半导体物理-刘恩科-第10章第2节

半导体物理第10章第2节柳月波半导体的光吸收半导体材料能够强烈的吸收光能，具有数量级为的吸收系数。1原子的能级是连续的，电子跃迁，吸收一定能量的光子，出现吸收线。2在晶体中，能级是连续的能带，对光子的吸收变现为连续的吸收带。31510cm10.2.1本征吸收1.理想半导体在绝对零度时，价带完全被电子占满，价带电子不能被激发到更高的能级。2.可以被足够能量的光子激发，越过禁带进入导带，形成电子-空穴对。3.电子带与带之间的跃迁形成的吸收过程称为本征吸收。4.要发生本征吸收，光子能量必须大于禁带宽度即可得出本征吸收长波限的公式为gE10.2.2直接跃迁1.电子吸收光子跃迁，需同时满足能量守恒和动量守恒。2.由于光子动量远小于电子动量，可忽略不计，所以电子跃迁时，波失应保持不变，即3.为满足选择定则，状态A的电子只能跃迁到状态B。所需能量和垂直距离AB对应。4.本征吸收形成连续吸收带，并有长波吸收限只有在较大的时候，上式才成立。因为在吸收峰附近，吸收还要收到激子的影响。（可参见《半导体物理学》第二版，上册，叶良修编著，高等教育出版社P509）eVEg53.210.2.2间接跃迁声子每一种简正振动模式实际上就是一种具有特定的频率ν、波长λ和一定传播方向的弹性波，整个系统也就相当于由一系列相互独立的谐振子构成。在经典理论中，这些谐振子的能量将是连续的，但按照量子力学，它们的能量则必须是量子化的，只能取hω的整数倍，即En=（n+1/2）hν（其中1/2hν为零点能）。这样，相应的能态En就可以认为是由n个能量为hν的“激发量子”相加而成。而这种量子化了的弹性波的最小单位就叫声子。声子是一种元激发。1.可参见《固体物理简明教程》，蒋平、徐至中编著，复旦大学出版社，P55-57;2.可参见《固体物理导论》，C.基泰尔编著，化学工业出版社，P435-439;3.可参见《大学物理》1984年08期，声子，湖南师范学院王瑞旦;4.可参见百度百科词条-声子：=lg9nHD3fFpRgt9Vhw5rILEKThQl4XSvVn2B8zj_i39QPd2hZq6syxu3ikk1ae63M10.2.2间接跃迁10.2.2间接跃迁10.2.3.1激子吸收在低温时发现，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，但产生这些吸收线的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，受激发后的价带电子不足以进入导带而成为自由电子，仍然受到空穴的库仑场作用。实际上，受激电子和空穴互相束缚而结合在一起成为一个新的系统，称这种系统为激子，产生激子的光吸收称为激子吸收。激子中电子与空穴之间的作用类似氢原子中电子与质子之间的相互作用。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。固定不动的激子称为束缚激子，可以移动的激子称为自由激子。由于激子是电中性的，因此自由激子的运动并不形成电流。10.2.3.1激子吸收10.2.3.1激子吸收半导体中的激子能级非常密集，激子吸收线与本征吸收的长波限差别不大，常常要在低温下用极高分辩率的测试仪器才能观察到。对Ge和Si等半导体，因为能带结构复杂，并且有杂质吸收和晶格缺陷吸收的干扰，激子吸收更不容易被观察到。因此，必须使用纯度较高、晶格缺陷很少的样品才能观察到。10.2.3.2自由载流子吸收1.可参见《光电导物理及其应用》，应根裕编著，电子工业出版社，P11-12;2.可参见《半导体物理学》第二版，上册，叶良修编著，高等教育出版社，P531-537;对于一般半导体材料，当入射光子的频率不够高，不足以引起本征吸收或激子吸收时，仍有可能观察到光吸收，而且其吸收强度随波长增大而增加。这是自由载流子在同一带内的跃迁引起的，称为自由载流子吸收。这种跃迁同样必须满足能量守恒和动量守恒关系。和本征吸收的非直接跃迁相似，电子的跃迁也必须伴随着吸收或发射一个声子。自由载流子吸收一般是红外吸收。10.2.3.2自由载流子吸收以右图所示的Ge的价带为例，该价带由三个独立的能带组成，每一个波矢k对应于分属三个带的三个状态。价带顶实际上是由两个简并带组成，空穴主要分布在这两个简并带顶的附近，第三个分裂的带则经常被电子填满。在p-Ge的红外光谱中观测到的三个波长分别为3.4，4.7和20m的吸收峰，分别对应于右图中的c、b和a跃迁过程。这个现象是确定价带重叠的重要依据。10.2.3.3杂质吸收束缚在杂质能级上的电子或空穴也可以引起光的吸收。杂质能级上的电子可以吸收光子跃迁到导带；杂质能级上的空穴也同样可以吸收光子跃迁到价带。这种光吸收称为杂质吸收。由于束缚状态并没有一定的准动量，这样的跃迁过程不受选择定则的限制。因此电子(空穴)可以跃迁到任意的导带(价带)能级，从而引起连续的吸收光谱。杂质吸收的最低的光子能量hν0等于杂质上电子或空穴的电离能Ei(见下图中a和b的跃迁)；因此，杂质吸收光谱的长波吸收限ν0由杂质电离能Ei＝hν0决定。一般情况下，电子向导带底以上的较高能级跃迁，或空穴向价带顶以下的较低能级跃迁的概率都比较小，因此，杂质吸收光谱主要集中在吸收限Ei附近。由于Ei小于禁带宽度Eg，杂质吸收一般在本征吸收限以外的长波区域形成吸收带。对于大多数半导体，施主和受主能级很接近于导带底和价带顶，因此，相应的杂质吸收出现在远红外区。另外，杂质吸收也可以是电子从电离受主能级跃迁入导带，或空穴从电离施主能级跃迁入价带，如下图中f和e的跃迁。这时，杂质吸收光子的能量应满足hν≥Eg–Ei。由于杂质吸收比较微弱，特别在杂质含量很少时观测更为困难。对于浅杂质能级，电离能Ei较小，只能在低温下，当大部分杂质中心未被电离时，才能够观测到这种杂质吸收。10.2.3.4晶格振动吸收在晶体吸收光谱的远红外区还会发现一些吸收带，这是由晶格振动吸收形成的。在这种吸收中，光子能量直接转换为晶格振动的动能，也即声子的动能。由于声子的能量是量子化的，晶格振动吸收谱具有谱线特征，而非连续谱。在实际情况中，这些谱线会因各种原因展宽成有一定半高宽的吸收带。晶格振动吸收通常称为红外吸收，是研究材料组分和键合结构的重要手段。Thanksforlistening