣品中膜，便可

14、得到樣品中膜的物理信息。的物理信息。 13n7 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.3 光學(xué)常數(shù)的實驗測光學(xué)常數(shù)的實驗測量量20（2）吸收光譜和反射光譜）吸收光譜和反射光譜 吸收光譜適合于被測材料大致是透明的或吸收光譜適合于被測材料大致是透明的或者吸收系數(shù)較小（者吸收系數(shù)較?。?）的波段，）的波段，并直接測量與某一微觀特征吸收過程相聯(lián)系的并直接測量與某一微觀特征吸收過程相聯(lián)系的消光系數(shù)譜消光系數(shù)譜K( )。 反射光譜適合于不透明的材料，即吸收系數(shù)反射光譜適合于不透明的材料，即吸收系數(shù)較大（較大（ ）的波段。）的波段。23110 10 cm23110

15、10 cm7 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.3 光學(xué)常數(shù)的實驗測光學(xué)常數(shù)的實驗測量量21 它們通常適合于從近紫外到可見光和一般它們通常適合于從近紫外到可見光和一般紅外光波段的光學(xué)常數(shù)譜測量。為了獲得這些紅外光波段的光學(xué)常數(shù)譜測量。為了獲得這些波段內(nèi)完整的光學(xué)常數(shù)譜，需要引用波段內(nèi)完整的光學(xué)常數(shù)譜，需要引用k-k變換。變換。7 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.3 光學(xué)常數(shù)的實驗測光學(xué)常數(shù)的實驗測量量22 在紅外光波段，尤其是遠紅外和亞毫米波在紅外光波段，尤其是遠紅外和亞毫米波段，還常用非對稱傅立葉變

16、換光譜方法，或稱段，還常用非對稱傅立葉變換光譜方法，或稱色散傅立葉變換光譜方法測量半導(dǎo)體和其他固色散傅立葉變換光譜方法測量半導(dǎo)體和其他固體的光學(xué)常數(shù)。它們也是一類直接測量的方法，體的光學(xué)常數(shù)。它們也是一類直接測量的方法，而不必引用而不必引用k-k變換。變換。（3）非對稱傅立葉變換光譜）非對稱傅立葉變換光譜7 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.3 光學(xué)常數(shù)的實驗測光學(xué)常數(shù)的實驗測量量237 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1)。禁禁帶帶中中能能級級與與能能帶帶之之間間間間；同同一一能能帶帶的的不不同同狀狀態(tài)態(tài)之之

17、不不同同能能帶帶的的狀狀態(tài)態(tài)之之間間；.321電子吸收光子電子吸收光子能量后將躍遷能量后將躍遷 半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收 半導(dǎo)體材料通常能強烈地吸收光能，具有半導(dǎo)體材料通常能強烈地吸收光能，具有數(shù)量級為數(shù)量級為105cm-1的吸收系數(shù)。材料吸收輻射能的吸收系數(shù)。材料吸收輻射能導(dǎo)致電子從低能級躍遷到較高的能級。導(dǎo)致電子從低能級躍遷到較高的能級。7.4 半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收247 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.4 半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收（1）本征吸收本征吸收本征吸收：光照后，電子由價帶向?qū)У能S遷本征吸收：光照后，電子由價帶向?qū)?/p>

18、的躍遷所引起的光吸收稱為本征吸收。所引起的光吸收稱為本征吸收。光子能量滿足的條件：光子能量滿足的條件：0ghhE 其中，其中， 是發(fā)生本征吸是發(fā)生本征吸收的最低頻率限，相應(yīng)的收的最低頻率限，相應(yīng)的 為長波極限，為長波極限， 稱為半稱為半導(dǎo)體的本征吸收限。導(dǎo)體的本征吸收限。0000，25本征吸收長波限的公式：本征吸收長波限的公式： 根據(jù)半導(dǎo)體材料不同的禁帶寬度，可以算出根據(jù)半導(dǎo)體材料不同的禁帶寬度，可以算出相應(yīng)的本征吸收長波限。相應(yīng)的本征吸收長波限。01.24()gghceVmEEeV（）本征吸收的分類：直接躍遷和間接躍遷本征吸收的分類：直接躍遷和間接躍遷7 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固

19、體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.4 半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收26（2）直接躍遷和間接躍遷直接躍遷和間接躍遷 直接躍遷直接躍遷 直接帶隙半導(dǎo)體直接帶隙半導(dǎo)體電子吸收光子從價帶頂躍遷到導(dǎo)帶底狀態(tài)電子吸收光子從價帶頂躍遷到導(dǎo)帶底狀態(tài)EBA0kgE h滿足能量守恒：滿足能量守恒：0gE滿足動量守恒：滿足動量守恒：kk光子動量由于光子動量電子動量kk所以所以7 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.4 半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收27 即躍遷的過程中，電子的波矢即躍遷的過程中，電子的波矢（ k k ）可可以看作是不變的。這是電子躍遷的選擇定則。以

20、看作是不變的。這是電子躍遷的選擇定則。 從圖中可以看出，只從圖中可以看出，只有光子參與躍遷時，電子有光子參與躍遷時，電子躍遷前后的波矢不變，躍遷前后的波矢不變，電電子初態(tài)和末態(tài)幾乎在一條子初態(tài)和末態(tài)幾乎在一條豎直線上。這種躍遷稱為豎直線上。這種躍遷稱為直接躍遷。直接躍遷。EBA0kgE hkk7 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.4 半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收28 在常用半導(dǎo)體中，在常用半導(dǎo)體中，族族的砷化鎵、銻化銦及的砷化鎵、銻化銦及族等族等材料，導(dǎo)帶極小值和價帶極大材料，導(dǎo)帶極小值和價帶極大值對應(yīng)于相同的波矢，常稱為值對應(yīng)于相同的波矢，常稱為

21、直接帶隙半導(dǎo)體。直接帶隙半導(dǎo)體。EBA0kgE h 對應(yīng)于不同的對應(yīng)于不同的k，垂直距離各不相同。這相，垂直距離各不相同。這相當(dāng)于任何一個當(dāng)于任何一個k k值的不同能量的光子都有可能被值的不同能量的光子都有可能被吸收，而吸收的光子最小能量應(yīng)等于禁帶寬度。吸收，而吸收的光子最小能量應(yīng)等于禁帶寬度。 由此可見，本征吸收形成一個連續(xù)吸收帶，并具由此可見，本征吸收形成一個連續(xù)吸收帶，并具有一長波吸收限有一長波吸收限 。因而從光吸收的測。因而從光吸收的測量，也可求得量，也可求得禁帶寬度。禁帶寬度。0/ghc E7 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.4 半導(dǎo)體

22、的光吸收半導(dǎo)體的光吸收297 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.4 半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收307 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.4 半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收31 理論計算可得：在直接躍遷中，對任何理論計算可得：在直接躍遷中，對任何k k值的躍遷都是允許的，則吸收系數(shù)與光子能值的躍遷都是允許的，則吸收系數(shù)與光子能量關(guān)系為：量關(guān)系為：基本為一常數(shù)?；緸橐怀?shù)。，AEhEhEhAhggg 021/直接躍遷吸收系數(shù)與光子能量的關(guān)系直接躍遷吸收系數(shù)與光子能量的關(guān)系2 2 h22 或或gE外外推推可

23、可確確定定7 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.4 半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收32 間接躍遷間接躍遷間接帶隙半導(dǎo)體間接帶隙半導(dǎo)體動量守恒：動量守恒： 電子吸收光子從價帶頂躍遷到導(dǎo)帶底的過程電子吸收光子從價帶頂躍遷到導(dǎo)帶底的過程中，中， 這類半導(dǎo)體稱為這類半導(dǎo)體稱為間接帶隙半導(dǎo)體間接帶隙半導(dǎo)體。非。非直接躍遷是電子、光子和聲子共同參與的躍遷。直接躍遷是電子、光子和聲子共同參與的躍遷。kk能量守恒：能量守恒：E0 0iE000111a gESfE的的能能帶帶Ge0pfihEEE電子能量差()kkq光子動量其中，其中，Ep為聲子的能量；為聲子的能量；q

24、為聲子的動量。為聲子的動量。7 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.4 半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收33動量守恒：動量守恒：E0 0iE000111a gESfE的的能能帶帶Ge能量守恒：能量守恒：0pfihEEEE電子能量差()kkq光子動量Eph因為，所以0gEhEq 因為光子動量，所以()kkq0gEhE7 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.4 半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收34略去光子動量，得略去光子動量，得()kkqkkq 式中式中q是聲子波矢是聲子波矢E0 0iE000111a gESfE的的能

25、能帶帶Ge 可見，在非直接躍遷可見，在非直接躍遷過程中，電子不僅吸收過程中，電子不僅吸收光子，同時還和晶格交光子，同時還和晶格交換一定的振動能量，即換一定的振動能量，即放出或吸收一個聲子，放出或吸收一個聲子，電子波矢電子波矢k發(fā)生發(fā)生改變。這改變。這種躍遷也稱間接躍遷。種躍遷也稱間接躍遷。7 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.4 半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收35 間接躍遷為一個二級過程（電子與光子作用，間接躍遷為一個二級過程（電子與光子作用，電子與聲子作用），因此其發(fā)生概率比直接躍電子與聲子作用），因此其發(fā)生概率比直接躍遷小得多，相應(yīng)的吸收系數(shù)也小

26、。遷小得多，相應(yīng)的吸收系數(shù)也小。164131010101cmcm直直間間； 吸收系數(shù)的理論表達式為：吸收系數(shù)的理論表達式為：7 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.4 半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收36h22exp11 expgpgpgpppBBhEEhEEAhEEEEk Tk T2exp1gpgpgppBhEEAEEhEEEkT0gphEE吸收聲子和發(fā)射聲子的躍遷均發(fā)生吸收聲子和發(fā)射聲子的躍遷均發(fā)生只能發(fā)生吸收聲子的躍遷只能發(fā)生吸收聲子的躍遷躍遷不能發(fā)生躍遷不能發(fā)生7 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.4

27、 半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收37光子能量大于光子能量大于hv0后，后，一開始就有強烈吸一開始就有強烈吸收，吸收系數(shù)陡峻收，吸收系數(shù)陡峻上升，反映出直接上升，反映出直接躍遷過程。躍遷過程。隨著隨著hv的增加，吸的增加，吸收系數(shù)首先上升到收系數(shù)首先上升到一段較平緩的區(qū)域，一段較平緩的區(qū)域，這對應(yīng)于間接躍遷；這對應(yīng)于間接躍遷；向更短波長方面，隨向更短波長方面，隨著著hv增加，吸收系數(shù)增加，吸收系數(shù)再一次陡增，發(fā)生強再一次陡增，發(fā)生強烈的光吸收，表示直烈的光吸收，表示直接躍遷的開始。接躍遷的開始。間接帶隙半間接帶隙半導(dǎo)體中，仍導(dǎo)體中，仍可能發(fā)生直可能發(fā)生直接躍遷。接躍遷。7 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的

28、光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.4 半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收38 對重摻雜半導(dǎo)體（如對重摻雜半導(dǎo)體（如n n型），型），E EF F 進入導(dǎo)帶，進入導(dǎo)帶，低溫時，低溫時，E EF F 以下能級被電子占據(jù)，價帶電子只以下能級被電子占據(jù)，價帶電子只能躍遷到能躍遷到E EF F 以上的狀態(tài)，因而本征吸收長波限以上的狀態(tài)，因而本征吸收長波限藍移，即伯斯坦移動藍移，即伯斯坦移動(Burstein-MossBurstein-Moss效應(yīng)效應(yīng))。 在強電場作用下，能帶傾斜，小于在強電場作用下，能帶傾斜，小于E Eg g的光子的光子可通過光子誘導(dǎo)的隧道效應(yīng)發(fā)生本征躍遷，既本可通過光

29、子誘導(dǎo)的隧道效應(yīng)發(fā)生本征躍遷，既本征吸收長波限紅移，即弗朗茲征吸收長波限紅移，即弗朗茲-克爾德什克爾德什（Franz-KeldyshFranz-Keldysh）效應(yīng)。）效應(yīng)。7 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.4 半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收39（1）其他吸收過程其他吸收過程 激子吸收激子吸收導(dǎo)帶導(dǎo)帶價帶價帶能隙能隙(禁帶）禁帶）激子能級激子能級 光子能量光子能量hvEg，價電子由，價電子由價帶向稍低于導(dǎo)帶底處的的能價帶向稍低于導(dǎo)帶底處的的能級的躍遷。這些能級可以看作級的躍遷。這些能級可以看作是一些電子是一些電子- -空穴（或叫做激子）空穴（或叫

30、做激子）的激子能級。的激子能級。 價帶電子受激發(fā)后不足以進入導(dǎo)帶而成為自由電價帶電子受激發(fā)后不足以進入導(dǎo)帶而成為自由電子，仍然受到空穴的庫侖場作用。實際上，受激電子子，仍然受到空穴的庫侖場作用。實際上，受激電子和空穴互相束縛而結(jié)合在一起成為一個新的系統(tǒng)，這和空穴互相束縛而結(jié)合在一起成為一個新的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)稱為激子，這樣的光吸收稱為激子吸收。種系統(tǒng)稱為激子，這樣的光吸收稱為激子吸收。7 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.4 半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收40導(dǎo)帶導(dǎo)帶價帶價帶能隙能隙(禁帶）禁帶）激子能級激子能級 處于這種能級上的電子，處于這種能級上的

31、電子，不同于被激發(fā)到導(dǎo)帶上的電子，不同于被激發(fā)到導(dǎo)帶上的電子，不顯示光電導(dǎo)現(xiàn)象，它們和價不顯示光電導(dǎo)現(xiàn)象，它們和價帶中的空穴偶合成電子帶中的空穴偶合成電子- -空穴空穴對（激子）。對（激子）。 激子作為整體是電中性的，激子作為整體是電中性的，因此不形成電流。它可以在晶因此不形成電流。它可以在晶體中運動一段距離后再復(fù)合湮體中運動一段距離后再復(fù)合湮滅。滅。7 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.4 半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收41激子消失的途徑：激子消失的途徑：通過熱激發(fā)或其它能量的激發(fā)，使激子分通過熱激發(fā)或其它能量的激發(fā)，使激子分離成為自由電子或空穴；

32、離成為自由電子或空穴；激子中的電子和空穴通過復(fù)合，使激子消激子中的電子和空穴通過復(fù)合，使激子消滅而同時放出能量（發(fā)射光子或同時發(fā)射光滅而同時放出能量（發(fā)射光子或同時發(fā)射光子和聲子）。子和聲子）。 7 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.4 半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收42cE1 nvEgE激子能級圖激子能級圖激子吸收光譜激子吸收光譜1 n2 n2 nexE h 激子吸收譜必須在低溫時才能觀察到。第激子吸收譜必須在低溫時才能觀察到。第一個吸收峰對應(yīng)光子能量為一個吸收峰對應(yīng)光子能量為 ，n值越大，值越大，激子能級準連續(xù)，與本征吸收光譜合并。室溫激子能級準

33、連續(xù)，與本征吸收光譜合并。室溫下，激子吸收峰完全被抹掉。下，激子吸收峰完全被抹掉。gexEE激子吸收譜激子吸收譜7 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.4 半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收43 對于一般半導(dǎo)體材料，當(dāng)入對于一般半導(dǎo)體材料，當(dāng)入射光子的頻率不夠高，不足以射光子的頻率不夠高，不足以引起電子從帶到帶的躍遷或形引起電子從帶到帶的躍遷或形成激子時，仍然存在著吸收，成激子時，仍然存在著吸收，而且其強度隨波長增大而增加而且其強度隨波長增大而增加（如圖所示）。這是自由載流（如圖所示）。這是自由載流子在同一帶內(nèi)的躍遷所引起的，子在同一帶內(nèi)的躍遷所引起的，稱

34、為自由載流子吸收。稱為自由載流子吸收。 自由載流子吸收自由載流子吸收7 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.4 半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收44 與本征躍遷不同，自由載與本征躍遷不同，自由載流子吸收中，電子從低能態(tài)到流子吸收中，電子從低能態(tài)到較高能態(tài)的躍遷是在同一能帶較高能態(tài)的躍遷是在同一能帶內(nèi)發(fā)生的。內(nèi)發(fā)生的。 和本征吸收的非直接躍遷相似，電子的躍和本征吸收的非直接躍遷相似，電子的躍遷也必須伴隨著吸收或發(fā)射一個聲子。因為自遷也必須伴隨著吸收或發(fā)射一個聲子。因為自由載流子吸收中所吸收的光子能量小于由載流子吸收中所吸收的光子能量小于hv，一，一般是紅外吸收。般是紅外吸收。Ek自由載流子吸收自由載流子吸收7 7 固體的光學(xué)性質(zhì)固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的與固體中的光電現(xiàn)光電現(xiàn)象象(1) 7.4 半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收45 在一些在一些p型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中還觀察到另一種類型的還觀察到另一種類型的自由載