固體中光的吸收和發(fā)射課件

1.3固體中光的吸收概述1.基本吸收區(qū)2.激子吸收3.自由載流子吸收4.聲子吸收5.雜質(zhì)吸收6.自旋波量子吸收和回旋共振吸收1.3固體中光的吸收概述11.3.1本征吸收半導(dǎo)體吸收一個(gè)能量大于禁帶寬度的光子，電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，稱本征吸收兩種躍遷直接躍遷：僅涉及一個(gè)（或多 個(gè)）光子的吸收。 間接躍遷：還包含聲子的吸收兩種半導(dǎo)體：直接帶隙半導(dǎo)體間接帶隙半導(dǎo)體1.3.1本征吸收半導(dǎo)體吸收一個(gè)能量大于禁帶寬度的光子，電子21.直接躍遷是在兩個(gè)直接能谷之間的躍遷，僅垂直躍遷是允許的能量守恒Ef=hν-|Ei|動(dòng)量守恒1.直接躍遷是在兩個(gè)直接能谷之間的躍遷，僅垂直躍遷是允許的3拋物線能帶得到在k空間，k到k+dk之間終態(tài)與初態(tài)能量差為hν的狀態(tài)對(duì)密度拋物線能帶4直接躍遷情況下，吸收系數(shù)α＝AWifN(hν)Wif為躍遷幾率，所有躍遷都是許可的情況下，Wif是常數(shù)，則αd＝B(hν-Eg)1/2,其中有限范圍內(nèi)成立；需修正在某些材料中，k=0的直接躍遷是禁止的,k≠0的直接躍遷是允許的，Wif正比于k2，正比于(hν-Eg)，則αd＝α(hν-Eg)3/2，其中直接躍遷情況下，吸收系數(shù)α＝AWifN(hν)5重?fù)诫s半導(dǎo)體的本征吸收限向高頻方向移動(dòng)，布爾斯坦－莫斯移動(dòng)直接躍遷吸收系數(shù)的光譜曲線，吸收系數(shù)隨光子能量減小呈指數(shù)衰減重?fù)诫s半導(dǎo)體的本征吸收限向高頻方向移動(dòng)，布爾斯坦－莫斯移動(dòng)62.間接躍遷間接帶隙，導(dǎo)帶最低狀態(tài)的k值與價(jià)帶頂最高能量狀態(tài)的k值不同，躍遷過程要引入聲子的吸收和發(fā)射過程能量守恒hν±Ep=Eg動(dòng)量守恒2.間接躍遷間接帶隙，導(dǎo)帶最低狀態(tài)的k值與價(jià)帶頂最高能量狀態(tài)7間接躍遷的吸收系數(shù)αi=αe+αa 其中αe和αa分別為聲子發(fā)射和吸收引起的貢獻(xiàn)純凈半導(dǎo)體低溫下，吸收系數(shù)很低重?fù)诫s半導(dǎo)體，低溫時(shí)，聲子數(shù)目少，散射過程可以近似看作彈性過程，補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)動(dòng)量守恒；溫度較高時(shí)，動(dòng)量守恒主要依靠電子－電子散射來完成間接躍遷的吸收系數(shù)αi=αe+αa83.電場(chǎng)和溫度對(duì)本征吸收的影響1）電場(chǎng)的影響 半導(dǎo)體放在電場(chǎng)E中能帶發(fā)生傾斜，產(chǎn)生隧道效應(yīng)

3.電場(chǎng)和溫度對(duì)本征吸收的影響1）電場(chǎng)的影響9夫蘭茨－凱爾迪什效應(yīng) 入射光子hν<Eg時(shí)，勢(shì)壘有效寬度減小為價(jià)帶電子穿過勢(shì)壘的幾率明顯增大，并可發(fā)生能量小于禁帶寬度的光子本征吸收。吸收系數(shù)為夫蘭茨－凱爾迪什效應(yīng)價(jià)帶電子穿過勢(shì)壘的幾率明顯增大，并可發(fā)生102)溫度的影響大多數(shù)半導(dǎo)體的禁帶寬度隨溫度的升高而減小，少數(shù)半導(dǎo)體的禁帶寬度隨溫度的升高而增加，從而影響本征吸收限Ge不同溫度時(shí)的光吸收，吸收曲線的肩形部分2)溫度的影響111.3.2激子吸收基本吸收中，認(rèn)為被激發(fā)電子變成了導(dǎo)帶中自由粒子，價(jià)帶中產(chǎn)生的空穴也是自由的。但是受激電子與空穴會(huì)彼此吸引，有可能形成束縛態(tài)，稱為激子。能在晶體中自由運(yùn)動(dòng)的激子稱自由激子，又稱瓦尼爾激子。不能自由運(yùn)動(dòng)的激子稱束縛激子，又稱弗倫克爾激子。1.3.2激子吸收基本吸收中，認(rèn)為被激發(fā)電子變成了導(dǎo)帶中自12激子的產(chǎn)生是由于入射光子能量不足以使價(jià)帶電子躍遷到導(dǎo)帶，受激電子受到價(jià)帶空穴束縛。束縛能 激子吸收譜是一系列分立的。 直接帶隙半導(dǎo)體中，自由激子的形成能激子的產(chǎn)生是由于入射光子能量不足以使價(jià)帶電子躍遷到導(dǎo)帶，受激13間接帶隙半導(dǎo)體，激子光吸收有聲子參加，間接聲子形成能激子吸收譜是一個(gè)具有確定下限的帶光譜。單聲子過程，還有多聲子過程。間接激子的吸收系數(shù)間接帶隙半導(dǎo)體，激子光吸收有聲子參加，間接聲子形成能141.3.3雜質(zhì)吸收三個(gè)方面1）從雜質(zhì)中心的基態(tài)到激發(fā)態(tài)的激發(fā)，可引起線狀吸收譜。2）電子從施主能級(jí)到導(dǎo)帶或從價(jià)帶到受主能級(jí)的吸收躍遷紅外區(qū)1.3.3雜質(zhì)吸收三個(gè)方面153)從價(jià)帶到施主能級(jí)或從被電子占據(jù)的受主能級(jí)到導(dǎo)帶的吸收躍遷。 幾率小。 淺受主能級(jí)到導(dǎo)帶的躍遷吸收躍遷系數(shù)3)從價(jià)帶到施主能級(jí)或從被電子占據(jù)的受主能級(jí)到導(dǎo)帶的吸收躍遷16摻鋅或鎘的InSb的光吸收 Eg=235.7mev; EA=7.9mev摻鋅或鎘的InSb的光吸收171.3.4自由載流子吸收自由載流子吸收一個(gè)光子能量躍遷到同一能帶的另一個(gè)態(tài)。對(duì)導(dǎo)帶中電子躍遷，吸收正比于自由電子數(shù)。吸收系數(shù)為空穴的吸收系數(shù)也是如此，只是一些參數(shù)不同1.3.4自由載流子吸收自由載流子吸收一個(gè)光子能量躍遷到18中紅外范圍內(nèi)，自由載流子吸收按λ2規(guī)律變化。近紅外區(qū)不再適用。電子在導(dǎo)帶中躍遷，不同能量狀態(tài)間躍遷，則必須改變波矢量，為了動(dòng)量守恒，電子動(dòng)量的改變可由聲子或電離雜質(zhì)的散射來獲得補(bǔ)償。近紅外區(qū)域，M.Becker等人指出①電子受到聲學(xué)聲子散射，

1.5②電子受到光學(xué)聲子散射，

2.5③受雜質(zhì)散射，

33.5中紅外范圍內(nèi)，自由載流子吸收按λ2規(guī)律變化。近紅外區(qū)不再適用191.4.3本征發(fā)光導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴復(fù)合發(fā)光分為直接躍遷和間接躍遷在較高溫度下可以觀察到，低溫下很弱1.4.3本征發(fā)光導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴復(fù)合發(fā)光201.直接躍遷表現(xiàn)為譜帶。自吸收光譜分布1.直接躍遷表現(xiàn)為譜帶。自吸收212.間接躍遷間接帶隙半導(dǎo)體，帶間復(fù)合發(fā)光需要聲子參加。發(fā)射聲子時(shí)，光譜分布間接躍遷發(fā)光強(qiáng)度比直接躍遷發(fā)光強(qiáng)度弱。發(fā)射譜帶通常與自由激子發(fā)射譜帶重疊2.間接躍遷間接帶隙半導(dǎo)體，帶間復(fù)合發(fā)光需要聲子參加。發(fā)射聲221.4.4激子復(fù)合發(fā)光激子發(fā)光光譜在低溫下觀測(cè)1）直接帶隙半導(dǎo)體。只有k=0附近的自由激子才能輻射躍遷，形成銳線 GaAs中1.4.4激子復(fù)合發(fā)光激子發(fā)光光譜在低溫下觀測(cè)232）間接帶隙半導(dǎo)體，激子復(fù)合光譜為譜帶。發(fā)射帶的寬度決定于激子的熱分布。18k硅的激子復(fù)合光譜。沒有吸收聲子的譜帶，因?yàn)榈蜏叵侣曌訑?shù)很少。2）間接帶隙半導(dǎo)體，激子復(fù)合光譜為譜帶。發(fā)射帶的寬度決定于激24 束縛激子，動(dòng)能接近于0，復(fù)合發(fā)射譜線為銳線，比自由激子窄。 束縛激子復(fù)合光譜通常含有零聲子光譜和發(fā)射聲子光譜或聲子組合光譜。 束縛激子，動(dòng)能接近于0，復(fù)合發(fā)射譜線為銳線，比自由激子窄。253）等電子中心發(fā)光 GaP中N原子，負(fù)電性大于P原子，N原子周圍產(chǎn)生晶格變形，使N原子俘獲電子，束縛在周圍，同時(shí)以庫侖力俘獲空穴，形成束縛激子。k空間能級(jí)圖，波函數(shù)一直擴(kuò)展到k=0附近,且電子的幾率密度也很大。3）等電子中心發(fā)光26等電子中心，間接躍遷→準(zhǔn)直接躍遷，復(fù)合幾率飛速增長，發(fā)光效率大大提高。已經(jīng)制成GaP:N,GaP:Zn-O,GaAs1-xPx:N高亮發(fā)光二極管。一定條件下，發(fā)光波長可變等電子中心，間接躍遷→準(zhǔn)直接躍遷，復(fù)合幾率飛速增長，發(fā)光效率271.4.5通過雜質(zhì)的輻射復(fù)合1）電子從導(dǎo)帶