本科課件大三光電子chp

1、第五章 光輻射的探測5-1物質(zhì)中光吸收00ghEh一、本征吸收電子吸收光子，由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶的過程本征吸收（這里的電子是半導(dǎo)體材料的電子不是雜質(zhì)的電子，雜質(zhì)電子的吸收稱為雜質(zhì)吸收） 為能夠引起本征吸收的最低頻率0001.24()gghcmEE長波限 產(chǎn)生本征吸收的條件：或能量守恒電子躍遷要滿足選擇定則動(dòng)量守恒由于能級(jí)結(jié)構(gòu)不同，直接躍遷 本征吸收間接躍遷1kkkkkk 、直接躍遷由動(dòng)量守恒碰后動(dòng)量 光子動(dòng)能 碰前動(dòng)量 光子動(dòng)能0 電子的波矢基本不變。電子在吸收一個(gè)光子后，動(dòng)量基本不變，這種現(xiàn)象稱為準(zhǔn)動(dòng)量守恒。若電子躍遷前后，在能量與動(dòng)量曲線上為一垂線，稱為直接躍遷，這種半導(dǎo)體稱為直接帶隙材料(C

2、aAs)。0.350kGaAl AsxSiGekkqkkqq 1-xx2、間接躍遷當(dāng)導(dǎo)帶的最低能量狀態(tài)與價(jià)帶最高能量狀態(tài)的 值不相等時(shí)，導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的躍遷稱為間接躍遷。間接躍遷還要有聲子參與。，當(dāng)時(shí)，以及，均為間接帶隙半導(dǎo)體。光子動(dòng)量為聲子的波矢。3SiGeGaAs6二、晶格振動(dòng)吸收晶體中的原子總是圍繞著平衡位置不斷振動(dòng)，原子的振動(dòng)以波的形式在晶格中傳播，稱為格波。若原胞中只包含一個(gè)原子，則有 個(gè)格波；若原胞中包含兩個(gè)原子，如、或等，則有 個(gè)格波。頻率高的格波：光學(xué)波 頻率低的3個(gè)格波：聲學(xué)波1()0.1.2.21aaaaaEnhnEnhnEh （2）能量量子化 ，能量變化量：，（3）光波與

3、晶格振動(dòng)的相互作用引起的光吸收光子與聲子的相互作用三、 自由載流子的光吸收當(dāng)外來入射光能量較低時(shí)，導(dǎo)帶中的電子或價(jià)帶中的空穴吸收光子后，引起載流子在能帶內(nèi)的躍遷，這個(gè)過程稱為自由載流子的吸收。1.52.53.55fABCD動(dòng)量守恒躍遷過程必須滿足能量守恒自由載流子吸收系數(shù)聲學(xué)聲子 光學(xué)聲子 電離雜質(zhì)ghE本質(zhì)四、激子吸收 激子電子空穴對(duì)當(dāng)外來入射光的能量略小于禁帶寬度時(shí)，即時(shí)，價(jià)帶中的電子躍出價(jià)帶，但無法到達(dá)導(dǎo)帶，但又受到庫侖場作用，將電子和空穴束縛成一個(gè)新的系統(tǒng)，二者既沒有完全分離，也沒有完全復(fù)合，這種狀態(tài)稱激子。自由激子的消失1） 吸收更多的能量，電子和空穴分離2） 釋放能量，電子和空穴復(fù)

4、合4222208nrexrre mEh nm 激子吸收，是由激子引起的，而激子則是由于光子能量偏小，沒能使電子躍遷到導(dǎo)帶而形成了電子空穴對(duì)的一種中間狀態(tài)。這種狀態(tài)可以吸收一定能量的光子躍遷到導(dǎo)帶，這就是激子的吸收。激子能級(jí)與氫原子類似，：電子與空穴的折合質(zhì)量。10,123exexnnEEnnn 是激子的基態(tài)能級(jí)，當(dāng)時(shí)，相當(dāng)于電子與空穴完全分離。激子的能級(jí)完全處于禁帶中。相當(dāng)于導(dǎo)帶底能級(jí)。與能級(jí)的吸收譜線容易分辯，以后能級(jí)的吸收譜線很難觀測。0ghE五、 雜質(zhì)吸收a和c: 施主能級(jí)導(dǎo)帶遠(yuǎn)紅外區(qū)域b和d：受主能級(jí)價(jià)帶長波限以外e: 施主能級(jí)價(jià)帶 略小于f：受主能級(jí)導(dǎo)帶總結(jié)：本征吸收：半導(dǎo)體材料自身電子吸收光子，由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶的吸收。晶格振動(dòng)吸收：光子被晶格散射，產(chǎn)生非彈性碰撞，光子與聲子相互作用，光子轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)或多個(gè)聲子。自由載流子吸收：價(jià)帶中的空穴和導(dǎo)帶中的電子吸收能量較小的光子，產(chǎn)生能帶內(nèi)的