半导体的光学常数和光吸收.pptx

半导体的光学常数和光吸收⑵吸收系数:光在介质中传播时有衰减,说明介质对光有吸收。用透射法测定光在介质中传播得衰减情况时,发现介质中光得衰减率与光得强度成正比,引入比例系数,即:
⑶反射系数R:反射系数R就是界面反射能流密度与入射能流密度之比,若以与分别代表入射波与反射波电矢量振幅,则有:

⑷透射系数T:透射系数T为透射能流密度与入射能流密度之比,由于能量守恒,在界面上可以得到:T=1-R
当光透过厚度为d,吸收系数为得介质时有:
二、半导体得光吸收
光在导电介质中传播时具有衰减现象,即产生光得吸收,半导体材料通常能强烈得吸收光能,具有105cm-1得吸收系数。对于半导体材料,自由电子与束缚电子得吸收都很重要。
价带电子吸收足够得能量从价带跃迁入导带,就是半导体研究中最重要得吸收过程。与原子吸收得分立谱线不同,半导体材料得能带就是连续分布得,光吸收表现为连续得吸收带。
下面介绍几种半导体得光吸收过程:价带电子吸收能量大于或等于禁带宽度得光子使电子从价带跃迁入导带得过程被称为本征吸收。

当半导体被光照射后,如果光子得能量等于禁带宽度(即hν=Eg),则半导体会吸收光子而产生电子-空穴对,如(a)所示。若hν大于Eg,则除了会产生电子-空穴对之外,多余得能量(hν-Eg)将以热得形式耗散,如(b)所示。以上(a)与(b)得过程皆称为本征跃迁,或称为能带至能带得跃迁。另一方面,若hν小于Eg,则只有在禁带中存在由化学杂质或物理缺陷所造成得能态时,光子才会被吸收,如(c)所示,这种过程称为非本征跃迁。(2)直接跃迁与直接带隙半导体参照右图所示得一维E(k)曲线可见,为了满足选择定则,吸收光子只能使处在价带中状态A得电子跃迁到导带中k相同得状态B。A与B在E(k)曲线上位于同一竖直线上,这种跃迁称为直接跃迁。在A到B得直接跃迁中所吸收得光子能量hν与图中垂直距离相对应。就就是说,与任何一个k值相对应得导带与价带之间得能量差相当得光子都有可能被吸收,而能量最小得光子对应于电子从价带顶到导带底得跃迁,其能量等于禁带宽度Eg。本征吸收形成一个连续吸收带,并具有一长波吸收限ν0＝Eg／h。因而,从光吸收谱得测量可以求出禁带宽度Eg。在常用半导体中,III-Ⅴ族得GaAs、InSb及Ⅱ-Ⅵ族等材料,导带极小值与价带极大值对应于相同得波矢,常称为直接禁带半导体。这种半导体在本征吸收过程中发生电子得直接跃迁。
由理论计算可知,在直接跃迁中,如果对于任何k值得跃迁都就是允许得,则吸收系数与光子能量得关系为:
(3)间接跃迁与间接带隙半导体:诸如硅与锗得一些半导体材料,导带底与价带顶并不像直接带隙半导体那样具有相同得波矢k。这类半导体称为间接带隙半导体,对这类半导体,任何直接跃迁所吸收得光子能量都应该比其禁带宽度Eg大得多。因此,若只有直接跃迁,这类半导体应不存在与禁带宽度相当得光子吸收。这与实际情况不符。
这就意味着在本征吸收中除了有符合选择定则得直接跃迁外,还存在另外一种形式得跃迁,如右图中得O→S跃迁。在这种跃迁过程中,电子不仅吸收光子,同时还与晶格振动交换一定得能量,即放出或吸收一个或多个声子。这时,准能量守恒不再就是电子与光子之间所能满足得关系,更主要得参与者应该就是声子。这种跃迁被称为非直接跃迁,或称间接跃迁。总之,半导体材料得光吸收过程中,如果只考虑电子与光子得相互作用,则根据动量守恒要求,只可能发生直接跃迁;但如果还考虑电子与晶格得相互作用,则非直接跃迁也就是可能得,这就是由于依靠发射或吸收一个声子,使动量守恒原则仍然得到满足。
由于间接跃迁得吸收过程一方面依赖于电子与光子得相互作用,另一方面还依赖于电子与晶格得相互作用,因此理论上这就是一种二级过程。其发生概率要比直接跃迁小很多。因此,间接跃迁得光吸收系数比直接跃迁得光吸收系数小很多。前者一般为1~1×103cm-1数量级,而后者一般为1×104~1×106cm-1。(4)激子(exciton)吸收

在低温时发现,某些晶体在本征连续吸收光谱出现以前,即hν＜Eg时,就会出现一系列吸收线,但产生这些吸收线得过程并不产生光电导,说明这种吸收不产生自由电子或空穴。
在这种过程中,由于光子能量hν＜Eg,受激发后得价带电子不足以进入导带而成为自由电子,仍然受到空穴得库仑场作用。实际上,受激电子与空穴互相束缚而结合在一起成为一个新得系统,称这种系统为激子,产生激子得光吸收称为激子吸收。激子中电子与空穴之间得作用类似氢原子中电子与质子之间得相互作用。
激子在晶体中某处产生后,并不一定停留在该处,也可以在整个晶体中运动。固定不动得激子称为束缚激子,可以移动得激子称为自由激子。由于激子就是电中性得,因此自由激子得运动并不形成电流。12半导体中得激子能级非常密集,激子吸收线与本征吸收得长波限