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《半导体材料的红外光学特性及应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
1、第21卷第6期稀有金属1997年11月半导体材料的红外光学特性及应用苏小平余怀之褚乃林黄炫云(北京有色金属研究总院,北京100088)(中国兵器工业总公司)综述了半导体材料的红外光学性能及相关的力学、热学性能,讨论了影响红外透过率的主要因素,介绍了几种半导体材料在红外光学方面的应用。关键词:半导体材料红外光学特性应用1前言如下关系式:-αt半导体材料是电子工业最重要的基础It=I0e(1)材料之一。随着激光和红外技术的飞速发其中α为材料的吸收系数。垂直入射光在展,半导体材料在红外光学方面所呈现出入射表面上的反射率R可表示为:的良好特性日渐引起人们的重视。作为红R=(1-n)2(2)1+
2、n外光学材料,要求其具有:(1)宽的红外其中n为材料的折射率。当考虑出射面的透过波段;(2)对不同波长红外线有高的反射时,总的反射率γ可表示为:透过率;(3)对不同波长红外线有理想的2Rγ=(3)折射率和低色散;(4)材料具有良好的力1+R学、热学性能及对环境的适应性能;(5)透过率T为:易加工成各种形状和大的尺寸;(6)制造ItT=(4)成本低。I0考虑到材料的吸收和反射时,透过率目前,从元素半导体锗、硅到Ⅲ2Ⅴ族化合物半导体GaAs、GaP和Ⅱ2Ⅳ族化合T为:2-αt物半导体ZnS、ZnSe等在红外光学领域的T=(1-R)e(5)2-2αt1-Re应用越来越广泛。它们是前视红外系统
3、由(5)式可以求得材料的吸收系数α为:(FLIRs)、激光窗口及导弹导流罩等方面241(1-R)2(1-R)的重要红外光学材料。α=ln[+R+2]t2T4T本文从光学理论及有关的光学、力学(6)和热学性能比较分析了几种主要半导体材透过率T与波长的关系反映在折射率n料的红外光学特性及其不同的应用。和吸收系数α中。212红外吸收2红外透射理论21211本征吸收211红外透射根据半导体理论,当波长为λc的入射入射强度为I0的红外线照射到厚度光照射半导体表面时,光子激发产生电子为t的材料表面,透射红外线的强度It有———空穴对(即光子被吸收)的条件是:©1994-2010ChinaAcade
4、micJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net470稀有金属21卷hc电子有效质量,μn为电子迁移率,ε0为Eg≤(7)λc介电常数。可见自由载流子的吸收系数与其中Eg为半导体材料的禁带宽度,h为电子浓度成正比,而与材料的迁移率成反普朗光常数,Eg决定了材料的短波吸收比。对于空穴吸收有相同的表达式。但由限。333于mp和μp都比mn和μn小,因此,21212非本征吸收空穴的吸收系数就比较大,这也说明了对当光子穿过半导体材料时,禁带中杂红外光学锗材料来说一定要用n型。质能级束缚的电子、空穴
5、吸收光子跃迁到21214晶格振动吸收高能态,这就是杂质吸收。这种吸收具有光子直接作用于晶格原子产生振动吸选择性,不同杂质具有不同的红外吸收收,这决定了材料的红外透过波长限。峰。213散射21213自由载流子吸收材料内部的空洞、夹杂、多晶晶界、导带中的电子或价带中的空穴吸收光第二相等会引起折射率变化,因而光在通子能量,产生能级跃迁。这种吸收对任何过时会产生散射,造成透过率下降。波长的光子都有,因此它没有选择性,在红外光谱上没有吸收峰。[1]3几种半导体材料的红外物理根据半导体理论,自由载流子吸收系数α与电子浓度N有如下关系:特性λ23表1列举了几种半导体材料的红外光eNα=23·32(8
6、)学、力学及热学性能[2～6]。下文就有关特4πcnε0mnμn其中λ为入射波长,n为折射率,mn3为性加以讨论。表1几种半导体材料的光学力学热学性能光学特性力学特性热学特性材料波段dn/dTKnoop断裂韧性断裂模量杨氏模量密度膨胀系数热导率熔点n10.6μmα10μμm10-6℃-1kg/mm2MPam1/2MPaGPag/cm310-6K-1W/m·K℃Ge1.8～254.04002.0×10-28500.7901035.326.060937Si1.1～5.83.41503.5×10-111500.91201302.332.61401417GaAs0.9～183.21475×10
7、-37000.46085.55.325.73531238GaP0.55～142.91001.92×10-18450.81001034.145.3971467ZnS(m)0.4～122.246.32.54×10-11601.07087.64.096.8271830ZnS(s)0.6～122.2452.54×10-12501.010074.54.086.8171830ZnSe0.5～222.4755×10-41050.55070.95.277.01
