固体的光学性质和光材料.pptx
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1、1固体对光的吸收与光电转换材料11固体光吸收的本质导带价带能隙(禁带)基础吸收基础吸收或固有吸收固有吸收 固体中电子的能带结构,绝缘体和半导体的能带结构如图1.1所示,其中价带相当于阴离子的价电子层,完全被电子填满。导带和价带之间存在一定宽度的能隙(禁带),在能隙中不能存在电子的能级。这样,在固体受到光辐射时,如果辐射光子的能量不足以使电子由价带跃迁至导带,那么晶体就不会激发,也不会发生对光的吸收。例如,离子晶体的能隙宽度一般为几个电子伏,相当于紫外光的能量。因此,纯净的理想离子晶体对可见光以至红外区的光辐射,都不会发生光吸收,都是透明的。碱金属卤化物晶体对电磁波透明的波长可以由25m到250
2、nm,相当于0.055ev的能量。当有足够强的辐射(如紫光)照射离子晶体时,价带中的电子就有可能被激发跨过能隙,进入导带,这样就发生了光吸收。这种与电这种与电子由价带到导带的跃迁相关的光吸收,称作基础吸收或子由价带到导带的跃迁相关的光吸收,称作基础吸收或固有吸收。固有吸收。例如,CaF2的基础吸收带在200nm(约6ev)附近,NaCl的基础吸收约为8ev,Al2O3的基础吸收约在9ev。导带价带能隙(禁带)激子能级激子吸收除除了了基基础础吸吸收收以以外外,还还有有一一类类吸吸收收,其其能能量量低低于于能能隙隙宽宽度度,它它对对应应于于电电子子由由价价带带向向稍稍低低于于导导带带底底处处的的的
3、的能能级级的的跃跃迁迁有有关关。这这些些能能级级可可以以看看作作是是一一些些电电子子-空空穴穴(或或叫叫做做激激子子,excition)的激发能级。的激发能级。缺陷存在时晶体的光吸收晶晶晶晶体体体体的的的的缺缺缺缺陷陷陷陷有有有有本本本本征征征征的的的的,如如如如填填填填隙隙隙隙原原原原子子子子和和和和空空空空位位位位,也也也也有有有有非非非非本本本本征征征征的的的的,如如如如替替替替代代代代杂杂杂杂质质质质等等等等。这这这这些些些些缺缺缺缺陷陷陷陷的的的的能能能能级级级级定定定定于于于于在在在在价价价价带带带带和和和和导导导导带带带带之之之之间间间间的的的的能能能能隙隙隙隙之之之之中中中中。
4、当当当当材材材材料料料料受受受受到到到到光光光光照照照照时时时时,受受受受主主主主缺缺缺缺陷陷陷陷能能能能级级级级接接接接受受受受价价价价带带带带迁迁迁迁移移移移来来来来的的的的电电电电子子子子,而而而而施施施施主主主主能能能能级级级级上上上上的的的的电电电电子子子子可可可可以以以以向向向向导导导导带带带带迁迁迁迁移移移移,这这这这样样样样就就就就使使使使原原原原本本本本不不不不能能能能发发发发生生生生基基基基础础础础吸吸吸吸收收收收的的的的物物物物质质质质由由由由于缺陷存在而发生光吸收。于缺陷存在而发生光吸收。于缺陷存在而发生光吸收。于缺陷存在而发生光吸收。CV过过程程 在在高高温温下下发发
5、生生的的电电子由价带向导带的跃迁。子由价带向导带的跃迁。EV过过程程 这这是是激激子子衰衰变变过过程程。这这种种过过程程只只发发生生在在高高纯纯半半导导体体和和低低温温下下,这这时时KT不不大大于于激激子子的的结结合合能能。可可能能存存在在两两种种明明确确的的衰衰变变过过程程:自自由由激激子子的的衰衰变变和和束束缚缚在在杂杂质质上上的的激激子的衰变。子的衰变。DV过过程程 这这一一过过程程中中,松松弛弛的的束束缚缚在在中中性性杂杂质质上上的的电电子子和和一一个个价价带带中中的的空空穴穴复复合合,相相应应跃跃迁迁能能量量是是EgED。例例如如对对GaAs来来说说,低低温温下下的的Eg为为 1.1
6、592ev,许许 多多 杂杂 质质 的的 ED为为 0.006ev,所所 以以 DV跃跃 迁迁 应应 发发 生生 在在1.5132ev处处。因因此此,发发光光光光谱谱中中在在1.5132ev处处出出现现的的谱谱线线应应归归属属于于这这种种跃跃迁迁。具具有有较较大大的的理理化化能能的的施施主主杂杂质质所所发发生生的的DV跃跃迁迁应应当当低低于于能能隙隙很很多多,这就是深施主杂质跃迁这就是深施主杂质跃迁DDV过程过程。CA过过程程 本本征征半半导导体体导导带带中中的的一一个个电电子子落落在在受受主主杂杂质质原原子子上上,并并使使受受主主杂杂质质原原子子电电离离化化,这这个个过过程程的的能能量量为为
7、EgEA。例例如如对对GaAs来来说说,许许多多受受主主杂杂质质的的EA为为0.03ev,所所以以CA过过程程应应发发生生在在1.49ev处处。实实际际上上,在在GaAs的的发发光光光光谱谱中中,已已观观察察到到1.49ev处处的的弱弱发发光光谱谱线线,它它应应当当归归属属于于自自由由电电子子-中中性性受受主主杂杂质质跃跃迁迁。导导带带电电子子向向深深受受主主杂杂质质上上的的跃迁,其能量小于能隙很多,这就是深受主杂质跃迁跃迁,其能量小于能隙很多,这就是深受主杂质跃迁CDA过程过程。DA过过程程如如果果同同一一半半导导体体材材料料中中,施施主主和和受受主主杂杂质质同同时时存存在在,那那么么可可能
8、能发发生生中中性性施施主主杂杂质质给给出出一一个个电电子子跃跃迁迁到到受受主主杂杂质质上上的的过过程程,这这就就是是DA过过程程.。发发生生跃跃迁迁后后,施施主主和和受受主主杂杂质质都都电电离离了了,它它们们之之间间的的结合能为:结合能为:Eb=-e2/4Kr 该过程的能量为:该过程的能量为:EgEDEAEb。1.2 无机离子固体的光吸收无机离子固体的光吸收无无机机离离子子固固体体的的禁禁带带宽宽度度较较大大,一一般般为为几几个个电电子子伏伏特特,相相当当于于紫紫外外光光区区的的能能量量。因因此此,当当可可见见光光以以至至红红外外光光辐辐照照晶晶体体时时,如如此此的的能能量量不不足足以以使使其
9、其电电子子越越过过能能隙隙,由由价价带带跃跃迁迁至至导导带带。所所以以,晶晶体体不不会会被被激激发发,也也不不会会发发生生光光的的吸吸收收,晶晶体体都都是是透透明明的的。而而当当紫紫外外光光辐辐照照晶晶体体时时,就就会会发发生生光光的的吸收,晶体变得不透明。禁带宽度吸收,晶体变得不透明。禁带宽度Eg和吸收波长和吸收波长的关系为的关系为Eg =h=hc/1.2=hc/Eg 1.3式中式中h为普朗克常数为普朗克常数6.6310-34 Js,c为光速。为光速。然然而而,在在无无机机离离子子晶晶体体中中引引入入杂杂质质离离子子后后,杂杂质质缺缺陷陷能能级级和和价价带带能能级级之之间间会会发发生生电电子
10、子-空空穴穴复复合合过过程程,其其相相应应的的能能量量就就会会小小于于间间带带宽宽度度Eg,往往落在可见光区,结果发生固体的光吸收。往往落在可见光区,结果发生固体的光吸收。例例如如,Al2O3晶晶体体中中Al3+和和O2-离离子子以以静静电电引引力力作作用用,按按照照六六方方密密堆堆方方式式结结合合在在一一起起,Al3+和和O2-离离子子的的基基态态能能级级为为填填满满电电子子的的的的封封闭闭电电子子壳壳层层,其能隙为其能隙为9ev,它不可能吸收可见光,所以是透明的,它不可能吸收可见光,所以是透明的。如如果果在在其其中中掺掺入入0.1%的的Cr3+时时,晶晶体体呈呈粉粉红红色色,掺掺入入1%的
11、的Cr3+时时,晶晶体体呈呈深深红红色色,此此即即红红宝宝石石,可可以以吸吸收收可可见见光光,并并发发出出荧荧光光。这这是是由由于于掺掺入入的的Cr3+离离子子具具有有填填满满电电子子的的壳壳层层,在在Al2O3晶晶体体中中造造成成了了一一部部分分较较低低的的激激发发态态能能级级,可可以以吸吸收收可可见见光光。实实际际上上,该该材材料料就就是是典典型型的的激激光材料。光材料。图4离子晶体的各种吸收光谱示意1.3半导体的光吸收和光导电现象1.本征半导体的光吸收本征半导体的电子能带结构与绝缘体类似,全部电子充填在价带,且为全满,而导带中没有电子,只是价带和导带之间的能隙较小,约为1ev。在极低温度
12、下,电子全部处在价带中,不会沿任何方向运动,是绝缘体,其光学性质也和前述的绝缘体一样。当温度升高,一些电子可能获得充分的能量而跨过能隙,跃迁到原本空的导带中。这时价带中出现空能级,导带中出现电子,如果外加电场就会产生导电现象。因此,室温下半导体材料的禁带宽度决定材料的性质。本征半导体的光吸收和发光,一般说来都源于电子跨越能隙的跃迁,即直接接接接跃跃跃跃迁迁迁迁。价价价价带带带带中中中中的的的的电电电电子子子子吸吸吸吸收收收收一一一一定定定定波波波波长长长长的的的的可可可可见见见见光光光光或或或或近近近近红红红红外外外外光光光光可可可可以以以以相相相相互互互互脱脱脱脱离离离离而而而而自自自自行行
13、行行漂漂漂漂移移移移,并并并并参参参参与与与与导导导导电电电电,即即即即产产产产生生生生所所所所谓谓谓谓光光光光导导导导电电电电现现现现象象象象。当当当当导导导导带带带带中中中中的的的的一一一一个个个个电电电电子子子子与与与与价价价价带带带带中中中中的的的的一一一一个个个个空空空空穴穴穴穴复复复复合合合合时时时时,就就就就会会会会发发发发射射射射出出出出可可可可见见见见光光光光的的的的光光光光子子子子,这这这这就就就就是是是是所所所所谓谓谓谓光光光光致发光现象致发光现象致发光现象致发光现象。2.非本征半导体的光吸收掺掺掺掺入入入入半半半半导导导导体体体体的的的的杂杂杂杂质质质质有有有有三三三三
14、类类类类:施施施施主主主主杂杂杂杂质质质质、受受受受主主主主杂杂杂杂质质质质和和和和等等等等电电电电子子子子杂杂杂杂质质质质。这这这这些些些些杂杂杂杂质质质质的的的的能能能能级级级级定定定定域域域域在在在在能能能能隙隙隙隙中中中中,就就就就构构构构成成成成了了了了图图图图1.31.3所所所所示示示示的的的的各各各各种种种种光光光光吸吸吸吸收收收收跃跃跃跃迁迁迁迁方方方方式式式式。等等等等电电电电子子子子杂杂杂杂质质质质的的的的存存存存在在在在可可可可能能能能成成成成为为为为电电电电子子子子和和和和空空空空穴穴穴穴复复复复合合合合的的的的中中中中心心心心,会会会会对对对对材材材材料料料料的的的的
15、发发发发光光光光产产产产生生生生影影影影响响响响,单单单单独独独独的的的的施施施施主主主主和和和和受受受受主主主主杂杂杂杂质质质质不不不不会会会会影影影影响响响响到到到到材材材材料料料料的的的的光光光光学学学学性性性性质质质质。这这这这是是是是因因因因为为为为只只只只有有有有当当当当激激激激发发发发态态态态电电电电子子子子越越越越过过过过能能能能隙隙隙隙与与与与空空空空穴穴穴穴复复复复合合合合时时时时,才才才才会会会会发发发发生生生生半半半半导导导导体体体体的的的的发发发发光光光光。譬譬譬譬如如如如,n n型型型型半半半半导导导导体体体体可可可可以以以以向向向向导导导导带带带带提提提提供供供供
16、足足足足够够够够的的的的电电电电子子子子,但但但但在在在在价价价价带带带带中中中中没没没没有有有有空空空空穴穴穴穴,因因因因此此此此不不不不会会会会发发发发光光光光。同同同同样样样样,p p型型型型半半半半导导导导体体体体价价价价带带带带中中中中有有有有空空空空穴穴穴穴,但但但但其其其其导导导导带带带带中中中中却却却却没没没没有有有有电电电电子子子子,因因因因此此此此也也也也不不不不会会会会发发发发光光光光。如如如如果果果果将将将将n n型型型型半半半半导导导导体体体体和和和和p p型型型型半半半半导导导导体体体体结结结结合合合合在在在在一一一一起起起起形形形形成成成成一一一一个个个个p-p-
17、n n结结结结,那那那那么么么么可可可可以以以以在在在在p-np-n结结结结处处处处促促促促使使使使激激激激发发发发态态态态电电电电子子子子(来来来来自自自自n n型型型型半半半半导导导导体体体体导导导导带带带带)和和和和空空空空穴穴穴穴(来来来来自自自自p p型型型型半半半半导导导导体体体体价价价价带带带带)复复复复合合合合。我我我我们们们们在在在在p-np-n结结结结处处处处施施施施加加加加一一一一个个个个正正正正偏偏偏偏向向向向压压压压,可可可可以以以以将将将将n n区区区区的的的的导导导导带带带带电电电电子子子子注注注注入入入入到到到到p p区区区区的的的的价价价价带带带带中中中中,在
18、在在在那那那那里里里里与与与与空空空空穴穴穴穴复复复复合合合合,从从从从而而而而产产产产生生生生光子辐射。光子辐射。光子辐射。光子辐射。P-N结处存在电势差Uo。也阻止N区带负电的电子进一步向P区扩散。它阻止P区带正电的空穴进一步向N区扩散;电势曲线电子能级U0考虑到P-结的存在,半导体中电子的能量应考虑进这内建场带来的电子附加势能。电子的能带出现弯曲现象。电子电势能曲线P-N结空带空带P-N结施主能级受主能级满带满带-结的单向导电性.正向偏压在-结的p型区接电源正极,叫正向偏压。p型型n型型I阻挡层势垒被削弱、变窄,有利于空穴向N区运动,电子向P区运动,形成正向电流(m级)。外加正向电压越大
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