第1章物质中光的吸收和发射ppt课件

1、第一章 物质中光的吸收和发射1.1 光学的根本物理常数1.光的吸收是物质普遍性质。吸收系数)exp()0()(zIzIdzzIzdI)()(,小，透明， 大，被吸收1.1 光学的根本物理常数2.麦克斯韦方程组 非磁性电中性介质中，=0，M=0000HDJtDHtHE物质方程HBPEEDEJ03.分析1)由方程变换tJtPtECE02202221)(这是电场E的普通动摇方程。提示极化电荷和传导电流对光场的影响。极化项可解释吸收、色散、双折射和旋光性等。线性光学的根本方程，动摇方程，描画各向同性均匀介质中的光学景象，衍射，干涉EEE2)(222220022021tEtEtJtDEEDPED)(00

2、2求解动摇方程，单色平面波expexp)(exp),(00tizciEtkziEtzE)(*2100i）（）（）（3当思索固体中光的吸收时,式中虚数部分为极化电流，不耗费电磁场能量.实数部分符合欧姆定律，j=E，得到=02(),单位时间电磁场耗费在电偶极子上的能量，即单位时间介质吸收的能量为EP1)(0EEitPJ)( 1)(20102202)(EE介质的光吸收特性与2有关。4.折射率、介电系数、电导率1)折射率 吸收介质中*ninn*)()(21iin)(2)(2122nn这就是1()、2()与n、的关系2由经典电磁实际得到inni0/*)(*02204)nn （、与n、的关系3)固体中光的

3、吸收系数=0，=0，n为实数，入射光没有衰减0，0， n为复数，入射光有衰减4)垂直入射的情况下，外表的反射系数为c/22222)1 ()1 (nnR1.2 气体中光的吸收和发射 1.2.1 气体中光的吸收地球大气的吸收特性地球大气1-5 m有7个大气窗口，8-14m1.2.2 气体中光的发射发光过程 1激发；2发射1激发 热激发、射线激发、放电激发、光激发气体放电中第一类非弹性碰撞e*+AA*+e第二类非弹性碰撞A*+e e*+AA*+B A+B*+共振俘获激发 A1* A1+h h+A2 A2*2发射过程 发射光谱：与原子种类、气体压力等有关 简单讲，原子气体发射线光谱，双原子气体发射带光

4、谱。 荧光：激发停顿以后，所激发的光立刻消逝。磷光：激发停顿以后，所激发的光仍能坚持一段时间。余辉：任何方式的发光都存在一定的衰减过程。1.3 固体中光的吸收概述1.根本吸收区 2.激子吸收 3.自在载流子吸收 4.声子吸收 5.杂质吸收 6.自旋波量子吸收和盘旋共振吸收1.3.1本征吸收半导体吸收一个能量大于禁带宽度的光子，电子由价带跃迁到导带，称本征吸收两种半导体：直接带隙半导体 间接带隙半导体两种跃迁 直接跃迁：仅涉及一个或多个光子的吸收。间接跃迁：还包含声子的吸收1.直接跃迁1)允许的直接跃迁是在两个直接能谷之间的跃迁，仅垂直跃迁是允许的能量守恒 Ef=h- | Ei |动量守恒21k

5、Pkop21, 0kkPop抛物线能带*22*2222hiegfmkEmkEErhegmkmmkEh12)11(222*22)()(2)2()2(8)(2/1322/332hdEhhmdkkdhhNgr得到在k空间，k到k+dk之间终态与初态能量差为 h的形状对密度直接跃迁情况下，吸收系数AWifN(h)Wif为跃迁几率，一切跃迁都是答应的情况下，Wif是常数，那么dB(h-Eg)1/2,其中ifrfnchmmeB02/32)2(ififrfhfmmB/)/2(3/2有限范围内成立；需修正2)禁戒的直接跃迁在某些资料中，k=0的直接跃迁是制止的,k0的直接跃迁是允许的， Wif正比于k2，正比

6、于(h-Eg)，那么d(h-Eg)3/2，其中直接跃迁的吸收系数随频率的变化1允许的跃迁 2制止的跃迁3)布尔斯坦-莫斯挪动重掺杂半导体的本征吸收限向高频方向挪动，布尔斯坦莫斯挪动4)带尾效应直接跃迁吸收系数的光谱曲线，吸收系数随光子能量减小呈指数衰减2.间接跃迁间接带隙，导带最低形状的k值与价带顶最高能量形状的k值不同，跃迁过程要引入声子的吸收和发射过程能量守恒hEp=Eg动量守恒21kqk间接跃迁的吸收系数 i=e+a其中e和a分别为声子发射和吸收引起的奉献pgpgkTEpgapgpgkTEpgeEEhEEheEEhAEEhEEheEEhApp01)(01)(/2/2纯真半导体低温下，吸收

7、系数很低重掺杂半导体，低温时，声子数目少，散射过程可以近似看作弹性过程，补偿实现动量守恒；温度较高时，动量守恒主要依托电子电子散射来完成3.电场和温度对本征吸收的影响1电场的影响半导体放在电场E中能带发生倾斜，产生隧道效应gExeE 夫兰茨凯尔迪什效应入射光子hEg时,电场对吸收系数的影响比较复杂,吸收光谱表现为起伏依从的曲线.斯塔克效应有电场时原子发射谱线发生挪动和分裂吸收系数),(1 )()(2/10EhGEhAhg杂质晶格缺陷和位错构成部分内电场也会产生部分的夫兰茨凯尔迪什效应2)温度的影响大多数半导体的禁带宽度随温度的升高而减小，少数半导体的禁带宽度随温度的升高而添加，从而影响本征吸收

8、限Ge不同温度时的光吸收，吸收曲线的肩形部分1.3.2 激子吸收根本吸收中，以为被激发电子变成了导带中自在粒子，价带中产生的空穴也是自在的。但是受激电子与空穴会彼此吸引(库仑场)，有能够构成束缚态，称为激子。电中性能在晶体中自在运动的激子称自在激子，又称瓦尼尔(Wannier)激子。不能自在运动的激子称束缚激子，又称弗伦克尔(Frankel)激子。激子的产生是由于入射光子能量缺乏以使价带电子跃迁到导带，受激电子遭到价带空穴束缚。束缚能激子吸收谱是一系列分立的。直接带隙半导体中，自在激子的构成能)(6 .131)4(22202)1(2204eVnmmnEnemErexcrexc)(2*22hee

9、xcgmmkEEh分立的激子吸收谱线必需在低温、纯样品和高分辨率丈量仪器下才干察看Cu2O(4k), GaAs)激子的波尔半径 rB=0.053nm, 氢原子的波尔半径载流子浓度较高的半导体、半金属和金属中没有激子存在载流子对激子的屏蔽Borrmm /rexc间接带隙半导体，激子光吸收有声子参与，间接声子构成能pexcgexpexcgaxEEEhEEEh2/1)(pexcgEEEh激子吸收谱是一个具有确定下限的带光谱。单声子过程，还有多声子过程。间接激子的吸收系数1.3.3 杂质吸收三个方面1从杂质中心的基态到激发态的激发，可引起线状吸收谱。2电子从施主能级到导带或从价带到受主能级的吸收跃迁

10、红外区3)从价带到施主能级或从被电子占据的受主能级到导带的吸收跃迁。几率小。浅受主能级到导带的跃迁吸收跃迁系数2/1)(AgAAEEhNA掺锌或镉的InSb的光吸收Eg=235.7mev;EA=7.9mev1.3.4 自在载流子吸收 自在载流子吸收一个光子能量跃迁到同一能带的另一个态。对导带中电子跃迁，吸收正比于自在电子数。吸收系数为 空穴的吸收系数也是如此，只是一些参数不同ccencmgen32023204中红外范围内，自在载流子吸收按2规律变化。近红外区不再适用。电子在导带中跃迁，不同能量形状间跃迁，那么必需改动波矢量，为了动量守恒，电子动量的改动可由声子或电离杂质的散射来获得补偿。近红外

11、区域，M.Becker等人指出电子遭到声学声子散射， 1.5电子遭到光学声子散射， 2.5 受杂质散射， 33.51.4固体的光发射1.4.1 辐射复合和光吸收的关系半导体中电子与空穴的辐射复合是光电子器件一种非常重要的发光机制1热平衡热平衡时，单位时间内光激发电子-空穴对的产生率，应等于因辐射复合而消逝的复合率dWdR)()()(根据普朗克定律decnhdkTh118)(/333入射到半导体中的光子平均寿命() ,那么吸收几率 W ()=1/()()为光子以速度 在半导体中行进1/()的时间 W ()=()= ()c/n单位体积单位时间电子-空穴对的总复合率R罗斯布莱克-肖克莱关系decnh

12、dRRkTh0/2230) 1()(8)(2)非平衡非平衡形状时R的增量R与非平衡载流子浓度n、p的关系0000000000)(ppnnRRRpnppnnRR)(0000pnRpnRnrRniri2fiinnRBR,2iinRB 带间跃迁的光发射和直接复合， n=p，少数载流子辐射复合寿命复合率与辐射复合几率关系本征本征1.4.2 辐射复合和非辐射复合载流子复合包括辐射复合和非辐射复合。由于辐射复合产生光子效率为R/N? ?越小，越大间接跃迁半导体中，大部分是非辐射复合，不适宜作发光半导体半导体中典型跃迁NRNRR/11/1/1/11.4.3 本征发光导带电子和价带空穴复合发光分为直接跃迁和间

13、接跃迁在较高温度下可以察看到，低温下很弱1.直接跃迁表现为谱带。自吸收光谱分布/ )(2/12)()(kTEhggeEhhI2.间接跃迁间接带隙半导体，带间复合发光需求声子参与。发射声子时，光谱分布/ )(22)()(kTEEhgpgpeEEhhI 间接跃迁发光强度比直接跃迁发光强度弱。 发射谱带通常与自在激子发射谱带重叠1.4.4 激子复合发光激子发光光谱在低温下观测1直接带隙半导体。只需k=0附近的自在激子才干辐射跃迁，构成锐线GaAs中Nano-ZnO30040050060070080090001000020000300004000050000intensity(a.u)waveleng

14、th(nm)2间接带隙半导体，激子复合光谱为谱带。发射带的宽度决议于激子的热分布。18k硅的激子复合光谱。没有吸收声子的谱带，由于低温下声子数很少。束缚激子，动能接近于0，复合发射谱线为锐线，比自在激子窄。束缚激子复合光谱通常含有零声子光谱和发射声子光谱或声子组合光谱。3等电子中心发光等电子中心：替位式杂质掺杂，杂质原子与被替代的原子位于同一族原子价相等GaP中N原子，负电性大于P原子，N原子周围产生晶格变形，使N原子俘获电子，束缚在周围，同时以库仑力俘获空穴，构成束缚激子。k空间能级图，波函数不断扩展到k=0附近,且电子的几率密度也很大。等电子中心，间接跃迁准直接跃迁，复合几率飞速增长，发光

15、效率大大提高。曾经制成GaP:N, GaP:Zn-O, GaAs1-xPx:N高亮发光二极管。一定条件下，发光波长可变1.4.5 经过杂质的辐射复合1电子从导带到施主能级或从受主能级到价带跃迁，辐射跃迁很弱。2电子从导带到受主能级或从施主能级到价带跃迁，发射光谱外量子效率高*/20)(areWrW3施主受主对的辐射跃迁分立谱线，远间距的合并为延续谱线辐射跃迁几率与空间间距的关系举例电弧制备ZnS纳米棒20304050607080900200040006000800010000Zn(102)Zn(101)ZnS(101)ZnS(002)ZnS(100)ZnS(112)Zn(002)Zn(103)

16、ZnS(110)Zn(100)intensity(a.u.)2theta2030405060708090050100150200ZnS(112)ZnS(110)ZnS(101)ZnS(002)ZnS(100)intensity(a.u.)2theta30040050060070080005001000150020002500intensity(a.u.)wavelength(nm)5201.5 自发发射、受激发射和受激吸收辐射场与物质的相互作用 三种景象：自发发射、受激发射和受激吸收1. 自发发射E2的一个原子自发跃迁到E1发射一个h光子。单位体积内，t时辰有N2个原子处于E2能级，这些原子因

17、自发发射引起的衰减率22121)(NAdtdNspA21为自发发射几率，或自发发射爱因斯坦系数s2=1/A21为能级E2自发发射寿命2. 受激发射E2的一个原子，在= E2-E1/h的光子刺激下，受激跃迁到E1，发射一个与入射光子完全一样的光子。完全一样四同：同方向、同相位、同频率、同偏振受激辐射跃迁速率：22121)(NWdtdNst其中W21为受激辐射跃迁几率，W21=B21B21为受激辐射爱因斯坦系数， 为单位体积内，频率在附近单位频率间隔中的电磁辐射能量。自发发射与受激发射的比较普通光源中 q激/q自=1/2000激光中 q激/q自=5*1053. 受激吸收E1的一个原子，在=E2-E

18、1/h的光子刺激下，受激跃迁到E2，吸收一个h光子。受激吸收跃迁速率：11212)(NWdtdNst其中W12为受激吸收跃迁几率，W12=B12B12为受激吸收爱因斯坦系数。4.自发发射、受激发射、受激吸收的关系单位体积、单位时间内自发发射、受激发射、受激吸收的光子数分别为A21N2 、B21N2、B12N1，热平衡形状的空腔内kThkTEEeggeggNN/12/ )(12121211222121NBNBA11/2121122121kTheggBBBAN2和N1服从波尔兹曼分布可得到单色辐射能量密度为比较可以得到118/33kThech18221112332121gBgBchBA11/212

19、1122121kTheggBBBA根据黑体辐射的普朗克实际，爱因斯坦关系式，阐明了自发发射、受激发射、受激吸收三个过程的联络。1.6谱线加宽自发辐射光谱有一定的宽度，自发辐射功率是频率的函数I()自发辐射总功率dII)(IIg/ )(),(01),(0dg定义谱线的线型函数满足归一化条件线型函数方式取决于产生谱线加宽的物理机制。可看成能级E2到E1自发发射一个频率在+d间光子的几率。也可了解为跃迁几率按频率的分布函数1.6.1 均匀加宽谱线加宽主要分为均匀加宽和非均匀加宽。均匀加宽：每个单独原子的谱线对整个体系的谱线展宽起作用。非均匀加宽：不同原子对谱线的不同频率有奉献。均匀加宽的主要机制有自

20、然加宽、碰撞加宽和晶格振动加宽。1.自然加宽1)经典实际：原子作为一偶极子，自发辐射导致能量不断损耗，电偶极子阻尼简谐振动辐射场titeeEte0220)()(22)()(0002iEdteteEtidEdEdI2022202)(4)2()()(对其进展富立叶变换，时域变到频域频率在 +d区间内的自发辐射功率为自发发射辐射总功率20222)(4)2/()(0dEdII20220)(4)2(),(g202220220)(4)2/()(4)2/(1/ )(),(dIIg线型函数得到自然加宽谱线具有洛伦兹线型.2自然加宽2200)2()(2),(NNg20220)(4)2(),(g当= 0时g(,0

21、)=4/为峰值. 谱线宽度：曲线下降到峰值一半时的频率间隔 当分母两项相等时，得到谱线宽度N=/2 自然加宽线型函数 3)阻尼系数与原子在能级E2寿命的关系自发发射功率随时间的变化 自发发射tteItIeEtetI0202)()()(22221212/sNNAdtdNdtdN2/202steNN22/0/2202/)(ssttseIehNhdtdNtI221sN2022220)(4)21(/1),(ssg自然加宽独一由原子在能级E2的寿命s2决议4量子力学观念能级E2、E1的测不准量E2、 E1那么测不准关系hEE/ )(12hEEN/ )(121122ssEE2121221)11(21)11(sssssNh2.碰撞加宽气体中，碰撞弹性碰撞和非弹性碰撞气体中，粒子碰撞引起自发辐射相位发生不延续的跃变；能量交换，导致激发态原子寿命的缩短。碰撞加宽线型为洛仑兹型函数碰撞线宽L=1/(2L) ， L为原子碰撞的平均时间间隔，描画碰撞的频繁程度，并称平均碰撞时间。也即由碰撞引起的原子的寿命时间。实验L=P， 为碰撞加宽系数。2200)2()(2),(LLLg气体中同时存在自然加宽和碰撞加宽，通常碰撞加宽远大于自然加宽。把两个线型合并起来