固体中的光吸收

1#在hv<E+E,a=0；如图3所示。gpe由于间接跃迁必须有声子的参与（辅助）方可实现，因此，温度很低时（TtOK）,声子数目很少时，百TO；只要光子能量合适，ae还是存在的。%ae4.自由载流子的光吸收同一带中的载流子，如导带中的电子或价带中的空穴，吸收光子后，引起载流子在一个能带内的跃迁，这一过程称为载流子的吸收。其特点是吸收光谱没有精细结构，吸收系数a与光波九s成正比。通常s在1.5〜2.5之间。九为真空中的光波长。九越大，a越大。以导带中的电子为例，电子吸收光子要高的k图4自由载流子的光吸收能量状态，如图4所示；这种吸收基本上发生在远红外波段。而为了满足动量守恒，必须有声子或电离杂质的散射来补偿电子动量的改变（为什么？）。理论分析表明，在载流子的光吸收主要有三种机制：(1)电子一声学声子作用吸收系数a*九1.5；(2)电子一光学声子作用吸收系数a*九2.5；(3)电子一电离杂质作用吸收系数a*九3.5。如果材料中有电离杂质存在，那么总的吸收系数为上述三种机制之和a=A九1.5+B九2.5+C九3.5.(35)至于哪一种占主导，要取决于半导体中所含的杂质浓度。前面提到的吸收系数a*儿中的指数s随掺杂浓度的增大而增加。对有效质量为m*的自由载流子，其吸收系数af的经典公式为N2九2a=e_0—fm*8兀2nc3T(36)其中，Ne为载流子浓度，n为材料折射率，T为驰豫时间，代表散射机构对吸收过程的影响。而驰豫时间依赖于散射中心的浓度，对于高掺杂的材料，a并不简单地正比于Ne，而是正比于唇。5.晶格吸收在远红外波段(10〜100pm),由于在T丰0K,所有固体都存在晶格振动，因此所有固体都具有一个由于光子和声子相互作用所引起的吸收区域。当光学频率①介于叫O和叫O之间时，即①>w>rn，介电系数s(①)<0。因而晶体LO丄0LOTO的消光系数K和吸收系数a将变得很大，反射率R几乎接近于1,通常称为剩余射线带(TheReststrahlenBand)。对二元离子晶体如GaAs特别显著。如图5所示。㊀—-Q0图5二元离子晶体电偶极

矩的形成原理：光中的电场使正负离子沿着相反的方向发生位移，形成电偶极矩，晶体发生极化，电偶极矩从光电磁场中吸收能量，当光的频率与晶格振动的频率一致时，光吸收达到极大值。假设一个光子产生一个声子，根据能量、动量守恒律，有力①(k)=力①(q)，q=k~0㊀—-Q0图5二元离子晶体电偶极

矩的形成实验上观察到GaAs的剩余吸收线对应的光子能量为0.034〜0.037eV,这一数据与GaAs中光学声子在q〜0的角频率①lo和叫o理论值相一致。如果吸收过程中一个光子产生两个声子，根据能量、动量守恒律，有力①(k)=力①(q)+力①(q)，k=q+q。由于k~0，1212因此q=-q，即产生两个声子的波矢大小相等但方向相反。对一特定的光子频率，光吸收12强度主要取决于有效声子态密度、声子的分布情况和光子产生声子的几率。要分析声子参与吸收的吸收光谱分布，必须了解声子的频谱特性。对于纯元素晶体(如单晶硅)，不存在固有极矩，也就不可能与光电磁场发生作用、耦合产生电偶极矩，不具有产生单一声子的光吸收。但实验上仍能观察到晶格振动的吸收光谱，这是一个二级过程：光电场感应产生电偶极矩，反过来与光电场耦合引起光吸收。6•杂质和缺陷吸收由于非理想晶体中存在杂质和缺陷，晶格周期性势场局部受到破坏。该局部区的电子态将不同于其它部分，从而在禁带中出现浅能级。电子吸收光子能量从基态跃迁到各相应的浅能级激发态。低温下半导体的杂质吸收光谱是杂质能级的直接实验证据。对于半导体而言，其杂质能级可以参考有关书籍，这里主要讲述离子晶体中正负离子缺位引起的局部能级。a.正离子缺位

当负离子过剩时，正离子出现缺位。正离子缺位引起一个带负电的缺陷。如图当负离子过剩时，正离子出现缺位。正离子缺位引起一个带负电的缺陷。如图6中A所指。右图为能级示意图。+EDB+E^7777777价带图6离子晶体中离子缺位及其光吸收原理图。A为正离子缺位，B为负离子缺位正离子缺位，A附近的原子之电子易被离化，所对应的电子易接近于导带底，形成浅能级。正常时，离子晶体电子基本上被限制（束缚）在价带中，因此，两者竞争在价带上方（禁带中）形成A浅能级。缺陷附近的阴离子3p电子不被晶格束缚，易电离。正离子缺位带负电，能俘获空穴，以保持电中性。当价带中电子受到光照射时而受激发跃迁到受主能级上，价带中同时产生空穴，与半导体中的受主相似。对卤元素过量的碱卤化合物晶体，通常在紫外光紫外光区出现一吸收带，称为V带，吸收中心称为V心。b.负离子缺位相反，如果阳离子过剩或阴离子缺量，晶体中出现剩余的负离子缺位。如图6中B所指，它是一个带正电的缺陷。由于