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1、半导体物理 第八章 第1页，本讲稿共65页 目前总的说来，对异质结电流的认识仍然比较少，往往目前总的说来，对异质结电流的认识仍然比较少，往往难于对实验得到的伏安特性作出满意的说明。但看来难于对实验得到的伏安特性作出满意的说明。但看来并并不象同质不象同质pn结和肖特基势垒那样，对于异质结不存结和肖特基势垒那样，对于异质结不存在一种在多数情形下占主导地位的电流机制在一种在多数情形下占主导地位的电流机制。这一节先介绍扩散这一节先介绍扩散-发射电流为主的情形，然后说明复发射电流为主的情形，然后说明复合机制和隧穿机制的作用讨论只限于异质合机制和隧穿机制的作用讨论只限于异质pn结结 第2页，本讲稿共65页
2、 在异质结中，在势垒区，导带或价带可能包含有尖峰在异质结中，在势垒区，导带或价带可能包含有尖峰以图以图8.26(a)的异质结为例，在正向偏压下，的异质结为例，在正向偏压下，n区导区导带电子向带电子向p区的运动既包含有扩散，又包含有通过尖区的运动既包含有扩散，又包含有通过尖峰的发射峰的发射第3页，本讲稿共65页 下面我们来导出包括考虑尖峰发射在内的电子电流为了下面我们来导出包括考虑尖峰发射在内的电子电流为了清楚起见，我们把正向偏压下的导带略加放大，画在图清楚起见，我们把正向偏压下的导带略加放大，画在图827中。中。第4页，本讲稿共65页 为了能在尖峰处产生净发射电流，界面两边必定存在一定为了能在
3、尖峰处产生净发射电流，界面两边必定存在一定的费米能级差的费米能级差 EF，以使由，以使由n区向区向p区的发射超过由区的发射超过由p区区向向n区的发射。区的发射。由外加偏压由外加偏压V引起的费米能级差引起的费米能级差eV的的其余部分降落在其余部分降落在p区，用以驱动载流子向区，用以驱动载流子向p区扩散区扩散(在两在两极管理论适用的条件下，可以认为电子费米能级水平通极管理论适用的条件下，可以认为电子费米能级水平通过过n区区)这两部分费米能级降落的相对大小显然由电流连这两部分费米能级降落的相对大小显然由电流连续来调节。续来调节。第5页，本讲稿共65页 先考虑越过尖峰的发射电流尖峰处由先考虑越过尖峰的
4、发射电流尖峰处由n区向区向p区发射电区发射电流可写作流可写作 式中式中vr为描述电子发射的等效速度，它具有电子热为描述电子发射的等效速度，它具有电子热运动速度的数量级运动速度的数量级e(VDn Vn)代表偏压下的尖峰高代表偏压下的尖峰高度度(8-5-1)(8-2-5)第6页，本讲稿共65页 由于在界面处费米能级降落了由于在界面处费米能级降落了 EF，比比 降低了降低了exp(-EF/kT)因子，因此由因子，因此由p区向区向n区的发射电流可写作区的发射电流可写作(8-5-2)第7页，本讲稿共65页 通过尖峰的净热发射电流可写作：通过尖峰的净热发射电流可写作：其中其中式中式中nsp0为尖峰处平衡电
5、子浓度为尖峰处平衡电子浓度.(8-5-3)(8-5-4)第8页，本讲稿共65页第9页，本讲稿共65页 现在来考虑现在来考虑p型区内电子的扩散电流。与同质型区内电子的扩散电流。与同质pn结相结相比，由于驱动电子向比，由于驱动电子向p区内部扩散的费米能降落现在区内部扩散的费米能降落现在是是(eVEF)，而不是，而不是eV,由界面向由界面向p区内部的扩散电区内部的扩散电流可以写作流可以写作(8-5-5)第10页，本讲稿共65页 第二个等号是由于平衡时第二个等号是由于平衡时p区导带底比区导带底比n区高出区高出eVDEc，因此有，因此有np0=nn0exp(eVDEc)/kT.式中式中VD为为扩散速度扩
6、散速度,vD=Dn/Ln。上式又可写作。上式又可写作其中其中(8-5-6)(8-5-7)第11页，本讲稿共65页 jI和和jD都受都受 EF调节调节 EF的大小应使两者相等，由式的大小应使两者相等，由式（8-5-3)解出解出exp(EF/kT)，代入式，代入式(8-5-6)，由电流连续：，由电流连续：jI=jD=jn,可解出电流可解出电流jn为为(8-5-8)(8-5-3)第12页，本讲稿共65页则则jn约化为约化为若若(8-5-9)(8-5-10)第13页，本讲稿共65页 和同质结的结果完全相同。即在条件（和同质结的结果完全相同。即在条件（8-5-9）满足）满足时，降落在界面两边的费米能级差
7、可以忽略不计。时，降落在界面两边的费米能级差可以忽略不计。在相反的条件下在相反的条件下jn约化为约化为(8-5-11)(8-5-12)(8-5-3)(8-5-8)第14页，本讲稿共65页第15页，本讲稿共65页 与式与式(8-5-3)对比可见，上式可由对比可见，上式可由eV代替式代替式(8-5-3)中的中的 EF得到即在上述情况下，费米能级主要降落在界得到即在上述情况下，费米能级主要降落在界面，电流是由界面尖峰处的电子发射决定的面，电流是由界面尖峰处的电子发射决定的 由由A和和B的表示式的表示式(8-5-4)和和(8-5-7)，(8-5-9)和和(8-5-11)(8-5-11)第16页，本讲稿
8、共65页(8-5-4)(8-5-7)(8-5-9)(8-5-11)可归结为比较可归结为比较e(VDp Vp)+kTlnVr/VD和和 Ec的大小的大小e(VDp Vp)和和 Ec实际上分别代表实际上分别代表p区导带底和尖峰的区导带底和尖峰的相对高度相对高度(参看图参看图827)第17页，本讲稿共65页第18页，本讲稿共65页 当当p区导带底高于尖峰时，条件区导带底高于尖峰时，条件(8-5-9)成立，电流主要成立，电流主要由扩散决定而当尖峰高于由扩散决定而当尖峰高于p区导带底区导带底kTlnVr/VD时，时，条件条件(8-5-11)成立，发射模型适用成立，发射模型适用.但两者的相对高度但两者的相
9、对高度是随偏压变化的，因此按照上述理论有可能出现由是随偏压变化的，因此按照上述理论有可能出现由发射限制情形向扩散限制情形的过渡发射限制情形向扩散限制情形的过渡在足够大的在足够大的反向偏压下，反向偏压下，Vp有较大的值，有较大的值，VDp Vp总会大于总会大于 Ec，一般应趋向于扩散限制的情形一般应趋向于扩散限制的情形第19页，本讲稿共65页 综合式综合式(8-5-10)和和(8-5-12)可把正向扩散可把正向扩散发射电流一般发射电流一般表示为表示为(略去第二项的小量略去第二项的小量)：考虑到考虑到VnkT的条件下，的条件下，即使即使NDNA,结电流结电流中的电子电流也可远超过空穴电流中的电子电
10、流也可远超过空穴电流.这是因为在这是因为在g很大很大时时,空穴所面临的势垒比电子的高得多空穴所面临的势垒比电子的高得多.jn/j称为电子注射称为电子注射效率效率.异质结最初正是由最预料它能在相反掺杂异质结最初正是由最预料它能在相反掺杂(例如例如p区区的受主掺杂比的受主掺杂比n区施主高区施主高)的情形下仍可获得高的电子的情形下仍可获得高的电子注射效率注射效率(电子注入远超过空穴电子注入远超过空穴)而引起人们注意而引起人们注意.第25页，本讲稿共65页 这里顺便指出，对于一边高掺杂的同质这里顺便指出，对于一边高掺杂的同质pn结，由于高掺结，由于高掺杂可导至禁带宽度的降低杂可导至禁带宽度的降低(与上
11、面讨论的情形相反与上面讨论的情形相反)，过，过高的掺杂并不能提高注射效率高的掺杂并不能提高注射效率.甚至相反甚至相反,可导至注射可导至注射效率的降低效率的降低 在异质结中还存在所谓在异质结中还存在所谓“超注入超注入”现象现象:注入到窄禁带一注入到窄禁带一边的少数载流子浓度可超过宽禁带一边的多数载流子边的少数载流子浓度可超过宽禁带一边的多数载流子 第26页，本讲稿共65页 复合机制复合机制 Dolega 提出的复合电流的模型基于以下假设：在界面附提出的复合电流的模型基于以下假设：在界面附近存在一界面态密度很高的薄层近存在一界面态密度很高的薄层(图图8.28).越过势垒发越过势垒发射到该薄层的电子
12、和空穴在薄层中通过界面态实现射到该薄层的电子和空穴在薄层中通过界面态实现复合按照这个模型，复合按照这个模型，pn异质结相当于两个串联的异质结相当于两个串联的金属金属-半导体接触半导体接触Dolega的结果可以表示为以下的简的结果可以表示为以下的简单形式单形式:在在1和和2之间之间(8-5-17)第27页，本讲稿共65页第28页，本讲稿共65页 在用于激光二极管的在用于激光二极管的GaAsGaAlAs结中，在小偏压下，结中，在小偏压下，表面复合电流也可起重要作用表面复合电流也可起重要作用.第29页，本讲稿共65页隧穿机制隧穿机制 图图8.29为实验测得的为实验测得的npGeSi异质结在不同温度下
13、正向异质结在不同温度下正向伏安特性伏安特性(半对数坐标每一温度下的曲线都由两条半对数坐标每一温度下的曲线都由两条斜率不同的直线组成斜率不同的直线组成.低偏压部分的直线不同温度有低偏压部分的直线不同温度有不同斜率，且温度愈低斜率愈大不同斜率，且温度愈低斜率愈大,与式与式(8-5-13)的趋势的趋势一致但曲线的较高偏压部分，不同温度具有相近的一致但曲线的较高偏压部分，不同温度具有相近的斜率，而且对于同一偏压，不同温度下的电流值变化斜率，而且对于同一偏压，不同温度下的电流值变化相对较小相对较小.斜率不随温度变化斜率不随温度变化,电流大小对温度依赖较小，电流大小对温度依赖较小，这正是隧道电流的特征这正
14、是隧道电流的特征.(8-5-14)第30页，本讲稿共65页第31页，本讲稿共65页 图图8.30中的中的np Ge-GaAs结结的正向特性也有类似的的正向特性也有类似的情形情形在在0.7伏以下伏以下,77K和和296K的曲线具有相近的曲线具有相近的斜率的斜率电流对温度的依电流对温度的依赖比扩散赖比扩散发射机制的要发射机制的要弱得多弱得多第32页，本讲稿共65页 这这两种情况都可以通两种情况都可以通过过隧穿机制加以解隧穿机制加以解释释图图8.31所示所示为为几种可能的隧穿机制几种可能的隧穿机制.每一种情形下，每一种情形下，完整的完整的电电流流过过程都由程都由几个几个“串串联联”的的过过程构成程构
15、成 例如例如图图8.31(a)中的中的过过程由以下三个步程由以下三个步骤组骤组成：成：导带电导带电子子隧穿到界面隧穿到界面态态；由；由较较高的界面高的界面态跃态跃迁到迁到较较低的界面低的界面态态；空穴隧穿到空穴隧穿到较较低的界面低的界面态态 电电流的大小主要取决于流的大小主要取决于“阻力阻力”最大的最大的过过程程(速率限制速率限制过过程程)如果某一隧道如果某一隧道过过程是速率限制程是速率限制过过程，那么程，那么电电流流电压电压特性将由特性将由该该隧道隧道过过程的隧穿几率随程的隧穿几率随电压电压的的变变化决定化决定 第33页，本讲稿共65页第34页，本讲稿共65页 在在GaAsGaAlAs pn
16、异质结的正向异质结的正向I-V特性中，也可有很特性中，也可有很强的隧道成分强的隧道成分 将式将式(6-4-7)中的中的Vb由由K(VD V)代替，即可得到隧穿几率：代替，即可得到隧穿几率：K为发生隧穿的一侧分配到的电势差在总电势差中所为发生隧穿的一侧分配到的电势差在总电势差中所占的比例占的比例Ke(VD V)代表势垒高度代表势垒高度(8-5-18)第35页，本讲稿共65页因此在半对数坐标中电流电压有线性关系因此在半对数坐标中电流电压有线性关系 上式中上式中V的系数中的各量均与温度无关，因此斜率不的系数中的各量均与温度无关，因此斜率不随温度变化不同温度下电流大小的变化可由随温度变化不同温度下电流
17、大小的变化可由VD的变的变化加以解释在此式中，常数与化加以解释在此式中，常数与VD有关。有关。(8-5-19)第36页，本讲稿共65页 对于图对于图8.29的的np Ge-Si结的特性的分析表明，其电流过结的特性的分析表明，其电流过程符合隧穿程符合隧穿+复合模型。在较低偏压下复合是速率限制因复合模型。在较低偏压下复合是速率限制因素，曲线斜率随温度的增加而减小。但较大偏压下结电流素，曲线斜率随温度的增加而减小。但较大偏压下结电流的大小主要受隧穿的限制在上述电流机制占主导地位时的大小主要受隧穿的限制在上述电流机制占主导地位时显然不应有显著的少子显然不应有显著的少子第37页，本讲稿共65页第38页，
18、本讲稿共65页第九章第九章 半导体的光吸收和发光现象半导体的光吸收和发光现象 9.1 半导体的光吸收半导体的光吸收 光在导电媒质中传播时具有衰减现象，即产生光的吸收。光在导电媒质中传播时具有衰减现象，即产生光的吸收。半导体材料通常能强烈地吸收光能，具有数量级为半导体材料通常能强烈地吸收光能，具有数量级为105 cm-1的吸收系数。材料吸收辐射能导致电子从低能级的吸收系数。材料吸收辐射能导致电子从低能级跃迁到较高的能级。跃迁到较高的能级。对于半导体材料，自由电子和束对于半导体材料，自由电子和束缚电子的吸收都很重要。缚电子的吸收都很重要。第39页，本讲稿共65页 大量实验证明，大量实验证明，价带电
19、子跃迁是半导体研究中最重要价带电子跃迁是半导体研究中最重要的吸收过程。的吸收过程。当一定波长的光照射半导体材料时，电当一定波长的光照射半导体材料时，电子吸收足够的能量，从价带跃迁入导带。电子从低能子吸收足够的能量，从价带跃迁入导带。电子从低能带跃迁到高能带的吸收，相当于原子中的电子从能量带跃迁到高能带的吸收，相当于原子中的电子从能量较低的能级跃迁到能量较高能级的吸收。其区别在于：较低的能级跃迁到能量较高能级的吸收。其区别在于：原子中的能级是不连续的，两能级间的能量差是定值，原子中的能级是不连续的，两能级间的能量差是定值，因而电子的跃迁只能吸收一定能量的光子，出现的是因而电子的跃迁只能吸收一定能
20、量的光子，出现的是吸收线；而在晶体中，与原子能级相当的是一个由很吸收线；而在晶体中，与原子能级相当的是一个由很多能级组成，实际上是连续的能带，因而多能级组成，实际上是连续的能带，因而光吸收也就光吸收也就表现为连续的吸收带表现为连续的吸收带。第40页，本讲稿共65页9.1.1 本征吸收本征吸收 理想半导体在绝对零度时，价带是完全被电子占满的，理想半导体在绝对零度时，价带是完全被电子占满的，因此价带内的电子不可能被激发到更高的能级。因此价带内的电子不可能被激发到更高的能级。唯一唯一可能的吸收是足够能量的光子使电子激发，越过禁带跃迁可能的吸收是足够能量的光子使电子激发，越过禁带跃迁入空的导带，而在价
21、带中留下一个空穴，形成电子入空的导带，而在价带中留下一个空穴，形成电子空穴空穴对。这种由于电子由带与带之间的跃迁所形成的吸收对。这种由于电子由带与带之间的跃迁所形成的吸收过程称为本征吸收。过程称为本征吸收。图图10-3是本征吸收的示意图。是本征吸收的示意图。第41页，本讲稿共65页第42页，本讲稿共65页 显然，要发生本征吸收，光子能量必须等于或大于显然，要发生本征吸收，光子能量必须等于或大于禁带宽度禁带宽度Eg,即即 h 0是能够引起本征吸收的最低限度光子能量。也即，对是能够引起本征吸收的最低限度光子能量。也即，对应于本征吸收光谱，在低频方面必然存在一个频率界限应于本征吸收光谱，在低频方面必
22、然存在一个频率界限 0(或者说在长波方面存在一个波长界限或者说在长波方面存在一个波长界限 0)。当频率低。当频率低于于 0，或波长大于，或波长大于 0时，不可能产生本征吸收，吸收系时，不可能产生本征吸收，吸收系数迅速下降。这种吸收系数显著下降的特定波长数迅速下降。这种吸收系数显著下降的特定波长(或特或特定频率定频率)，称为半导体的，称为半导体的本征吸收限本征吸收限。(9-1)第43页，本讲稿共65页图图10-4给出几种半导体材料的本征吸收系数和波长的关系，曲给出几种半导体材料的本征吸收系数和波长的关系，曲线短波端陡峻地上升标志着本征吸收的开始。应用关系式线短波端陡峻地上升标志着本征吸收的开始。
23、应用关系式=c/,可得出本征吸收长波限的公式为可得出本征吸收长波限的公式为(9-2)第44页，本讲稿共65页 根据半导体材料不同的禁带宽度，可算出相应的本征吸收根据半导体材料不同的禁带宽度，可算出相应的本征吸收长波限。例如，长波限。例如，Si的的Eg=1.12eV，0 1.1 m；GaAs的的Eg=1.43eV，0 0.867 m，两者吸收限都在红外区；，两者吸收限都在红外区；CdS 的的Eg=2.42eV，0 0.513 m，在可见光区。，在可见光区。第45页，本讲稿共65页图图10-5是几种常用半导体材料本征吸收限和禁带宽度的对是几种常用半导体材料本征吸收限和禁带宽度的对应关系。应关系。第
24、46页，本讲稿共65页9.1.2 直接跃迁和间接跃迁直接跃迁和间接跃迁 在光照下，电子吸收光子的跃迁过程，除了能量必须守在光照下，电子吸收光子的跃迁过程，除了能量必须守恒外，还必须满足动量守恒，即所谓满足选择定则。设恒外，还必须满足动量守恒，即所谓满足选择定则。设电子原来的波矢量是电子原来的波矢量是k，要跃迁到波矢是，要跃迁到波矢是k 的状态。的状态。在跃迁过程中，在跃迁过程中，k和和k 必须满足如下的条件：必须满足如下的条件：hk hk=光子动量光子动量(9-3)第47页，本讲稿共65页 由于一般半导体所吸收的光子，其动量远小于能带中电子由于一般半导体所吸收的光子，其动量远小于能带中电子的动
25、量，光子动量可忽略不计的动量，光子动量可忽略不计,因而式因而式(10-28)可近似地写可近似地写为为 k=k 这说明，电子吸收光子产生跃迁时波矢保持不变这说明，电子吸收光子产生跃迁时波矢保持不变(电子电子能量增加能量增加)。这就是。这就是电子跃迁的选择定则电子跃迁的选择定则。(9-4)以可以可见见光光为为例，波例，波长长数量数量级为级为500nm，相，相对应对应的波矢的波矢绝绝对值对值数量数量级为级为2 104cm-1,而和能而和能带带中中电电子相子相对应对应的波矢的波矢数量数量级级是原子是原子间间距（距（a1A)的倒数，的倒数，约为约为106108cm-1。第48页，本讲稿共65页 图图10
26、-6是一维的是一维的E(k)曲线，可以看到，曲线，可以看到，为了满足选择定则，为了满足选择定则，以使电子在跃迁过程中波矢保持不变，则原来在价带中状以使电子在跃迁过程中波矢保持不变，则原来在价带中状态态A的电子只能跃迁到导带中的状态的电子只能跃迁到导带中的状态B。A与与B在在E(k)曲线曲线上位于同一垂线上，因而这种跃迁称为上位于同一垂线上，因而这种跃迁称为直接跃迁直接跃迁。在。在A到到B直接跃迁中所吸收光子的能量直接跃迁中所吸收光子的能量h 与图中垂直距离与图中垂直距离AB相对应。相对应。显然，显然，对应于不同的对应于不同的k，垂直距离各不相等。就是说相，垂直距离各不相等。就是说相当于任何一个
27、当于任何一个k值的不同能量的光子都有可能被吸收，而值的不同能量的光子都有可能被吸收，而吸收的光子最小能量应等于禁带宽度吸收的光子最小能量应等于禁带宽度Eg(相当于图相当于图10-6中中的的OO)。第49页，本讲稿共65页由此可由此可见见，本征吸收形成一个本征吸收形成一个连续连续吸收吸收带带，并具有一，并具有一长长波吸收限波吸收限 0=Eg/h。因而从光吸收的。因而从光吸收的测测量，也可求得量，也可求得禁禁带宽带宽度度Eg的数据。的数据。第50页，本讲稿共65页 在常用半导体中，在常用半导体中，III-V族的族的GaAs、InSb及及II-VI族等材族等材料，导带极小值和价带极大值对应于相同的波
28、矢，常称为料，导带极小值和价带极大值对应于相同的波矢，常称为直接带隙半导体直接带隙半导体。这种半导体在本征吸收过程中，产生这种半导体在本征吸收过程中，产生电子的直接跃迁电子的直接跃迁。理论计算可得，在直接跃迁中，如果对于任何理论计算可得，在直接跃迁中，如果对于任何k值的跃迁值的跃迁都是允许的，则吸收系数与光子能量的关系为都是允许的，则吸收系数与光子能量的关系为 A基本为一常数。基本为一常数。hEghEg(9-5)第51页，本讲稿共65页 dI=-Idx I=I0e-x 1/大体反映光的平均透入深度。大体反映光的平均透入深度。=i第52页，本讲稿共65页 像像锗、硅一类半导体，价带顶位于锗、硅一
29、类半导体，价带顶位于k空间原点，而导带底空间原点，而导带底则不在则不在k空间原点。这类半导体称为间接带隙半导体。空间原点。这类半导体称为间接带隙半导体。图图10-7表示表示Ge的能带结构示意图。显然，任何直接跃迁的能带结构示意图。显然，任何直接跃迁所吸收的光子能量都比禁带宽度所吸收的光子能量都比禁带宽度Eg大。大。但测量的本征吸收限与但测量的本征吸收限与Eg接近一致！接近一致！第53页，本讲稿共65页第54页，本讲稿共65页 这个矛盾实际上指出，这个矛盾实际上指出，本征吸收中，除了符合选择定本征吸收中，除了符合选择定则的直接跃迁外，还存在着非直接跃迁过程，则的直接跃迁外，还存在着非直接跃迁过程
30、，如图中的如图中的OS。在非直接跃迁过程中，电子不仅吸收光子，。在非直接跃迁过程中，电子不仅吸收光子，同时还和晶格交换一定的振动能量，即放出或吸收一同时还和晶格交换一定的振动能量，即放出或吸收一个声子。非直接跃迁过程是电子、光子和声子三者同个声子。非直接跃迁过程是电子、光子和声子三者同时参与的过程，能量关系应该是时参与的过程，能量关系应该是 第55页，本讲稿共65页 其中其中Ep代表声子的能量，代表声子的能量，“+”号是吸收声子，号是吸收声子，“”号号是发射声子。是发射声子。因为声子的能量非常小，数量级在百分因为声子的能量非常小，数量级在百分之几电子伏特以下，可以忽略不计之几电子伏特以下，可以
31、忽略不计。因此，粗略地讲，。因此，粗略地讲，电子在跃迁前后的能量差就等于所吸收的光子能量，电子在跃迁前后的能量差就等于所吸收的光子能量，h 只在只在Eg附近有微小的变化。所以，由非直接跃迁附近有微小的变化。所以，由非直接跃迁得出和直接跃迁相同的关系，即得出和直接跃迁相同的关系，即 E=h 0=Eg第56页，本讲稿共65页 波矢为波矢为q的格波，声子的准动量是的格波，声子的准动量是hq。在非直接跃迁。在非直接跃迁过程中，伴随声子的吸收或发射，动量守恒关系得过程中，伴随声子的吸收或发射，动量守恒关系得到满尽，可写为到满尽，可写为 (hk-hk)hq=光子动量光子动量 即即:电子的动量差电子的动量差
32、声子动量声子动量=光子动量光子动量 第57页，本讲稿共65页 略去光子动量，得略去光子动量，得 式中，式中，q是声子波矢，是声子波矢，“”号分别表示电子在跃迁过程中号分别表示电子在跃迁过程中发射或吸收一个声子。上式说明，在非直接跃迁过程中，伴发射或吸收一个声子。上式说明，在非直接跃迁过程中，伴随发射或吸收适当的声子，电子的波矢随发射或吸收适当的声子，电子的波矢k是可以改变的。是可以改变的。(9-6)第58页，本讲稿共65页 例如在图例如在图10-7中，电子吸收光子而实现由价带顶跃迁中，电子吸收光子而实现由价带顶跃迁到导带底到导带底S状态时，必须吸收一个状态时，必须吸收一个q=ks的声子。这种除
33、的声子。这种除了吸收光子外还与晶格交换能量的非直接跃迁，也称了吸收光子外还与晶格交换能量的非直接跃迁，也称间接跃迁。间接跃迁。第59页，本讲稿共65页第60页，本讲稿共65页 总之，在光的本征吸收过程中，总之，在光的本征吸收过程中，如果只考虑电子和电磁如果只考虑电子和电磁波的相互作用，则根据动量守恒要求，只可能发生直接跃波的相互作用，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的相互作用，则非直接跃迁迁；但如果还考虑电子与晶格的相互作用，则非直接跃迁也是可能的，这是由于依靠发射或吸收一个声子，使动量也是可能的，这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。守恒原
34、则仍然得到满足。第61页，本讲稿共65页 由于间接跃迁的吸收过程，一方面依赖于电子与电磁波的由于间接跃迁的吸收过程，一方面依赖于电子与电磁波的相互作用，另一方面还依赖于电子与晶格的相互作用，故相互作用，另一方面还依赖于电子与晶格的相互作用，故在理论上是一种二级过程。发生这样的过程，其概率要比在理论上是一种二级过程。发生这样的过程，其概率要比只取决于电子与电磁波相互作用的直接跃迁的概率小得多。只取决于电子与电磁波相互作用的直接跃迁的概率小得多。因此，因此，间接跃迁的光吸收系数比直接吸收系数小很多。间接跃迁的光吸收系数比直接吸收系数小很多。前者一般为前者一般为1 103cm-1数量级，而后者一般为
35、数量级，而后者一般为104106cm-1数量级。数量级。第62页，本讲稿共65页 图图10-8(a)是是Ge和和Si的本征吸收系数和光子能量的关系的本征吸收系数和光子能量的关系.Ge和和Si是间接带隙半导体，是间接带隙半导体，光子能量光子能量h 0=Eg时，本征吸时，本征吸收开始。随着光子能量的增加，吸收系数首先上升到一收开始。随着光子能量的增加，吸收系数首先上升到一段较平缓的区域，这对应于间接跃迁；向更短波长方面，段较平缓的区域，这对应于间接跃迁；向更短波长方面，随着随着h 增加，吸收系数再一次陡增，发生强烈的光吸收，增加，吸收系数再一次陡增，发生强烈的光吸收，表示直接跃迁的开始。表示直接跃
36、迁的开始。GaAs是直接带隙半导体，光子能量是直接带隙半导体，光子能量大于大于h 0后，一开始就有强烈吸收，吸收系数陡峻上升，后，一开始就有强烈吸收，吸收系数陡峻上升，反映出直接跃迁过程见图反映出直接跃迁过程见图10-8(b)。第63页，本讲稿共65页第64页，本讲稿共65页 由此可知，由此可知，研究半导体的本征吸收光谱，不仅可以根据吸研究半导体的本征吸收光谱，不仅可以根据吸收限决定禁带宽度，还有助于了解能带的复杂结构，也可收限决定禁带宽度，还有助于了解能带的复杂结构，也可作为区分直接带隙和间接带隙半导体的重要依据。作为区分直接带隙和间接带隙半导体的重要依据。对重掺杂半导体，例如对重掺杂半导体，例如n型半导体，费米能级将进入导带。型半导体，费米能级将进入导带。温度较低时，温度较低时，EF以下的状态将被电子占满，价带电子只能以下的状态将被电子占满，价带电子只能跃迁到跃迁到EF以上的状态。因此，本征吸收的长波限要向短以上的状态。因此，本征吸收的长波限要向短波方向移动，这一现象称为伯斯坦波方向移动，这一现象称为伯斯坦(Burstein)移动。移动。第65页，本讲稿共65页