第6章 电子材料的光学

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1、1第第6章电子材料的光学性质章电子材料的光学性质 6.1 材料的光学性能 光具有波粒二象性，光子能量 E = hv = hc/ 当电子吸收光子时，每次总是吸收一个光(量)子，而不能只吸收光(量)子的一部分。2 一、光的吸收与透射 当光束照射到某种材料上时，将产生反射、折射、吸收、透射。如图 对于金属，价带与导带重叠 ，Eg = 0，不管入射光子的能量 h多小，电子都可以吸收它而跃迁到一个新的能态上，所以金属可以吸收各种波长的光，因而金属是不透明的金属是不透明的。3前面讲过 1、导体的费密能级位于导带与价带（是一个部分充满的能带 Eg = 0）分界处。 2、半导体的 Eg 较小， Eg 2.5

2、eV 。费密能级位于禁带的中央。 3、绝缘体的 Eg 较大， Eg 2.5 eV 。费密能级位于禁带的中央 。4绝缘体、半导体、金属能带5 对于绝缘体绝缘体，其能隙 Eg 是很大的，电子不能获得足够的能量逃逸出价带而跃迁到导带， 因此不容易发生吸收。例如玻璃，高纯度的结晶陶瓷，无定形聚合物等都是透明的。 对于本征半导体本征半导体，其能隙 Eg 小于绝缘体，若入射光能量大于 Eg ，则价带中的电子就被激发到导带中去，这称为本征吸收本征吸收 。 所以本征半导体对短波的光(如可见光)是吸收的 ， 而对长波的红外线光则是透明的。 对于掺杂半导体掺杂半导体，只要光子能量大于施主和受主的杂质能级，就会产生

3、光吸收，因而是不透明的。6 二、材料的发光性能 根据能量守恒，固体材料在平衡态（基态）下不会发光，只有以各种形式的能量使电子（或空穴）处于激发态时，才有可能发光。 对于金属，价带与导带重叠，Eg = 0，光吸收后发射光子的发射光子的能量能量很小很小。如图7 对于陶瓷和半导体材料，设能隙为 Eg 。当外界激发使电子由价带跃迁到导带，电子在导带因能量高是不稳定的，只能停留 10-8s 左右，返回价带发出光子 = hc / Eg外界激发源去除，发光现象随之消失，这种发光称为荧光荧光。如图 8 若材料中含有杂质或缺陷杂质或缺陷，如ZnS中含有少量的铜、银、金，或ZnO中含有极微量的锌，这些微量杂质在禁

4、带中引入了施主能级，如图。9 被激发到导带中的电子在返回价带之前先落入施主能级并被俘虏停留一段时间，电子在逃脱这个陷阱之后，才能返回价带中。相应地放出光子波长为=hc/（Eg-Ed）这种发光称为磷光磷光。10 激发源去除后，发光时间短于 10-8s 称为荧光（禁带中无中间能级可停留）； 激发源去除后，发光时间长于 10-8s 称为磷光（在禁带中有中间能级可停留） 。 11 例：ZnS的能隙为3.54eV，要激发ZnS的电子需要光子的波长是多少？若在ZnS中掺入杂质，使之在导带下的1.38ev处产生一能量陷阱（杂质能级）。试问发光的波长是多少？解：（1）激发电子进入导带的最大波长属于紫外350.

5、6nmm103.506m)106 . 1 ()54. 3()103)(1062. 6(7-19834gEhc12（2）在电子返回价带之前首先落入了陷阱，发射光子的波长属于红外线nm5 .889m)106 . 1)(38. 1 ()103)(1062. 6(19834dEhc13（3）当电子逃脱陷阱再返回价带，发射光子的波长属于黄光nm7 .574m)106 . 1)(38. 154. 3()103)(1062. 6(19834dgEEhc146.2 固体发光的机制固体发光的机制 当物体受到诸如光的照射、外电场或电子束轰击等激发后，物体只要不因此而发生化学变化，它总要回复到原来的平衡状态。在这个

6、过程中一部分多余的能量通过光和热的形式释放出来。 如果这部分能量是以可见光或近可可见光或近可见光的电磁波形式发射出来见光的电磁波形式发射出来，就称这种现象为发光发光。 15 概括地说，发光就是物质在热辐射之外以光的形式发射出多余的能量。 这种能量的发射过程具有一定的持续时间。 16 我们知道，当激发停止时，任何形式的发光都存在着衰减过程，表现为余余辉现象辉现象。 而衰减过程的时间有的很短，可短于10-8s，有的很长，可达到数分钟甚至数小时。 发光有着持续时间的事实，说明物质在受激和发光的过程之间存在着一系列的中间过程。 17材料发光的全过程可以分成以下几个步骤。 激发激发物质中可激活系统吸收能

7、量后而跃迁到较高的能态； 发射发射激活系统恢复到较低能态（一般是基态）而发射光子； 在上述两个过程之间还存在一系列的中中间过程间过程，这些中间过程集中表现在发光的衰减特性上。 下面利用能带模型讨论与发光有关的电子跃迁过程。 18 一、导带到价带的跃迁 若导带中的电子向价带跃迁，与价带中的空穴直接复合，并发射光子。 hv = Eg 电子与空穴的复合主要发生在能带的边缘，由于载流子的热分布载流子的热分布使得发光发光光谱有一定宽度光谱有一定宽度。 按能带结构，半导体可分为直接能直接能隙半导体隙半导体和间接能隙半导体间接能隙半导体 19 直接能隙半导体允许电子由导带到价带直接跃迁，其动量不变。如图a

8、,(GaN、InN、InP、GaAs、InAs、GaSb、InSb锑化铟和所有的-族化合物半导体)。 间接能隙半导体电子由导带到价带跃迁时，为了满足动量守恒，在发射光子时，同时发射或吸收一个声声子子。如图b.(Si、Ge和-族化合物中的BP、AlP、GaP、BAs、AlAs、AlSb等)（图中Ep 为声子的能量） 20 h v = E2- E1 直接跃迁hv=E2-E1-EP 间接跃迁Ep 为声子的能量 21 二、激子的复合 在半导体晶体中，除了固定在晶格原子上的电子（满带价带电子）和能自由地在晶格间运动的自由电子（导带电子）外，还存在一种处于高能激发态的电子，仍然受空穴的库仑场的作用. 这种

9、受激电子和空穴相互束缚而结合成新的系统称为激子激子。激子的能量略低于导带底。Ex为激子的束缚能 22激子复合时，即一对束缚着的电子和空穴相遇复合时，发射光子的能量hv=Eg-Ex 直接能隙半导 体（左图）hv=Eg-Ex-Ep 间接能隙半导体（右图）Ex为激子的束缚能 ， Ep 为声子的能量23 三、能带和杂质能级之间的跃迁 当微量杂质掺入晶体后，在禁带中产生杂质能级受主A的发光中心能级或施主D的陷阱能级。 晶体吸收光子后，导带中产生自由电子，价带中产生自由空穴（过程1）； 通过热平衡过程，导带中的电子很快降到导带底，价带中的空穴很快升到价带顶； 24 导带中的电子可以被陷阱D俘虏（过程2）.

10、 价带中的空穴也可以被发光中心A俘虏（过程4）； 25 落入陷阱D的电子，由于热运动可以从陷阱D再跃迁到导带（过程3）。受主A上的空穴也可以再跃迁到价带中去（过程5）； 26 导带中的电子与发光中心能级A的空穴复合而发光（过程6），陷阱D中的电子向价带跃迁，与价带中空穴复合而发光（过程7）。hv = Eg - EA或hv = Eg EDEA为受主束缚能，ED为施主束缚能27 四、施主D到受主A的跃迁 俘获在施主能级D的电子和受主能级A的空穴可以复合而发光（过程8. ）。在同一晶体内的施主和受主，由于正、负电荷的静电引力使它们趋于有序分布，形成近邻的施主和受主对施主和受主对，当电子由施主到受主跃

11、迁时，发射光子的能量为 hv=Eg-ED-EA+e2/4r0r式中 r为施主、受主的间距。是与晶格常数有关的不连续不连续量量，r为基质晶体的相对电容率。 所以发射的光子发射的光子 hv 也也应该是应该是不连续的，不连续的，这是这是 施施主主-受主对受主对 发光的一个特点发光的一个特点。 28 五、在等电子中心的跃迁 当基质晶体中的一个原子被具有相同电子价的另一个原子替代时（同族替代）。例如 N 原子替代GaP中的 P 原子时就形成了等电子中心等电子中心。 等电子中心能够俘获一个电子成为带负电的离子，从而在短程内它能够吸引一个空穴，构成一个束缚激子束缚激子。当这种束缚激子复合时，同时可以发射光子