2021-2022学年高二物理竞赛课件：固体光电基础之固体的光学常数

1、固体光电基础之固体的光学常数固体光电基础8.1 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：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。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

2、麦克斯韦方程组：其中， ，对非磁性材料有： 。得出：对无吸收介质，K=0， 。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-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： 则K-

3、K关系表示为：8.2 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

4、在不同界面的反射系数（菲涅尔公式）：偏振光在不同界面的折射（折射定律）：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：2为相邻光束的相位差。定义椭圆偏振数和，则有：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 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，

5、价带全满。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。8.3.2 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： 光子的动量远小于电子的动量，可忽略不计。 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 。 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，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。 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： 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，一方面与电子与晶格的相互作用