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1、十章半导体的光学质十章半导体的光学质一、折射率和吸收系数 复数折射率： 其中n是通常的折射率 k则是表征光能衰减的参量，称为消光系数0 xdIIdxII e 称为吸收系数，单位cm-1iknNX dxI0II+dI光谱与波长和禁带宽度之间的关系1、直接跃迁 电子与光子的相互作用过程中，满足： 能量守恒： 动量守恒：210()gEEEhh 21210(kkhkkhkh光子波矢）电子吸收光子产生跃迁时波矢保持不变电子吸收光子产生跃迁时波矢保持不变电子跃迁的选择定则电子跃迁的选择定则本征吸收为一连续的吸收带()ghE12()()0gA hEhghE几种半导体材料的吸收系数与波长的关系 既有电子与光子
2、的相互作用，同时还有电子和声子的相互作用，其发生的概率比直接跃迁发生的概率小 能量守恒： 动量守恒： 21pEEhE21kkq Ep代表声子能量， 代表声子的波矢，“+”表示吸收声子，“-”表示发射声子。 理论分析得到： 时，吸收声子和发射声子的跃迁均可发生qgphEE002()()()11ppgpgpEEk Tk ThEEhEEhAee gpgpEEhEE 时，只能发生吸收声子的过程当 时，跃迁不能发生，=02()()1pgpEkThEEhAegphEE 间接吸收：1103/cm, 直接吸收： ：104106/cm 研究半导体的本征光吸收，不仅可以获得Eg还有助于了解能带的复杂结构，也可以作
3、为区分直接带隙和间接带隙半导体的重要依据。 激子：半导体中相互束缚而结合在一起的一对电子-空穴对，这一系统称为激子。激子在晶体中某一部位产生后，并不停留在该处，可以在整个晶体中运动。但由于它作为一个整体是电中性的，因此不形成电流。激子是一对束缚的电子-空穴对，类似于氢原子。激子形成一系列的能级4222208nexrrqEmh n pnrpnmmmmm电子和空穴的折合质量电子和空穴的折合质量 激子吸收：光子能量hvn 时，达到稳定， ns=In)1 ()(ntneItn 光照停止后：停止作为计时起点，t=0, n(0)=InnntnteIBetn)(nndtndnntstsee)1 (光电导上升
4、过程光电导下降过程 大注入：22)()(ndtdnnIdtndtIIntIIn21212121)(11)()(tanh(在强注入的情况下，光电导驰豫过程比较复杂。nr1寿命不再是定值，而是光照强度和时间的函数 灵敏度：单位光照度引起的光电导spsnspsnssIpInpnq)( 越长，可以得到较大的ns，灵敏度高 但长，光电导 驰豫过程长，上升缓慢， 短，反应快 对高频光信号， 要小才能跟得上变化 研究光电导光生载流子的复合过程陷阱、复合中心寿命 杂质能级具有积累非平衡载流子的作用 光注入的载流子不一定是小注入，可以是大注入（会发生陷阱作用） N型半导体中，存在复合中心和空穴陷阱，则光生的大部分空穴被陷阱俘获，大大降低了电子-空穴复合率，陷阱中的空穴先被激发到价带，然后被复合中心俘获，再与光生电子复合。这样延长了过剩载流子的寿命，使光电导灵敏度增大 少数载流子陷阱有增加定态光电导灵敏度的作用。 N型半导体中，存在复合中心，还存在浓度很大的电子陷阱，于是在光照下，光生的电子大部分被陷阱俘获，使被陷电子浓度大于非平衡电子浓度 陷阱填充将大大增长光电导上升的驰预时间 光照停止后，光电导衰减时间将大大增长 多数载流子陷阱增长了光电导上升和下降的驰豫过程。