《半導(dǎo)體光電子》PPT課件

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1、半導(dǎo)體的光學特性第一章OpticalPropertiesofSemiconductor半導(dǎo)體光電子器件工作的本質(zhì)就是光子與半導(dǎo)體中電子的相互作用，因此，了解這種作用是掌握光電子器件的關(guān)鍵。光子與半導(dǎo)體電子的作用可以用散射理論來描述在光子的散射作用下，電子從一個狀態(tài)進入另一種狀態(tài)。這里電子的狀態(tài)用電子波矢k來表示。光子導(dǎo)致的半導(dǎo)體電子散射可以在半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)或者價帶內(nèi)發(fā)生，也可以在帶間發(fā)生，例如從價帶進入到導(dǎo)帶或反之。SemiconductorOpticalTransition預(yù)備知識光子的描述光是一種電磁波，可以

2、用MaxwellEquation來描述為了便于研究光與電子的作用，我們往往采用矢勢與標勢來表示電磁波中的電場與磁場。表示電場強度表示磁感應(yīng)強度，上兩式建立了磁場與電場的關(guān)系：Maxwell方程2，3兩式自動滿足。庫倫規(guī)范得到關(guān)于矢勢的方程矢勢滿足矢勢的方程根據(jù)定義式，電場與磁場則為：Poynting矢量的定義為這里為的單位矢量，Poynting矢量的時間平均單位：J/m2/s能量密度為如果體積中的光子的數(shù)量為那么能量密度為由上兩式可以得到矢勢的表達式為單位體積的光子數(shù)是可以物理測量的，因此矢勢直接與物理量對應(yīng)上

3、了?！纠}】一束波長為1.55微米，功率密度為1uW/m2的光照射到接收器上，計算這束光的電場強度。思考：如果入射光波長為0.8微米，功率密度相同，光的電場強度是否會發(fā)生變化？半導(dǎo)體電子半導(dǎo)體在價帶頂和導(dǎo)帶底的能量與波矢的關(guān)系可以近似表示為半導(dǎo)體在在價帶頂和導(dǎo)帶底的狀態(tài)密度單位為：對于半導(dǎo)體價帶，例如GaAs,其價帶有重穴帶與輕穴帶，有效質(zhì)量分別為那么價帶總的有效質(zhì)量為【例題】計算GaAs在導(dǎo)帶上1.43eV的狀態(tài)密度。半導(dǎo)體中電子在導(dǎo)帶與價帶的分布遵從費米分布，能級E電子的占有幾率為：導(dǎo)帶電子的密度為導(dǎo)帶底有

4、效狀態(tài)密度，單位為：同理有【例題】計算300K時，GaAs導(dǎo)帶底的有效狀態(tài)密度。在有載流子注入時，半導(dǎo)體中的電子將不是前面提到的平衡系統(tǒng)。在這種非平衡態(tài)時，電子的分布用電子準費米能級來表述。電子在導(dǎo)帶處于平衡態(tài)，空穴在價帶處于平衡態(tài)，電子-空穴相互之間，以及與晶格之間不發(fā)生能量交換。非平衡系統(tǒng)非平衡電子在導(dǎo)帶的費米分布非平衡空穴在價帶的費米分布準費米能級【例題】溫度為300K時，注入1017cm-3的電子與空穴到硅中，計算此時的電子空穴準費米能級。量子力學的知識告訴我們在光子的作用下，電子發(fā)生散射，由初始狀態(tài)吸

5、收與輻射進入末態(tài)這種狀態(tài)躍遷的幾率可以由費米黃金定則求得：這里的減號對應(yīng)光子的吸收，加號對應(yīng)光子的輻射。表示電子與光子相互作用哈密頓量，在矢勢的表達式下為單位：/秒由費米黃金定則得到的躍遷幾率既可以表示光子的吸收，也可以表示光子的發(fā)射。，動量為的光子被電子系統(tǒng)吸收的幾率可以表示為可以證明一個具有能量為而光子的發(fā)射過程可以寫受激發(fā)射與自發(fā)發(fā)射兩個部分其中受激發(fā)射自發(fā)發(fā)射受激發(fā)射是由于初始光子誘導(dǎo)電子系統(tǒng)發(fā)射光子，發(fā)射的光子與初始光子保持相干性。而自發(fā)輻射是由于真空擾動導(dǎo)致的電子系統(tǒng)發(fā)射光子，其發(fā)射的光子是非相干的

6、?！纠}】對于一般的半導(dǎo)體光電子器件，與電子作用的光子的能量為1~2電子伏特。分別計算2個電子伏特能量的光子與電子的波矢。通過計算可以發(fā)現(xiàn)，相對于電子的波矢，光子的波矢可以忽略不計，因此電子在躍遷前后在能量與波矢色散關(guān)系圖中，這種躍遷就是一種垂直躍遷。由于躍遷的這種垂直特性，我們有這里是電子空穴系統(tǒng)的reducedmass。單位為那么吸收幾率可以寫成依據(jù)實驗數(shù)據(jù)，半導(dǎo)體對于非偏振光的吸收可以寫作這里為半導(dǎo)體光躍遷的參數(shù)，通過實驗可以測的。與有效質(zhì)量相對應(yīng)的狀態(tài)密度為【例題】1.6eV的光子被GaAs價帶的電子吸

7、收。如果GaAs的帶隙為1.41eV，計算光吸收產(chǎn)生的導(dǎo)帶電子的能量與價帶空穴的能量。討論半導(dǎo)體的光吸收特性時，吸收系數(shù)比吸收幾率更方便使用，它們的關(guān)系為因此，吸收系數(shù)的公式可以寫成吸收系數(shù)的單位為m-1【例題】GaAs與Si的能帶邊緣的吸收系數(shù)分別為~104cm-1和103cm-1，當樣品的厚度最小為多大時，可以吸收入射光的90%？