【东南大学,光电子】第一章 物质中光的吸收和发射

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1、第一章 物质中光的吸收和发射1.1 光学的基本物理常数 1.光的吸收是物质普遍性质。 吸收系数, 小，透明， 大，被吸收1.1 光学的基本物理常数2.麦克斯韦方程组非磁性电中性介质中，=0，M=0物质方程3.分析 1)由方程变换这是电场E的普通波动方程。揭示极化电 荷和传导电流对光场的影响。极化项可 解释吸收、色散、双折射和旋光性等。线性光学的基本方程，波动方程，描述各向 同性均匀介质中的光学现象，衍射，干涉2）求解波动方程，单色平面波3）当考虑固体中光的吸收时,式中虚数部分为极化电流，不消耗电磁场能 量.实数部分符合欧姆定律，j=E，得 到=02(),单位时间电 磁场消耗在电偶 极子上的能量

2、，即单位时间 介质吸收的能 量为介质的光吸收特性与2（）有关。4.折射率、介电系数、电导率1)折射率 吸收介质中这就是1()、2()与n、的关系2）由经典电磁理论得到、与n、的关系3)固体中光的吸收系数=0，=0，n为实数，入射光没有衰减0，0， n为复数，入射光有衰减4)垂直入射的情况下，表面的反射系数为1.2 气体中光的吸收和发射1.2.1 气体中光的吸收 地球大气的吸收特性 地球大气1-5 m有7个大气窗口，8-14m1.2.2 气体中光的发射发光过程 1）激发；2）发射 1）激发 热激发、射线激发、放电激发、光激 发 气体放电中 第一类非弹性碰撞e*+AA*+e 第二类非弹性碰撞A*+

3、e e*+A A*+B A+B*+ 共振俘获激发 A1* A1+hh+A2 A2*2）发射过程发射光谱：与原子种类、气体压力 等有关简单讲，原子气体发射线光谱，双 原子气体发射带光谱。荧光：激发停止以后，所激发的 光立即消失。 磷光：激发停止以后，所激发的光仍 能保持一段时间。 余辉：任何形式的发光都存在一定的 衰减过程。1.3 固体中光的吸收概述 1.基本吸收区 2.激子吸收 3.自由载流子吸收 4.声 子吸收 5.杂质吸收 6.自旋波量子吸收和回旋共 振吸收1.3.1本征吸收半导体吸收一个能量大于禁带宽度的光 子，电子由价带跃迁到导带，称本征吸 收 两种半导体：直接带隙半导体 间接带 隙半

4、导体 两种跃迁 直接跃迁：仅涉及一个（或 多个）光子的吸收。 间接跃迁：还包含声子的吸收1.直接跃迁1)允许的直接跃迁是在两个直接能谷之间 的跃迁，仅垂直跃迁是 允许的能量守恒 Ef=h- | Ei |动量守恒抛物线能带得到在k空间，k到k+dk之间终态与初态能量 差为 h的状态对密度直接跃迁情况下，吸收系数AWifN(h)Wif为跃迁几率，所有跃迁都是许可的情况 下，Wif是常数，则dB(h-Eg)1/2,其中有限范围内成立；需修正 2)禁戒的直接跃迁在某些材料中，k=0的直接跃迁是禁止的 ,k0的直接跃迁是允许的， Wif正比于k2，正 比于(h-Eg)，则d(h-Eg)3/2，其中直接跃

5、迁的吸收系数随频率的 变化（1）允许的跃迁 （2）禁止的跃迁3)布尔斯坦-莫斯移 动重掺杂半导体的 本征吸收限向高 频方向移动，布 尔斯坦莫斯移 动4)带尾效应直接跃迁吸收系数 的光谱曲线，吸收 系数随光子能量减 小呈指数衰减2.间接跃迁间接带隙，导带 最低状态的k值与 价带顶最高能量 状态的k值不同， 跃迁过程要引入 声子的吸收和发 射过程 能量守恒 hEp=Eg 动量守恒间接跃迁的吸收系数 i=e+a 其中e和a分别为声子发射和吸收引起 的贡献纯净半导体低温下，吸收系数很低重掺杂半导体，低温时，声子数目少， 散射过程可以近似看作弹性过程，补偿 实现动量守恒；温度较高时，动量守恒 主要依靠电

6、子电子散射来完成3.电场和温度对本征吸收的影响1）电场的影响 半导体放在电场E 中能带发生倾斜， 产生隧道效应夫兰茨凯尔迪什效应 入射光子hEg时,电场对吸收系数的影响 比较复杂,吸收光谱表现为起伏依从的曲线. 斯塔克效应有电场时原子发射谱线发生移 动和分裂 吸收系数杂质晶格缺陷和位错形成局部内电场也会产 生局部的夫兰茨凯尔迪什效应2)温度的影响 大多数半导体的 禁带宽度随温 度的升高而减 小，少数半导 体的禁带宽度 随温度的升高 而增加，从而 影响本征吸收 限Ge不同温度时的 光吸收，吸收曲 线的肩形部分1.3.2 激子吸收基本吸收中，认为被激发电子变成了导带中 自由粒子，价带中产生的空穴也

7、是自由的。 但是受激电子与空穴会彼此吸引(库仑场)， 有可能形成束缚态，称为激子。电中性能在晶体中自由运动的激子称自由激子，又 称瓦尼尔(Wannier)激子。不能自由运动的激 子称束缚激子，又称弗伦克尔(Frankel)激子 。激子的产生是由于入射光 子能量不足以使价带电子 跃迁到导带，受激电子受 到价带空穴束缚。束缚能激子吸收谱是一系列分立的 。 直接带隙半导体中，自由激 子的形成能分立的激子吸收谱线必须在低温、纯样 品和高分辨率测量仪器下才能观察（Cu2O(4k), GaAs)激子的波尔半径rB=0.053nm, 氢原子的波尔半径载流子浓度较高的半导体、半金属和金属 中没有激子存在载流子

8、对激子的屏蔽间接带隙半导体，激子光吸收有声子参 加，间接声子形成能激子吸收谱是一个具有确定下限的带光 谱。单声子过程，还有多声子过程。 间接激子的吸收系数1.3.3 杂质吸收三个方面 1）从杂质中心的基态到激 发态的激发，可引起线状 吸收谱。 2）电子从施主能级到导带 或从价带到受主能级的吸 收跃迁 红外区3)从价带到施主能级或从 被电子占据的受主能级 到导带的吸收跃迁。 几率小。 浅受主能级到导带的跃 迁吸收跃迁系数掺锌或镉的 InSb的光吸收 Eg=235.7mev; EA=7.9mev1.3.4 自由载流子吸收 自由载流子吸收一个光子能 量跃迁到同一能带的另一个 态。对导带中电子跃迁，吸

9、收正 比于自由电子数。吸收系数 为 空穴的吸收系数也是如此，只是一些参 数不同中红外范围内，自由载流子吸收按2规 律变化。近红外区不再适用。电子在导带中跃迁，不同能量状态间跃 迁，则必须改变波矢量，为了动量守恒 ，电子动量的改变可由声子或电离杂质 的散射来获得补偿。近红外区域，M.Becker等人指出电子 受到声学声子散射， 1.5电子受 到光学声子散射， 2.5 受杂质散 射， 33.51.4固体的光发射1.4.1 辐射复合和光吸收的关系 半导体中电子与空穴的辐射复合是光电 子器件一种十分重要的发光机制 1）热平衡 热平衡时，单位时间内光激发电子-空 穴对的产生率，应等于因辐射复合而消 失的

10、复合率根据普朗克定律入射到半导体中的光子平均寿命() ,则吸收 几率 W ()=1/() ()为光子以速度 在半导体中行进1/()的时 间 W ()=()= ()c/n 单位体积单位时间电子-空穴对的总复合率R罗斯布莱克-肖克莱关系2)非平衡 非平衡状态时R的增量R与非平衡载流子浓 度n、p的关系带间跃迁的光发射和直接复合， n=p，少 数载流子辐射复合寿命复合率与辐射复合几率关系本征本征1.4.2 辐射复合和非辐射复合载流子复合包括辐射复合和非辐射复合 。由于辐射复合产生光子效率为R/N越小，越大间接跃迁半导体中，大 部分是非辐射复合，不 适合作发光半导体半导体中典型跃迁1.4.3 本征发光

11、导带电子和价带空穴复合发光分为直接跃迁和间接跃迁在较高温度下可以观察到，低温下很弱1.直接跃迁表现为谱带。自吸收光谱分布2.间接跃迁间接带隙半导体，带间复合发光需要声 子参加。发射声子时，光谱分布 间接跃迁发光强度比 直接跃迁发光强度弱 。 发射谱带通常与自由 激子发射谱带重叠1.4.4 激子复合发光激子发光光谱在 低温下观测 1）直接带隙半导体 。只有k=0附近的 自由激子才能辐 射跃迁，形成锐 线 GaAs中Nano-ZnO2）间接带隙半导体，激子复合光谱为谱带 。发射带的宽度决定于激子的热分布。18k硅的激子复合 光谱。没有吸收 声子的谱带，因 为低温下声子数 很少。束缚激子，动能 接近

12、于0，复合发 射谱线为锐线， 比自由激子窄。 束缚激子复合光 谱通常含有零声 子光谱和发射声 子光谱或声子组 合光谱。3）等电子中心发光 等电子中心：替位式杂质 掺杂，杂质原子与被替 代的原子位于同一族（ 原子价相等） GaP中N原子，负电性 大于P原子，N原子周围 产生晶格变形，使N原 子俘获电子，束缚在周 围，同时以库仑力俘获 空穴，形成束缚激子。 k空间能级图，波函数 一直扩展到k=0附近,且 电子的几率密度也很大 。等电子中心，间接 跃迁准直接跃迁 ，复合几率飞速增 长，发光效率大大 提高。已经制成GaP:N, GaP:Zn-O, GaAs1-xPx:N高亮发 光二极管。一定条件下，发

13、光 波长可变1.4.5 通过杂质的辐射复合1）电子从导带到施主能级或从受主能级 到价带跃迁，辐射跃迁很弱。 2）电子从导带到受主能级或从施主能级 到价带跃迁，发射光谱外量子效率高3）施主受主对的 辐射跃迁 分立谱线，远间 距的合并为连续 谱线 辐射跃迁几率与 空间间距的关系1.5 自发发射、受激发射和受激吸 收辐射场与物质的相互作用 三种现象：自发发射 、受激发射和受激吸收1. 自发发射E2的一个原子自发跃迁到E1发射 一个h光子。 单位体积内，t时刻有N2个原子处 于E2能级，这些原子因自发发射 引起的衰减率A21为自发发射几率，或自发发射爱因斯坦系数s2=1/A21为能级E2自发发射寿命2

14、. 受激发射E2的一个原子，在= E2-E1/h的光 子刺激下，受激跃迁到E1，发射一 个与入射光子完全相同的光子。 完全相同（四同）：同方向、同相 位、同频率、同偏振 受激辐射跃迁速率：其中W21为受激辐射跃迁几率，W21=B21 B21为受激辐射爱因斯坦系数， 为单位体积内 ，频率在附近单位频率间隔中的电磁辐射能量。自发发射与受激发射的比较普通光源中 q激/q自=1/2000激光中 q激/q自=5*1053. 受激吸收E1的一个原子，在=E2-E1/h的 光子刺激下，受激跃迁到E2，吸 收一个h光子。 受激吸收跃迁速率：其中W12为受激吸收跃迁几率， W12=B12 B12为受激吸收爱因斯

15、坦系数。4.自发发射、受激发射、受激吸收 的关系单位体积、单位时间内自发发射、受激发射、 受激吸收的光子数分别为A21N2 、B21N2 、B12N1，热平衡状态的空腔内N2和N1服从波尔兹曼分布可得到单色辐射能量密度为比较可以得到根据黑体辐射的普朗克理论，爱因斯坦关系式，表明了自发发射、受激发射 、受激吸收三个过程的联系。1.6谱线加宽自发辐射光谱有一定的宽度，自发辐射功率 是频率的函数I()自发辐射总功率 定义谱线的线型函数 满足归一化条件 线型函数形式取决于产生谱线加宽的物理机制 。可看成能级E2到E1自发发射一个频率在 +d间光子的几率。也可理解为跃迁几率 按频率的分布函数1.6.1 均匀加宽谱线加宽主要分为均匀加宽和非均匀加宽 。 均匀加宽：每个单独原子的谱线对整个体 系的谱线展宽起作用。 非均匀加宽：不同原子对谱线的不同频率 有贡献。 均匀加宽的主要机制有自然加宽、碰撞加 宽和晶格振动加宽。1.自然加宽1)经典理论：原子作为一偶极子，自发辐射导 致能量不断损耗，电偶极子阻尼简谐振动辐 射场对其进行富立叶变换，时域变到频域频率在 +d区间内的自发辐射功率为自发发射辐射总功率线型函数得到自然加宽谱线具有洛伦兹