半导体光电子学第7章半导体中的光吸收和光.ppt

第七章半导体中的光吸收和光探测7.1本征吸收一、直接带隙跃迁引起的光吸收由式(1.2-25)和式(1.2-26)可以看出，当满足动量守恒时产生允许的直接带隙跃迁，这时价带能量的最大值所对应的波矢k=kmax与导带能量最小值的波矢k=kmin。均在布里渊区的原点，即kmax=kmin=0，如图7.1-2所示。允许的直接跃迁有最大的跃迁几率，且跃迁矩阵元与波矢k基本无关。吸收系数写为(7.1-7)2.禁戒跃迁式中f’if为在非允许的直接带隙跃迁(禁戒跃迁)情况下的振子强度。因而吸收系数可表示为二、间接带隙跃迁引起的吸收在这种能带结构中，也可以发生从价带顶(k=0)至导带次能谷的竖直跃迁或直接跃迁，如图7.1-5中的箭头A表示，只是由于导带底(对应k=kmin)的能量比k=0处的导带能量小很多，则跃迁所涉及的能量比间接跃迁(图7.1-5中箭头B大．这已为很薄的纯单晶Ge片、在入射光子能量h=0.8eV附近表现出很陡的吸收峰所证实，如图7.1-6所示。在更长波长处的吸收则是由于间接跃迁所引起，而这必须伴随着声子的发射和吸收，以满足所需的动量守恒。2．间接吸收的吸收系数经推导(p175～176)
由吸收声子所引起的吸收系数为经推导(p175～176)
由吸收声子所引起的吸收系数为在前面的讨论中，我们只考虑单声子过程，所作的i1/2~h关系曲线图如图7.1-7所示。对应每一温度的吸收曲线在横轴(h轴)上的截距分别为Eg-Es和Eg+Es，即分别对应于吸收声子与发射声子的情况。显然在低温下发射声子是主要的。在价带顶附近的状态与导带底附近的状态之间的跃迁(即图7.1-5中箭头B)是“禁戒”跃迁，由这种跃迁所引起的吸收系数是与过剩光子能量(h-EgEs)的三次方成正比的。而如上所述，在这种能带结构中的允许跃迁(在k=0处发生竖直跃迁)所产生的吸收系数是比例于(h-EgEs)2的。图7.1-8和图7.1-9是间接跃迁半导体Ge的基本吸收谱。由图7.1-9看出，在k空间点和在高的光子能量作用下，仍可产生允许的直接跃迁，并得到其值不小的吸收系数。7.2半导体中的其它光吸收一、激子吸收2．激子波函数与束缚能式中mr为折合质量，由式(7.1-6)表示；M=me+mh。因为式(7.2-4)的哈密顿量可以用绕质心的转动和质心的平移运动之和的形式来表示，故本征函数F(r,R)经分离变量后可写为(7.2-6)式(7.2-8)表示激子束缚态为导带下的一些分立能级，其中(ħ2k2/2M)为激子动能，如图7.2-1所示。激子吸收的最低光子能量为Eg-Eex(1)。表7.2-1表示某些半导体直接带隙跃迁的激子当n=1时的束缚能mre4/2(4ħ)2。自由载流子将对电子-空穴的库仑场产生屏蔽作用，当德拜长度等于激子轨道半径时，激子就不稳定，激子的轨道半径与氢原子类似，为4ħ/mre2，对GaAs，此值为160Å，能够使激子存在的载流子浓度上限为21016cm-3。因此，激子的束缚态只能在宽禁带的高纯晶体中或低温下才能观恻到。但在§8.3中将会谈到，对于同样的半导体材料若采取量子阱结构，会使电子-空穴之问的库仑作用加强，而能在室温下观察到明显的激子吸收峰。
德拜长度,也叫德拜半径,是描述等离子体中电荷的作用尺度的典型长度，是等离子体的重要参量，常用λD表示。德拜长度反映了等离子体中一个重要的特性——电荷屏蔽效应。德拜长度可以视为库仑势衰减的特征长度。当所讨论的尺度大于德拜长度时，可以将等离子体看作是整体电中性的，反之，则是带有电荷的。3．激子引起的光吸收对于h>Eg的情况，其吸收系数为对于禁戒的直接跃迁中的激子吸收，当h<Eg时，可得到一系列的线状谱，其强度比例于(n2-1)/n2，可见没有n=1的谱线。h=Eg时，得到收敛于吸收边的连续谱，这时的吸收系数为