1、第八章：固体光电基础第八章：固体光电基础8.1 8.1 固体的光学常数固体的光学常数 光通过固体时，光与固体中的电子、激子、晶格振动及杂质缺陷相互作用而产生光吸收。 固体吸收外界能量后，部分能量以光的形式发射出来。 固体的光电现象包括：光的吸收、光电导、光生伏特效应和光的发射等。8.1.1 折射率与消光系数电磁波在导电介质中传播时，光波能量被介质吸收，能量不断损耗 。对于吸收介质，引入负折射率：实部n称为折射率，虚部K称为消光系数。透入固体中光的强度随透入的距离Z指数衰减，光强可写为：0zII e2Kc光射入固体表面时，反射光强与入射光强之比称为反射率R。222221(1)1(1)nnKRnn
2、K 除了用折射率和消光系数来描述固体的光学性质外，还可用其他物理量。介电常数和电导率根据麦克斯韦方程组：222ncic其中， ，对非磁性材料有： 。0001/c 得出：2222001111 ,1122nK对无吸收介质，K=0， 。0/n 8.1.2 克拉末-克龙尼克（Krameres-Kronig）关系 总之，可以有多重形式描述固体的宏观光学性质，可以用两个参量组成一组，也可以用一个复数参量，他们之间满足一定的变换关系。 复数形式的光学常数具有实部和虚部分量，虚部一般与能量消耗有关，实部则不涉及能量消耗。 一般，描述固体的两个光学常数是独立的。但是两者并不是完全没有关系。两个常数之间满足克拉末
3、-克龙尼克关系（简称K-K关系）。 例如，知道某个固体在整个频段中的全部K值，就可以由K-K关系算出该固体在相应频段的n值。 将某种形式的光学常数写为：12( )( )( )Ccic 则K-K关系表示为：122202()( )ccd 2112202()( )( )cccd 8.2 8.2 光学常数的测量光学常数的测量 椭圆偏振光谱法是测量固体光学常数谱的常用方法。 由光谱测量，同时、直接测量反射光束或透射光束振幅衰减和相位改变，求得被测样品的折射率n和消光系数k，从而获得被研究固体的全部光学常数。 光束经过起偏器后变为线偏振光。转动起偏器可以改变光束的偏振方向。 线偏振光经过1/4波片后变为椭
4、圆偏振光。转动起偏器，可改变椭圆偏振光的形状。 椭圆偏振光经过样品的反射后，偏振状态发生改变。椭圆的方位与形状改变了。 调整起偏器，使反射光变为线偏振光。 转动检偏器，得到消光状态。 光偏振状态在样品上反射时的改变，可以用菲涅尔公式、折射公式和干涉公式来分析。 以带膜层结构的样品为例： 偏振光在不同界面的反射系数（菲涅尔公式）：211212112coscoscoscospnnrnn112211122coscoscoscossnnrnn 偏振光在不同界面的折射（折射定律）：112233sinsinsinnnn 反射光束是很多束光叠加的结果，考虑干涉效应。总反射系数：2122121ippPippr
5、r eRr r e2122121issSissrr eRr r e2为相邻光束的相位差。定义椭圆偏振数和，则有：tanpiSReR tan代表相对振幅衰减，代表相位移动之差。通过测得和的值，就可以得到样品中膜的物理信息。通过参数和 求出被测样品样品的光学参数，就要看有多少个方程，多少个物理量，几个未知，几个待求。不同样品情况不同。8.3 8.3 半导体的光吸收半导体的光吸收 材料吸收辐射能量，导致电子从低能级跃迁到高能级。对于半导体材料，自由电子和束缚电子的吸收都很重要。8.3.1 本征吸收 由于电子由带与带之间的跃迁形成的吸收过程称为本征吸收。 理想半导体，绝对零度时，导带全空，价带全满。
6、光照后，价带电子获得足够能量，从价带跃迁至导带，形成电子空穴对。 发生本征跃迁的条件是光子能量大于禁带宽度。ghE8.3.2 直接跃迁和间接跃迁 电子跃迁过程同时满足能量守恒和动量守恒。 电子波矢满足：hkhk 光子动量 光子的动量远小于电子的动量，可忽略不计。hkhk 即电子跃迁过程中波矢保持不变。则原则上价带中A处的电子只能跃迁到B处。这种跃迁称为直接跃迁。 由于同一波矢k处，能带的垂直距离不同。因此，本征吸收形成连续能带，并形成长波吸收限 。0/gEh 导带极小值和价带极大值位于同一波矢处，半导体在本征吸收过程中产生直接跃迁，称为直接带隙半导体。 价带顶位于空间原点而导带底则不在空间原点
7、，这类半导体称为间接带隙半导体。 本征吸收中，除了选择定责的直接跃迁外，还存在着非直接跃迁过程，如图中OS。 非直接跃迁过程中，电子不仅吸收光子，还同时和晶格交换一定的能量，即放出或吸收一个声子。 非直接跃迁过程是电子、光子和声子三者同时参与的过程。0pEhE电子能量差= 能量关系： ，+：吸收声子，-：发射声子。声子能量相对光子能量非常小，可以忽略不计，上式可简化为：0ghEE= 非直接跃迁过程中，伴随发射或吸收声子，声子具有准动量，根据动量守恒原理，电子的波矢可以改变。 这种除了吸收光子还与晶格交换能量和动量的非直接跃迁也称为间接跃迁。 间接跃迁过程一方面与电子与电磁波的相互作用有关，一方
8、面与电子与晶格的相互作用有关。是一种二级过程。间接跃迁的光吸收系数比直接跃迁小很多。 间接跃迁。 直接跃迁。 根据半导体的吸收光谱，可以确定其禁带宽度，了解复杂的能带结构，作为区分直接带隙和间接带隙的重要依据。8.3.3 其它吸收过程 波长比本征吸收限0长的光波在半导体中往往也能被吸收，这说明除了本征吸收外还存在其它的光吸收过程，主要有激子吸收，杂质吸收，自由载流子吸收和晶格振动吸收等。1 激子吸收 光子能量小于禁带宽度，价带电子受激发后跃出价带但是未进入导带，仍然受到空穴的库伦场作用。受激电子和空穴束缚结合在一起，形成激子，这样的光吸收称为激子吸收。 激子呈电中性，且在晶体中运动，不形成电流
9、。 激子消失的途径：1.热激发使激子中的电子空穴分离。2.激子中的电子和空穴复合，放出能量。2 自由载流子吸收 当入射光的频率不够高，不足以引起电子带到带的跃迁或者形成激子跃迁时，仍然存在跃迁。这是由自由载流子在同一带内跃迁引起的，这种跃迁称为自由载流子吸收。 1.满足能量守恒和动量守恒，电子跃迁必然伴随声子的吸收或发射。 2.吸收能量较小，一般为红外吸收。 3.随着波长的增大，吸收强度增强。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。电子吸收光子跃迁到导带；空穴吸收光子跃迁到价带，这种光吸收称为杂质吸收。 由于束缚态没有一定的准动量，电子（空穴）可以跃迁到任意的导带（价带）
10、能级，因而引起连续的吸收光谱。 杂质能级越深，吸收光子能量越大，吸收峰越靠近本征吸收限。 除了与电离过程相关的光吸收外，杂质中心上的电子或空穴由基态到激发态的跃迁也可以引起光吸收。 杂质吸收比较微弱，特别在杂质溶解度比较低的情况下，杂质含量很小。2 晶格振动吸收 晶体吸收光谱的远红外区，有时还发现一定的吸收带，这是晶格振动吸收形成的。这种吸收中，光子能量直接转换为晶格振动能量。8.4 8.4 半导体的光电效应半导体的光电效应 光吸收使半导体中形成非平衡载流子，而载流子浓度的增大必然使样品电导率增大，这种由光照引起半导体的电导率增加的现象称为光电效应。本征吸收引起的光电导称为本征光电导。 半导体
11、的暗电导率为：000()npq np 光照射产生非平衡电子和空穴后：()npq np光电导为：()npqnp 实际半导体，本征吸收中，n= P，但是并不是光生电子和光生空穴都对光电导有贡献。 光照经过一定的时间才达到定态光电导；同样光照停止后，光电导逐渐消失。这种光照下光电导率逐渐上升和光照停止后光电导率逐渐下降的现象，称为光电导的弛豫现象。1 半导体的光电导2 PN结的光生伏特效应 当用适当波长的光照射非均匀半导体时，光生电子和空穴由于内建电场的作用，会向两边分离，因而在半导体内部产生电动势，如将半导体两端短路，则会出现电流，这种内建电场引起的光电效应，称为光生伏特效应。 光生伏特效应最重要
12、的应用之一，是将太阳辐射能直接转变为电能。太阳能电池是一种典型的光电池，一般由一个大面积硅PN结组成。8.5 8.5 半导体发光半导体发光 半导体中的电子可以吸收一定能量的光子而被激发，同样，处于激发态的电子也可以向较低的能级跃迁，以光辐射的形式释放出能量，也就是电子从高能级向低能级跃迁，伴随着发射光子，这就是半导体的发光现象。 产生光子发射的主要条件是系统处于非平衡状态。半导体内需要有某种激发过程存在，通过非平衡载流子的复合，才能形成发光。 激发方式包括：电致发光、光致发光和阴极发光等。8.5.1 辐射跃迁 电子从高能级向低能级跃迁时，必然释放一定的能量，如果跃迁过程伴随着放出光子，这种跃迁
13、称为辐射跃迁。 半导体发光材料，辐射跃迁占优势。 辐射跃迁主要包括以下几种： 1.1.本征跃迁（带与带之间的跃迁）本征跃迁（带与带之间的跃迁） 导带电子跃迁到价带，与价带空穴相复合，伴随着发射光子，称为本征跃迁。 直接带隙半导体，本征跃迁为直接跃迁。其辐射效率较高。 间接带隙半导体，本征跃迁为间接跃迁，这种跃迁概率较低。 2.非本征跃迁 电子从导带跃迁到杂质能级，或杂质能级上的电子跃迁入价带，或电子在杂质能级之间的跃迁都可以引起发光，这种跃迁为非本征跃迁。 间接带隙半导体本征跃迁概率小，此时非本征跃迁占主要作用。8.5.2 发光效率 电子跃迁过程中，除了发射光子的辐射跃迁外，还存在无辐射跃迁。
14、 无辐射复合机理比较复杂，主要有两种：1.俄歇过程：电子从高能级向低能级跃迁时，将多余的能量传递给第三个载流子，使其受激跃迁到更高能级。2.发射热声子：电子和空穴复合，可以将能量转变为晶格振动能量。 实际的发光过程同时存在辐射复合和无辐射复合。两者的概率不同导致不同材料有不同的发光效率。 半导体发光，就要求辐射复合占压倒性优势，使发光中心浓度远大于其他杂质浓度。8.5.3 电致发光机构 1.PN结注入发光 加正向偏压后，势垒降低，载流子扩散，势垒区和扩散区不断注入少数载流子，少子与多子不断复合而发光。原理： 2.异质结注入发光异质结少子注入效率要大于PN结。 异质结两端加正向偏压后，当两者的价
15、带达到等高，P区的空穴由于不存在势垒，不断向N区扩散，保证了空穴（少子）向发光区的高注入效率。 禁带宽度较宽的区域为注入源，禁带宽度较小的区域为发光区。8.5.4 发光二极管LED 半导体发光二极管简称LED（light emitting diode）是一种用半导体PN结或类似结构把电能转换成光能的器件。 其特点是通过正向偏压下的PN结，电子和空穴因复合而自发辐射发光。其工作电压低，功率小，重量轻，体积小，寿命长即可以在同一平面内显示等特点。 目前LED可以发出可见光，红光，绿光，黄光和蓝光（2014年诺贝尔奖）。 渐变层衬底主要用来使晶格失配引起的界面非辐射复合减到最小。 结区产生的光子只有一部分能从表面射出。 引起射出光子数减少的损耗机制为：1.LED材料的光吸收2.菲涅尔损失（界面反射）3.临界角损失（光密入光疏介质，入射角大于临界角时发生全反射）。 好好学习，全力以赴！Thanks!Thanks!
