带间跃的基本规律-1 Chapter 3 - 图文-

1、 3基本吸收:价带-导带之间的跃迁,常伴随光电导。吸收系数在105-106cm-1可以提供导带和价带的信息对于不同能带结构的半导体材料吸收系数和光子能量的关系不同直接带半导体、间接带半导体激子吸收:激子是电子和空穴的复合体.激子吸收过程产生激子.一般激子只产生在结晶好的晶体中.4杂质吸收:杂质原子或离子提供的能级参与的光子吸收, 能量在10-2eVE g。这种吸收可以是杂质内部能级,也可能是杂质能级和价带或导带间的跃迁。自由载流子吸收:电子在导带内或空穴在价带内的跃迁而引起的吸收。其吸收波长范围取决于导带和价带的宽度。一般在10-110-3ev。吸收系数随的降低而增加。声子吸收:在固体材料中存

2、在声子(描述晶体振动模式的相互作用。5GaAs吸收系数与光子能量的关系必须满足动量 11+k d k k 能量在EE+dE之间的状态数目在K 空间之间态密度数目,(4k 2dk 体积中的状态数单位体积中EE+dE 之间的联合态密度为 对抛物线型能带结构吸收系数 1213将曲线的线段延至能量轴h = E g允许的直接跃迁吸收:能量E i E f , 吸收能量K 的位置不变,动量守恒吸收系数与能量关系服从1/2 次方律 提供了一种实验确定带隙的方法GaAs 吸收系数与光子能量的关系禁戒的直接跃迁允许的直接跃迁价带顶和导带底都在K空间原点(K=0,且K=0处的跃迁满足选择定则,此时(K=0 0Wif

3、某些情况下,K=0处的跃迁被选择定则所禁止,而K 0处的跃迁被允许,即: 禁戒的直接跃迁K=0处的跃迁被禁戒14禁戒直接跃迁的量子力学分析量子力学选择定则:L = ±1讨论以下几种(k=0情形:(1如果价带顶由原子的s(或p轨道组成,导带底由原子的p(或d轨道组成(2与(1相反的情形(3如果价带顶由原子的s(或p轨道组成,导带底由原子的d(或f轨道组成(1和(2允许跃迁(3禁戒跃迁15k=0处跃迁被禁戒1/2处跃迁被允许k0 1617当n =4, m h * = m e * =m e 时,3/2Eg h h 相对于(是缓变的吸收边主要由3/2次方律决定。2/32/3(gE h h h

4、 从(-的图象可得到18间接跃迁:发生于间接带隙半导体中(如锗,硅等,导带底和价带顶的k 值不同,光子的动量变化不足以满足动量守恒定律,跃迁的实现需借助于声子参与或杂质散射。=±fi k q k h h h 动量守恒关系§3.3 声子伴随的间接跃迁=±f i k q k 波矢条件声子伴随的间接跃迁e e i pp eca a i ppc e声子伴随的间接跃迁吸收光谱直接跃迁吸收光谱 间接跃迁吸收光谱(考虑声子作用 各个符号的物理意义:吸收系数正比于初末态密度乘积(联合态密度的卷积,同时吸收系数也电子和声子作用几率成正比20 24多声子参与总吸收系数应为ea +=

5、TA ,TO横向声学声子和横向光学声子LA ,LO纵向声学声子和纵向光学声子Transversal/LognitudinalAcoustic phononOptical phonon由于多声子的参与,吸收谱低能端会出现复杂结构,分析这些结构可了解电-声子相互作用的相关信息。 声子伴随的间接跃迁吸收边的温度依赖 1/ 2 h (h Eg + E p 2 a Ep exp( 1 k BT (h Eg E p 2 e Ep 1 exp( k BT 1/2和温度的关系 26 吸收边为两段线性关系 1、当Eg+Ep>h >Eg-Ep 由 a ( h 为 1/ 2 h 关系曲线得到吸收边的斜率

6、 1/ 2 C exp(E p / k BT 1 线段延长与能量轴将于 ha= Eg-Ep 极限情况：T=0，声子被冻结 2、当h >Eg+Ep 为 1/ 2 h 由 e ( h 关系曲线得到吸收边的斜率 1/ 2 C 1 exp( E p / k BT 线段延长与能量轴交于 he= Eg+Ep 27 极限情况：T=0，吸收系数与温度无关 3.通过以上两式可以求得Eg和Ep。 4.不同温度下, Eg不同。随着温度的降低，一般Eg 增大，吸收边“蓝移” 。 在某些特殊材料，随着温度的降低，Eg可能降 低，出现吸收边“红移”，究竟是“红移”还是“蓝移” 要视具体情况。 28 §3.4 直接带中的间接跃迁 在直接带结构材料中，也可能发生间接 跃迁，这一点可以通过吸收光谱来判断。 如果光子能量超过一定阈值后，吸收系 数出现平方律，意味着可能发生间接跃 迁，进一步测量变温吸收光谱，可以旁 证间接跃迁的发生。 直接带中的间接跃迁： 体系首先吸收光子，然后通过发射或吸收声子，或者通过杂质或载流 子散射，使电子到达与其初态波矢不同的导带中。价带中任一占据态，都