2022-2023学年高二物理 激子吸收和其它吸收过程 竞赛课件

激子吸收和其它吸收过程

激子吸收和其它吸收过程

比本征吸收限波长还长的光子也能被吸收：激子吸收、自由载流子吸收和杂质吸收。一、激子吸收(exciton)1、光子能量hv<Eg，虽然电子已从价带激发，但还不足以进入导带成为自由电子,因库仑作用仍然和价带中留下的空穴联系起来，形成束缚态，电子与空穴间的这种束缚态，称为激子。在激子态中，电子和空穴的相对运动是局域化的。但整体可自由运动，整体电中性，所以激子的运动不产生电流。2、导致激子产生的光吸收称为激子吸收。3、Frenkel激子：紧束缚激子，电子-空穴形成电偶极矩。电子-空穴相互距离与晶格常数相仿。常出现在绝缘体和分子晶体中。

Wannier激子：电子和空穴弱作用，之间距离远大于晶格常数，可用类氢模型模拟，可迁移，常出现在半导体和绝缘体中。

激子的消失：①激子自由电子和空穴；②激子复合光子或光子+声子光吸收：光在电介质中传播时强度衰减的现象，称为光吸收上节课内容回顾直接跃迁：只有电子与光子的作用，一级过程，电子跃迁前后波矢改变很小，可以忽略，所以又称为垂直跃迁。间接跃迁：电子和光子作用，电子和声子作用，二级过程，电子跃迁前后波矢改变较大。光子和声子的动能与动量之比较：光子：动能大，动量极小；声子：动能极小，动量大。无论是直接跃迁还是间接跃迁，都需要满足：能量守恒动量守恒本征吸收：分为直接跃迁和间接跃迁。本征吸收限：直接带隙半导体中，也存在间接跃迁，间接带隙半导体中，也存在直接跃迁。4.激子的能级激子的运动：分为两部分：类似于氢原子中电子与质子在相互库仑引力作用下的运动。忽略质心运动，由类氢模型，得激子能量（激子能级与导带底的距离）为：质心运动；电子与空穴的相对运动。mr：电子和空穴的折合有效质量EH：氢原子基态电子电离能激子束缚能：激子基态能级与导带底之间的能量差。激子能级。5.激子吸收谱低温时才能观察到,第一个吸收峰对应光子能量为Eg-︱Eex1︳，n值更大，激子能级准连续，与本征吸收合并，室温下，激子吸收峰完全被抹掉。二、自由载流子吸收当入射光的波长较长，不足以引起带间跃迁或形成激子时，半导体中仍然存在光吸收(图10.2)，原因：自由载流子吸收：自由载流子在同一能带内的跃迁引起的吸收.吸收谱在本征吸收限长波一侧，吸收系数随波长的增加而增大。激子能级激子吸收谱图10.9②极性光学波散射：n≈2.5；③电离杂质散射：n≈3～3.5。如果以上散射机构同时存在，则吸收相加。

自由载流子吸收是二级过程（伴随光子和声子）自由载流子的吸收是它们在同一带内由低能态向高能态的跃迁引起的，必然伴随准动量的变化。它是吸收光子引起的跃迁，但光子动量很小，则只有通过吸收或发射声子，或经电离杂质中心的散射作用，才能满足动量守恒。E~k关系导带中自由电子的跃迁①声学波散射，长波高温时，n=2；低温、短波时，n=1.5。

自由载流子跃迁的另一种类型：子带间跃迁：吸收谱有明显精细结构

P型半导体，价带顶被空穴占据时，引起光吸收的三种过程：图10.12(P312，图10.13)

由于束缚态没有一定的准动量，则电子或空穴在上述跃迁后的状态的波矢不受限制，可以跃迁到导带或价带的任意能级。三、杂质吸收

占据杂质能级的电子或空穴的跃迁所引起的光吸收。1.中性杂质吸收：

过程I：吸收光子后，中性施主上的电子可以从基态跃迁到导带；或中性受主上的空穴从基态跃迁到价带。

一般情况下，电子跃迁到导带中越高能级，或空穴跃迁到价带越低能级，跃迁几率越小。所以，相应吸收谱主要集中在吸收限EI附近的吸收带。对于通常的浅能级杂质，电离能EI很小，

中性杂质的吸收谱出现在远红外区。

所吸收的光子能量＝激发态能量－基态能量吸收光谱为线状谱，不连续。

（图10.15)过程II：中性施主上的电子或中性受主上的空穴，由基态跃迁到激发态，引起光吸收。

深能级中性杂质吸收谱在浅能级中性杂质吸收谱高能侧。深能级杂质EI(DL)>EI(SL)，则：2.电离杂质吸收:

电离施主上的空穴或电离受主上的电子，可以吸收光子跃迁到价带或导带。

特征：对于浅施主或浅受主，这种跃迁对应的光子能量与禁带宽度接近，将在本征吸收限的低能一侧引起光吸收，形成连续谱。（图10.16)吸收阈值：对于浅杂质，通常Eg-EI>EI，则：电离杂质吸收谱在中性杂质吸收谱高能侧。四、晶格振动吸收

远红外区，光子与晶格振动的相互作用引起的光吸收。吸收机理：红外高频光波电场，使离子晶体的正负离子沿相反方向移动激发长光学波振动交变的电偶极矩其与电磁场相互作用，导致光吸收。晶格振动吸收，在离子晶体、极性半导体中较显著；在元素半导体中，不存在固有电极矩偶，但也能观察到晶格振动吸收较弱。实际上，这是一种二级效应，即，红外光的电场感应产生电