半导体物理知识点总结

的光子使电子激发,越过禁带跃迁入空的导带,而在价带中留下一个空穴,形成的吸收过程称为本征吸收。显然,要发生本征吸收。光子能量必须等于或大于禁带宽度,即对应于本征吸收光谱,在低频方面必然存在一个频率界线(或者说在长波方面存在一个波长极限)。当频率低于频率界线,或波长大于波长极限时,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(或特定频率),称为半导体的本征吸收限。

直接跃迁:在光照下,电子吸收光子的跃迁过程,除了能量必须守恒以外,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k,要跃迁到波矢量是k'的状态。由于对于能带中的电子, hk具有类似动量的性质,因此在跃迁过程中,k和k'必须满足如下的条件: hk'?hk?光子动量

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量,光子动量可忽略不计因而上式可近似地写为: k'?k

这说明,电子吸收光子产生跃迁时波矢保持不变(电子能量增加)。这就是电子跃迁地选择定则。为了满足选择定则,以使电子在跃迁的过程中波矢保持不变,则原来在价带中的状态A的电子只能跃迁到导带中的状态B。A与B在E(k)曲线上位于统一垂线上,因而这种跃迁称为直接跃迁。在A到B直接跃迁中所吸收光子的能量h?与图中垂直距离AB相对应。显然,对应于不同的k,垂直距离各不相等就是说相当于任何一个k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。由此可见,本征吸收形成一个连续吸收带,并具有一长波吸收限v0?Eg/h。因而从光吸收的测量,也可求得禁带宽度Eg的数据。在常用半导体中,Ⅲ–Ⅴ族的砷化镓、锑化铟及Ⅱ–Ⅵ族等材料,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。这种半导体在本征吸收过程中,产生的电子直接跃迁。

间接跃迁:本征吸收中,除了附和选择定则的直接跃迁外,还存在着非直接跃迁过程。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,即放出或吸收一个声子。因此,严格讲,能量转换关系应该考虑声子的能量。非直接跃迁过程是电子、光子和声子三者同时参加的过程,能量关系应该是h?0?Ep?电子能量差?E,式中Ep代表声子的能量,加号是吸收声子,减号是发射声子。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。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,声子的能量只在禁带宽度这个能量附近有微小的变化。所以,由非直接跃迁得出和直接跃迁相同的关系就是?E?h?0?Eg。总之,在光的本征吸收过程中,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

反射或吸收一个声子,使动量守恒原则仍然得到满足。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,故在理论上是一种二级过程。发生这样的过程,其几率要比只取决于电子与电磁波相互作用的直接跃迁的几率小的多。因此,间接跃迁的光吸收系数比直接跃迁的光吸收系数小的多。

硅、锗和砷化镓的吸收光谱:硅和锗是间接带隙半导体,光子能量h?0?Eg时,本征吸收开始。随着光子能量的增加,吸收系数首先上式到一段较平缓的区域,这对应于间接跃迁;向更短波长方面,随着光子能量增加,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。砷化镓是直接带隙半导体,光子能量大于h?0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。

研究本征吸收的意义: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,也可作为区分直接带隙和间接带隙半导体的重要依据。对于重掺杂半导体,例如n型半导体,费米能级将进入导带。温度较低时,费米能级以下的状态将被电子占据,价带电子只能跃迁到费米能级以上的状态。因此,本征吸收的长波限要向短波反向移动,这一现象称为伯斯坦移动。在强电场作用下,本征吸收的长波限将向长波反向移动,这意味着,能量比禁带宽度小的光子也能发生本征吸收,它是通过

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