高二物理競(jìng)賽光學(xué)波散射課件

1、光學(xué)波散射縱光學(xué)波：離子晶體中起決定作用的散射，晶體中正、負(fù)交叉的電荷區(qū)形成的電極化電場(chǎng)對(duì)電子產(chǎn)生強(qiáng)烈的散射作用，離子晶體中電子遷移率較小。橫光學(xué)波：不引起各種離子的密集，對(duì)電子無(wú)顯著散射作用。對(duì)于N個(gè)原胞組成的三維晶體，設(shè)每個(gè)原胞中有n個(gè)原子，該晶體的晶格振動(dòng)有以下三個(gè)一般結(jié)論：對(duì)于每個(gè)q，格波共有3n支，其中3支聲頻支，

其余3(n-1)支為光頻支；每支格波有N個(gè)振動(dòng)模；共有3nN個(gè)振動(dòng)模．

三維晶格振動(dòng)的一般結(jié)論(固體物理學(xué))Si、Ge半導(dǎo)體的原胞含有兩個(gè)原子，對(duì)應(yīng)于每一個(gè)q就有六支不同的格波，頻率低的三支格波稱(chēng)為聲學(xué)波，頻率高的三支為光學(xué)波。（一個(gè)縱波兩個(gè)橫波）長(zhǎng)聲學(xué)波：線(xiàn)性色散關(guān)系，彈性波長(zhǎng)光學(xué)波：頻率近似為常數(shù)金剛石晶格振動(dòng)沿[110]傳播的格波頻率與波矢的關(guān)系6個(gè)格波（同一q）聲學(xué)波：晶體中兩原子振動(dòng)位相一致（一縱兩橫）光學(xué)波：晶體中兩原子振動(dòng)位相相反（一縱兩橫）縱波：一個(gè)原子位移方向與波傳播方向平行原子平衡位置橫波：兩個(gè)原子位移方向與波傳播方向垂直原胞中兩個(gè)不同的原子聲學(xué)波與光學(xué)波頻率不同原胞中兩原子沿同一方向振動(dòng)，長(zhǎng)波代表原胞質(zhì)心的振動(dòng)原胞中兩原子振動(dòng)方向相反，長(zhǎng)波原胞質(zhì)心不動(dòng)各原子對(duì)平衡位置的位移可以分為若干不同頻率位移波的迭加位移矢量位移幅度矢量格波波矢原子的平衡位置格波角頻率格波的能量是量子化的：→聲子（能量為的量子）

第q個(gè)格波引起的第n個(gè)原子的位移聲子格波能量的量子化：晶格振動(dòng)的量子化可以用聲子描述可以把量子數(shù)為n的格波看成是n個(gè)屬于這一格波的聲子聲子遵循Bose-Einstein統(tǒng)計(jì)電子在振動(dòng)的晶格中被散射的過(guò)程可以看作是電子和聲子的“碰撞”過(guò)程晶格振蕩對(duì)載流子的散射，應(yīng)歸結(jié)到各種格波對(duì)電子的散射電子與聲子的碰撞遵守準(zhǔn)動(dòng)量守恒和能量守恒散射前，電子的波矢為k，能量為E；散射后，電子的波矢為k?，能量為E?；聲子的波矢為q

電子與晶格散射時(shí)，將吸收或發(fā)射一個(gè)聲子（正為吸收）長(zhǎng)聲學(xué)波：ωa

小，散射后電子能量基本不變，

是彈性散射長(zhǎng)光學(xué)波：ωa

大，散射前后電子能量變化大，

是非彈性散射膨脹狀態(tài)--原子間距增大壓縮狀態(tài)—原子間距減小縱聲學(xué)波示意圖：ABEcEv導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶Eg禁帶寬度隨原子間距變化：疏處禁帶寬度減小密處禁帶寬度增大波狀起伏？縱聲學(xué)波→原子疏密變化→

Eg變化→附加勢(shì)→破壞原周期性勢(shì)場(chǎng)→電子發(fā)生散射平衡時(shí)○○○○○○○○○○波的傳播方向振動(dòng)時(shí)橫聲學(xué)波：As⊥q，ΔEc＝0（ΔEv＝0），不發(fā)生能帶起伏，不引起載流子散射。橫聲學(xué)波示意圖：聲學(xué)波散射：縱聲學(xué)波：As‖q，縱聲學(xué)波中對(duì)電子散射起主要作用的是波長(zhǎng)較長(zhǎng)的縱聲學(xué)波；受聲學(xué)波散射的電子，散射前后的波矢保持不變；所改變的是電子的運(yùn)動(dòng)方向，能量基本不變，近似于彈性散射。聲子動(dòng)量與電子動(dòng)量同數(shù)量級(jí)橫聲學(xué)波：As⊥q，ΔEc＝0（ΔEv＝0

），不發(fā)生能帶起伏，不引起載流子散射。聲學(xué)波散射幾率：說(shuō)明：T↑→晶格振動(dòng)越強(qiáng)烈→對(duì)電子的散射幾率P↑→l（平均自由路程）↓→μ↓+++-++++--+++---+----+---+++-++++--++++++-++++--+++---+----+---+-+-+縱光學(xué)波離子晶體極化場(chǎng)縱光學(xué)波對(duì)于離子晶體，在光學(xué)波中，兩個(gè)離子向相反的方向振動(dòng)，從而導(dǎo)致以半個(gè)波長(zhǎng)為周期重復(fù)出現(xiàn)帶正電和帶負(fù)電的區(qū)域?？v光學(xué)波的散射幾率Po與溫度的關(guān)系：

當(dāng)長(zhǎng)聲學(xué)波和長(zhǎng)光學(xué)波兩種散射作用同時(shí)存在時(shí)，晶格振動(dòng)對(duì)載流子的總散射概率為兩種散射概率之和：對(duì)于不同的半導(dǎo)體，這兩種散射的相對(duì)強(qiáng)弱不同。在共價(jià)結(jié)合的元素半導(dǎo)體中，如Si和Ge，長(zhǎng)縱聲學(xué)波的散射是主要的；在極性半導(dǎo)體中，長(zhǎng)縱光學(xué)波的散射是主要的．在低溫時(shí)不起作用，隨著溫度的升高，光學(xué)波的散射概