半导体的带间光吸收谱曲线

1、半导体的带间光吸收光谱曲线谢梦贤(电子科学，成都)(1)光吸收系数：半导体吸收光的机制主要包括波段间过渡吸收(固有吸收)、载波吸收、晶格振动吸收等。吸收光的强弱通常用参数吸收系数表示，该参数描述了半导体中光的衰减速度。如果入射光强度为I，光进入半导体的距离为x，则定义以下内容：吸收系数的单位为cm-1。(2)波段间光吸收光谱曲线的特性：对于Si和GaAs之间的转移的光吸收，吸收系数a和光子能量hs之间的关系如图1所示。这个波段之间的光吸收光谱曲线的特点是：吸收系数随着光子能量的增加而增加。各种半导体具有吸收光子能量的下限(或光吸收长波极限截止波长)，能量下限随着温度的升高而减少(即截止波长变大

2、)；GaAs的光吸收光谱曲线比Si陡。半导体的波段光吸收光谱曲线为什么会有这些特性？与半导体的能带结构有关。(3)波段间光吸收光谱曲线的简要说明：半导体的波段间光吸收是由于原子价波段电子转移到导带而发生的，因为光吸收系数与原子价波段和导带的能量状态密度有关。在价带和导带中，能量密度分布更复杂(在自由电子、球面等能量表面近似中，能量状态密度和能量是次抛物线关系)，但由于原子价带顶部和导带底部附近的能量状态密度一般较小，因此在价带顶部和导带底部附近的转移中发生的吸收系数也较小。随着能量的增加，能量状态密度增大，吸收系数相应地增加，吸收光谱曲线随着光子能量的增加而增加。但是，由于实际半导体能量带的能

3、量密度分布函数的复杂性和电子吸收光的转移必须符合能量守恒、动量守恒和量子力学的转移规则的选择规则，因此半导体光吸收光谱曲线变得复杂，可能出现图1所示的阶段和多个峰值或谷值。为了使原子能在价带中转换为导向，至少要吸收带隙Eg大小的能量才能符合能量守恒定律，所以最小光吸收能量光子能量的下限，该能量的下限等于光吸收的长波极限截止波长g。光探测器中使用的某些半导体的带隙宽度、截止波长和带隙类型如下表所示。根据光吸收截止波长的这种关系，光吸收光谱曲线的测量可以确定半导体的带隙宽度。半导体的带隙宽度随着温度的升高而减少，因此光的吸收截止波长也随着温度的提高而增加。GaAs和Si的光吸收效率比较：*直接过渡

4、带隙GaAs:GaAs具有直接过渡带结构，因此光吸收光谱曲线上升得更陡。在这里，当价电子吸收了足够能量的光子，在价带中转换为导时，因为价带顶部和铅底部都在Brillouin区域的同一个点(即价带顶部电子的动量)？Kv=导带底部电子动量？Kc)，则转移时动量很少变化。同时，能量守恒定律如下：这种吸收光的直接转移既遵循能量保存和动量保存的规律，因此这种光吸收效率很高，随着光子能量的增加，光吸收系数迅速增加，形成陡峭的光吸收光谱曲线。此时，吸收系数与光子能量h和带隙Eg之间的函数关系可以表示为表达式的是常数。光子能量下降到Eg时，吸收系数减少到0，从而明确对应于截止波长。*间接过渡带隙Si:Si的光

5、吸收与GaAs不同。Si的能带结构是间接转移，所以其价带锯电子的动量是？kv比导带底部电子的动量小吗？在Kc中，原子电子转移时，必须使用声子的帮助(提供动量)实现动量守恒，实现转移(光子的动量很小，不能增加所需的动量)。声子动量是？k，所以光吸收的动量守恒定律是：此外，当声子能量为Ep时，光吸收的能量守恒定律如下：此时，吸收系数与光子能量h和带隙Eg之间的函数关系可以表示为表达式的常数等于2(允许切换)或3(不允许切换)。可见：a)实现间接转移需要第三方(声子)的参与，因此这种光吸收的效率低于直接转移光吸收，因此光吸收光谱曲线上升得更慢(即不太陡)。b)由于声子(声子)参与，此时的能量守恒定律

6、是，最小光吸收能量(相应)对禁带宽度(其间还有一个声子能量Ep)没有严格对应，因此光吸收的阻挡波长不像直接带隙半导体那么明显。但是，因为声子能量很小(Ep0.1eV)，最小光吸收能量通常更接近禁带宽度。(4)基准曲线：部分半导体的波段光吸收光谱曲线如图2所示。Si和Ge是具有相似类型光吸收光谱的间接过渡带结构的半导体。GaAs和InP等是直接转移能带结构的半导体，光的吸收光谱曲线都很陡。此外，半导体中载体的光吸收光谱曲线通常超出了波段间光吸收光谱曲线的截止波长。载波光吸收与频带内多个级别之间的转移有关，因此被吸收的光子能量较小，因此被吸收的光的波长更长。【注】频带间光转移的量子力学规则：从价电

7、子到导频带的光转移除了各波段能量状态密度的分布形式外，还要考虑初始状态和最终状态的特性。根据量子力学的转移理论，电子的转移必须遵循一定的规律选择规则。也就是说，只有在转换前后几乎能保持动量不变的那种转换才能实现。对于带间光转换，存在满足两种选择规则的转换：“允许转换”(allowed transition)和“禁止转换”(forbidden transition)。这是因为转换时电子的初始状态和最终状态的奇偶校验必须满足特定要求，才能吸收光，发生转换。例如，电子从s状态转换到p状态是允许的转移，而从s状态转换到s状态是禁止的转移。这意味着波函数奇偶校验是允许在不同状态之间转移的转移，波函数奇偶校验相同的状态之间的转移是禁界转移。但是金系转移不是一点也不会发生的转