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本征吸收与非本征吸收. 本征吸收 如果入射光子能量足够大，使价带中的电子能激发到导带，这一过程称为本征吸收。本征吸收的结果是在半导体内产生等量的电子与 ...
李然，
天体物理博士，引力透镜专家 收起
第一代恒星又被称作星族III恒星。这些恒星和现在最大的区别就是不含有重元素成分。按照宇宙元素合成理论，宇宙早期核合成只形成氢，氦，和极为少量的锂。宇宙中的重子成分，氢占3/4，氦占1/4（所以不会形成什么氢占9成9的恒星好吧）。今天所有的重元素都是恒星核聚变演化的产物。
但是即使这样，仅看质量，重元素在今天的恒星里还是可以忽略不计。但是这一点点重元素影响很大。因为这些重元素可以产生能级复杂的发射线，从而非常有效的冷却原恒星生成之前的气体云。我们知道恒星是气体云塌缩形成的。有一个规律是气体云越冷，形成的恒星质量就越小（涉及到金斯不稳定性）。所以今天形成的恒星，相比第一代恒星，质量要小的多。
那么第一代恒星可以有多大呢，一般的估计是可以达到上百甚至几百太阳质量。这些恒星会很快燃烧，快速死亡。所以今天我们到现在为止还没有确定观测到一个第一代恒星。但是理论认为有一些高红移的伽马射线暴很可能是第一代恒星死亡时产生。
当光子穿过半导体材料时 , 禁带中杂
质能级束缚的电子、空穴吸收光子跃迁到
高能态 , 这就是杂质吸收。这种吸收具有
选择性 , 不同杂质具有不同的红外吸收
峰。
当光子穿过半导体材料时 , 禁带中杂
质能级束缚的电子、空穴吸收光子跃迁到
高能态 , 这就是杂质吸收。这种吸收具有
选择性 , 不同杂质具有不同的红外吸收
峰。
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半导体材料的红外光学特性及应用
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
半导体材料是电子工业最重要的基础
材料之一。随着激光和红外技术的飞速发
展 , 半导体材料在红外光学方面所呈现出
的良好特性日渐引起人们的重视。作为红
外光学材料 , 要求其具有 : (1) 宽的红外
透过波段 ; (2) 对不同波长红外线有高的
透过率 ; (3) 对不同波长红外线有理想的
折射率和低色散 ; (4) 材料具有良好的力
学、热学性能及对环境的适应性能 ; (5)
易加工成各种形状和大的尺寸 ; (6) 制造
成本低。
目前 , 从元素半导体锗、硅到 Ⅲ2 Ⅴ族
化合物半导体 GaAs、GaP 和 Ⅱ2 Ⅳ族化合
物半导体 ZnS、ZnSe 等在红外光学领域的
应用越来越广泛。它们是前视红外系统
( FL IRs) 、激光窗口及导弹导流罩等方面
的重要红外光学材料。
本文从光学理论及有关的光学、力学
和热学性能比较分析了几种主要半导体材
料的红外光学特性及其不同的应用。
2 红外透射理论
211 红外透射
入射强度为 I0 的红外线照射到厚度
为 t 的材料表面 , 透射红外线的强度 It 有
如下关系式 :
It = I0 e
- αt
(1)
其中α为材料的吸收系数。垂直入射光在
入射表面上的反射率 R 可表示为 :
R = (1 -
n
1 + n
) 2
(2)
其中 n 为材料的折射率。当考虑出射面的
反射时 , 总的反射率γ可表示为 :
γ=
2 R
1 + R
(3)
透过率 T 为 :
T =
It
I0
(4)
考虑到材料的吸收和反射时 , 透过率
T 为 :
T =
(1 - R)
2
e
- αt
1 - R
2
e
- 2αt
(5)
由(5) 式可以求得材料的吸收系数α为 :
α=
1
t
ln[
(1 - R)2
2 T
+
R
2 +
(1 - R)4
4 T
2
]
(6)
透过率 T 与波长的关系反映在折射率 n
和吸收系数α中。
212 红外吸收
21211 本征吸收
根据半导体理论 , 当波长为λc 的入射
光照射半导体表面时 , 光子激发产生电子
———空穴对 (即光子被吸收) 的条件是 :
第 21 卷 第 6 期 稀 有 金 属 1997 年 11 月
© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
Eg ≤
hc
λc
(7)
其中 Eg 为半导体材料的禁带宽度 , h 为
普朗光常数 , Eg 决定了材料的短波吸收
限。
21212 非本征吸收
当光子穿过半导体材料时 , 禁带中杂
质能级束缚的电子、空穴吸收光子跃迁到
高能态 , 这就是杂质吸收。这种吸收具有
选择性 , 不同杂质具有不同的红外吸收
峰。
21213 自由载流子吸收
导带中的电子或价带中的空穴吸收光
子能量 , 产生能级跃迁。这种吸收对任何
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。
根据半导体理论[1] , 自由载流子吸收
系数α与电子浓度 N 有如下关系 :
α=
λ2
e
3
4π2
c
3
nε0
・
N
mn 3
2μn
(8)
其中λ为入射波长 , n 为折射率 , mn 3 为
电子有效质量 , μn 为电子迁移率 , ε0 为
介电常数。可见自由载流子的吸收系数与
电子浓度成正比 , 而与材料的迁移率成反
比。对于空穴吸收有相同的表达式。但由
于 mp 3 和 μp 都比 mn 3 和 μn 3 小 , 因此 ,
空穴的吸收系数就比较大 , 这也说明了对
红外光学锗材料来说一定要用 n 型。
21214 晶格振动吸收
光子直接作用于晶格原子产生振动吸
收 , 这决定了材料的红外透过波长限。
213 散射
材料内部的空洞、夹杂、多晶晶界、
第二相等会引起折射率变化 , 因而光在通
过时会产生散射 , 造成透过率下降。
3 几种半导体材料的红外物理
特性
表 1 列举了几种半导体材料的红外光
学、力学及热学性能[2～6 ] 。下文就有关特
性加以讨论。
表 1 几种半导体材料的光学力学热学性能
材料
光学特性
力学特性
热学特性
波段
μm
n10. 6μm
d n/ d T
10 - 6 ℃- 1
α10μ
Knoop
kg/ mm2
断裂韧性
MPam1/ 2
断裂模量
MPa
杨氏模量
GPa
密度
g/ cm3
膨胀系数
10 - 6 K- 1
热导率
W/ m・K
熔点
℃
Ge
1. 8～25 4. 0
400
2. 0 ×10 - 2
850
0. 7
90
103
5. 32
6. 0
60
937
Si
1. 1～5. 8 3. 4
150
3. 5 ×10 - 1
1150
0. 9
120
130
2. 33
2. 6
140
1417
GaAs 0. 9～18 3. 2
147
5 ×10 - 3
700
0. 4
60
85. 5
5. 32
5. 73
53
1238
GaP 0. 55～14 2. 9
100
1. 92 ×10 - 1
845
0. 8
100
103
4. 14
5. 3
97
1467
ZnS(m) 0. 4～12 2. 2
46. 3
2. 54 ×10 - 1
160
1. 0
70
87. 6
4. 09
6. 8
27
1830
ZnS(s) 0. 6～12 2. 2
45
2. 54 ×10 - 1
250
1. 0
100
74. 5
4. 08
6. 8
17
1830
ZnSe
0. 5～22 2. 4
75
5 ×10 - 4
105
0. 5
50
70. 9
5. 27
7. 0
19
1520
金刚石 0. 25～3 , 2. 38
10
-
9000
7
294. 0
1050
3. 52
1. 0
2000
3770
5～ > 100
311 透射波段
在整个红外波段中 , 由于大气的吸收 ,
有三个大气“窗口”, 即 1～3μm, 3～5μm
和 8～12μm。这三个波段对红外线有极
高的透过率 (图 1 (a) ) [5] 。能透过这几个
波段红外线的材料才具有实际应用价值。
尤其在 8 ～ 1 2μm波段 , 人体及其他地
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稀 有 金 属 21 卷
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图 1 大气红外吸收谱 (a) 和几种半导体材料的红外透射谱 (b)
面室温物体的红外辐射均在这一波段内
(10μm 左右) , 因此 8～12μm 波段的红
外材料具有更重要价值。
(7) 式给出了 Eg 与λc 的关系。现将
几种半导体材料的短波吸收限列于表 2
中。
长波透射限取决于材料的晶格振动
吸收 , 与材料的平均原子量 、化学键
及晶格常数等特性有关。在晶格相同的
情况下 , 平均原子量愈大 , 长波限愈长。
图 1 (b) 是几种半导体材料的红外透射
谱[2] 。
312 吸收系数
红外透过率与反射、吸收和散射有直
接关系。根据前文讨论 ,半导体材料对某
表 2 某些半导体材料的短波吸收限
参数
材 料
Ge
Si
GaAs
GaP
ZnS
ZnSe
CdTe
CdS
金刚石
Eg/ eV[7]
0. 67
1. 11
1. 43
2. 26
3. 6
2. 7
1. 44
2. 4
5
λc/μm
1. 85
1. 12
0. 87
0. 55
0. 34
0. 46
0. 86
0. 52
0. 25
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6 期 苏小平等 半导体材料的红外光学特性及应用
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一波长红外线的透过率由式 (5) 决定。吸
收系数越小 , 透过率越高。对半导体材料
来说 , 电阻率、温度等都是影响吸收系数
的重要因素。以锗为例 , 图 2 给出了电阻
率和温度与锗吸收系数的关系[8] 。
图 2 电阻率与型号对吸收系数的影响曲线 (a)
和温度对 n 型锗在 1016μm 波长吸收系数
的影响 (b)
313 折射率及其不均匀性
折射率所决定的反射特性决定了材料
的基本透过率。不考虑吸收和色散 , 则有
T =1- R
(9)
表 3 给出玻璃、锗和 ZnS 的基本透过
率。可以看出 , n 越大 , T 越小。
材料对不同波长的红外线有不同的折
射率(通常称之为色散) 。一般要求在某一
波段内材料折射率随波长的变化越小越
好。图 3 是几种半导体材料的折射率与波
长的关系图。
表 3 几种材料的折射率与透过率关系
材料
折射率 n
反射率 R (双反射) 透过率 T
玻璃
1. 5
0. 077
0. 923
ZnS
2. 2
0. 247
0. 753
Ge
4. 0
0. 529
0. 471
图 3 折射率随波长的变化
折射率随温度的变化 (即折射率温度
系数 d n/ d T) 也是红外光学材料的一个
重要参数。由表 1 列出的几种半导体材料
的折射率温度系数可以看出 , ZnSe 的 d n/
d T 最小 , 说明其折射率随温度变化小 ,
因此 , 其透过率也就随温度变化小。
314 温度对材料红外透过率的影响
由于材料的吸收系数和折射率都随温
度的变化而不同 , 因此其红外透过率必然
受温度的影响。图 4 是锗和 ZnS 在不同温
度下的透过率图。由图可以看出 , 温度升
高 , 材料的红外透射性能下降[10 ,11 ] 。
315 力学、热学及其他性能
对红外光学材料而言 , 除了要具有优
良的光学性能外 , 还应具备良好的力学、
热学性能。
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稀 有 金 属 21 卷
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图 4 锗的透过率随温度变化 (a)
和 ZnS 透过率随温度的变化 (b)
硬度、断裂模量等都是描述材料力学
性能的参数。在半导体材料中 , 硅和 GaP
力学性能较好 , GaAs、锗次之 , ZnS 和
ZnSe 等 Ⅱ2 Ⅵ族半导体材料较差。
热膨胀系数、热导率等是描述材料热
学性能的重要参数。热导率越高 , 热膨胀
系数越低 , 材料在高温下的热传导快 , 变
形小 , 说明材料的性能好。
在半导体材料中 , 硅的热学性能好 ,
GaP、Ge、GaAs 居中 , ZnS 较差。
316 关于金刚石
金刚石也是一种半导体。就红外光学
应用来看 , 金刚石是目前已知的红外光学
窗口和头罩材料中综合性能最为优越的半
导体材料。它除了在 3～5μm 有较大吸收
外 , 它透过整个可见光和红外波段 , 而且
力学、热学性能最好。但目前人们还没有
制造出可实际应用的人造金刚石晶体 , 仅
限于在其他红外光学材料上镀类金刚石膜
(DLC) 。
4 半导体材料的红外光学应用
411 在红外热像仪中的应用
在红外热像仪等 FL IR 系统中 , 作为
窗口和透镜、棱镜及滤光片 , 锗的应用最
广泛。在前述几种半导体材料中 , 锗是不
可取代的材料。它的折射率最高而易加工
成透镜 , 在 8～14μm 波段具有良好的透
过率 (镀膜后可达 95 %以上) , 耐腐蚀 ,
不易潮解 , 机械性能好。目前 , 锗的单晶
或多晶的制造和加工工艺相当成熟。但锗
在温度升高时 , 其红外透过率大幅下降 ,
最高使用温度为 100 ℃, 这对它的应用来
说是不利的。
硅因其在 8～12μm 波段有较高的红
外吸收 , 仅适用于 3～5μm 波段 , 但其他
红外材料又优于它而使其在红外光学上的
应用很有限。
GaAs 虽然在光学和力学热学性能上
优于锗 , 但其制造工艺复杂 , 不易制成大
尺寸及环境污染、价格高等因素使其应用
受到限制 , 远不如锗那样广泛。
412 在激光窗口中的应用
作为 CO2 激光窗口材料 , 几种半导体
材料各有所长。低功率激光窗口锗仍居优
势地位。由于功率小 , 对热学性能要求不
高 , 锗仍可胜任。对于大功率 (千瓦级以
上) 激光器窗口 , GaAs 和 ZnSe 最合适。
它们的吸收系数小 , 在红外波段透过率随
温度变化很小 , 可以承受激光作用于窗口
而产生的热效应。但 ZnSe 比 GaAs 更有优
势 , 因为它的吸收系数几乎比 GaAs 低一
个数量级。ZnS 因其吸收系数远比 ZnSe
大而不能用于大功率激光窗口。
413 在高速飞行器中的应用
用于高速飞行器的窗口和导流罩 ,
CVD、ZnS 和 CVD ZnSe 是理想的红外光
学材料。这种窗口和头罩要求材料具有宽
的透射波段、低吸收和高速飞行时能抵抗
温度急速升高的热冲击。图 5 是飞行速度
马赫数与温度及系统灵敏度的关系图[ 12 ] 。
可以看出 , 在高速飞行时 , 温度升高 ,
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6 期 苏小平等 半导体材料的红外光学特性及应用
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CVD ZnSe 和 GaAs (高阻) 材料系统灵敏
性比 ZnS、Ge 都好 , CVD ZnSe 几乎不随
温度变化而变化。但 CVD ZnSe、CVD
ZnS 都有更宽的透射波段 , 都可以透过可
见光和红外线 , 而 GaAs 和锗都不透可见
光 , 因而 CVD ZnSe、CVD ZnS 成为理想
的窗口和头罩材料。尽管 CVD ZnS 受温
度影响比 CVD ZnSe 大 , 但它的硬度和抗
雨水侵蚀的能力均比 ZnSe 要好 , 而且在
115 马赫的速度下仍可使用。
图 5 马赫2温度2系统灵敏性关系
对这方面的红外窗口和头罩材料 , 因
其直接暴露于大气 , 因此对材料的抗雨
水、冰雹及灰尘的侵蚀性能有更高的要
求。一般要采取镀膜等措施加以保护。
5 结 论
11 半导体材料在红外光学领域的应
用非常广泛
的重要光学材料。
, 已经成为 3～5μm 和 8～12
μm 波段红外透镜、棱镜、窗口及头罩用
21 半导体材料具有良好的红外光学特性 ,
但就其实际应用来说 , 良好的力学、热学
性能及抗雨水、冰雹及灰尘侵蚀性能也是
同样重要的参数。
31 不同半导体材料 , 有各自不同的
红外物理特性 , 由此也决定了各自不同的
应用范围。锗和硅作为红外光学透镜是合
适的材料 ; ZnSe 和 GaAs 是大功率激光窗
口的理想材料 ; ZnS 和 ZnSe 都是宽波段
多光谱材料 , ZnS 更适合于作窗口和头
罩 ; GaP 目前是一种发展中的红外光学材
料 , 已用于镀膜 ; 金刚石是最理想的窗口
和头罩材料 , 目前还未实际应用。
6 参考文献
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物理 1 高等教育出版社 , 1982 , 12 : 2641
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3 Paul Klocek et al. SPIE, 1988 , 929: 65.
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社 , 19911 951
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1955 : 55.
11 Colin M F. SPIE, 1988 , 929: 79.
12 Claude A. SPIE , 1979 , 204 : 85.
(1997 年 1 月 27 日收稿)
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