半导体物理 第10章 半导体的光学性质电子版本.ppt

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1、半导体物理 第10章 半导体的光学性质10.1 10.1 半导体的光吸收半导体的光吸收10.1.110.1.1吸收系数，反射系数和透射系数吸收系数，反射系数和透射系数n1 1 半导体的光吸收系数半导体的光吸收系数用透射法测定光在媒质（半导体）中的用透射法测定光在媒质（半导体）中的衰减时发现，光的衰减与光强成正比，衰减时发现，光的衰减与光强成正比，若引入正比例系数若引入正比例系数（光吸收系数）（光吸收系数）光强在半导体媒质中的衰减规律光强在半导体媒质中的衰减规律I I0 0表示在表面（表示在表面（x=0 x=0）处入射光的强度）处入射光的强度的物理意义的物理意义：光入射导半导体内被吸收，使光强减

2、小到原值的：光入射导半导体内被吸收，使光强减小到原值的1/e1/e时，时，光波在半导体中所传播的距离即是吸收系数的倒数。光波在半导体中所传播的距离即是吸收系数的倒数。2.2.本征吸收限本征吸收限3.3.吸收谱吸收谱n电子跃迁要求电子跃迁要求 能量守恒，准动量守恒。能量守恒，准动量守恒。能量守恒和动量守恒能量守恒和动量守恒上式近似写成上式近似写成4.4.直接跃迁（竖直跃迁）直接跃迁（竖直跃迁）概念：在本征吸收过程中，价带中的一个电子仅仅只概念：在本征吸收过程中，价带中的一个电子仅仅只吸收一个光子，而不涉及与晶格振动交换能量，便被激吸收一个光子，而不涉及与晶格振动交换能量，便被激发到导带中去的跃迁

3、过程。发到导带中去的跃迁过程。跃迁前后能量改变为跃迁前后能量改变为跃迁前后动量没有改变跃迁前后动量没有改变n直接带隙材料：导带极小直接带隙材料：导带极小值和价带极大值都处于同值和价带极大值都处于同一波失一波失k的半导体材料的半导体材料（GaAs,GaSb）n5.5.间接跃迁（非竖直跃迁）间接跃迁（非竖直跃迁）概念：在半导体本征吸收过程中电子激发，不但吸概念：在半导体本征吸收过程中电子激发，不但吸收光子的能量而且还与晶格热振动交换能量的跃迁收光子的能量而且还与晶格热振动交换能量的跃迁过程。过程。跃迁前后能量改变为跃迁前后能量改变为跃迁前后动量没改变跃迁前后动量没改变n间接带隙材料：导带间接带隙材

4、料：导带极小值和价带极大值极小值和价带极大值不在同一波失不在同一波失k的半导的半导体材料（体材料（Si,Ge）10.1.310.1.3 其它吸收过程其它吸收过程 比本征吸收限波长还长的光子也能被吸收：激子吸收、自由比本征吸收限波长还长的光子也能被吸收：激子吸收、自由载流子吸收和杂质吸收。载流子吸收和杂质吸收。1.1.激子吸收激子吸收某些半导体掺有某些杂质，其能带结构在禁带中存在一系列的某些半导体掺有某些杂质，其能带结构在禁带中存在一系列的类氢的受激状态，价带中的电子吸收光子的能量之后被激发到这类氢的受激状态，价带中的电子吸收光子的能量之后被激发到这些类氢的受激状态中去，形成所谓激子的光吸收过程

5、。些类氢的受激状态中去，形成所谓激子的光吸收过程。实验证明，在低温下某些晶体在本征连续吸收光谱出现之前，实验证明，在低温下某些晶体在本征连续吸收光谱出现之前，即即h0-=-=DDDDDD稳定值，稳定值，时时，则有，则有时时，设设变化过程变化过程光照后非平衡载流子的光照后非平衡载流子的t tnU=D，由连续性方程得由连续性方程得复合率为复合率为1000（1 1）小注入（直线性光电导）小注入（直线性光电导）()t tt ts ss st ttstsseentnnntndtnd-=-=DDDDDDDD所以所以，停止光照后停止光照后0（2 2）强注入（抛物线性光电导）强注入（抛物线性光电导）()=nU

6、2g gD形形，直接复合情直接复合情()()()()()+=-=-=tIItnnntndtndInnttIInntnIdtndss21212212121211000g gbabag gbabag gg gbabag gbabag gbabag gbabaDDDDDDDDDDD，时，时，tanhn（3 3）光电导灵敏度）光电导灵敏度 一般指单位光照度引起的光电导。在一定光照下，定态一般指单位光照度引起的光电导。在一定光照下，定态光电导光电导s s（对应（对应n ns s）越大，其灵敏度也越高。无论）越大，其灵敏度也越高。无论单分子复合过程或是双分子复合过程都可表示单分子复合过程或是双分子复合过程

7、都可表示即即光电导的弛豫时间越短，光电导的定态值也越小（即灵敏光电导的弛豫时间越短，光电导的定态值也越小（即灵敏度越低）度越低）10.2.3 10.2.3 复合中心和陷阱对光电复合中心和陷阱对光电导的影响导的影响n高阻光电材料中典型的高阻光电材料中典型的复合中心对光电导的影响。复合中心对光电导的影响。这样的材料对光电导起决定这样的材料对光电导起决定作用的是非平衡多数载流作用的是非平衡多数载流子，因为非平衡少数载流子子，因为非平衡少数载流子被陷在复合中心上，等待与被陷在复合中心上，等待与多数载流子的复合。多数载流子的复合。n复合中心和多数载复合中心和多数载流子陷阱作用。延流子陷阱作用。延长了光电

8、导的上升长了光电导的上升和下降的驰豫时间，和下降的驰豫时间，降低了定态光电导降低了定态光电导灵敏度。灵敏度。n少数载流子陷阱作少数载流子陷阱作用，增加了定态光用，增加了定态光电导的灵敏度。电导的灵敏度。10.3 10.3 半导体的光生伏特效应半导体的光生伏特效应 用适当波长的光照射非均匀半导体，例如用适当波长的光照射非均匀半导体，例如P-NP-N结和金属结和金属-半导体接触等，由于势垒区中内建电场半导体接触等，由于势垒区中内建电场（也称为自建电场）的作用，依据外回路电阻的（也称为自建电场）的作用，依据外回路电阻的大小，可以检测出光生电流，或者得到光生电压。大小，可以检测出光生电流，或者得到光生

9、电压。这种由内建电场引起的光电效应，称为这种由内建电场引起的光电效应，称为光生伏特光生伏特效应。效应。n1 1 光生伏特效应产生机理光生伏特效应产生机理当一定频率范围的光照射在当一定频率范围的光照射在P P型半导体型半导体阻挡层，阻挡层中的本征吸收产生光生非阻挡层，阻挡层中的本征吸收产生光生非平衡载流子，导带的光生非平衡电子在接平衡载流子，导带的光生非平衡电子在接触电场触电场E0E0作用下被拉向金属一边，而价带作用下被拉向金属一边，而价带光生非平衡空穴被光生非平衡空穴被E0E0拉向半导体一边，形拉向半导体一边，形成一股由金属流向半导体的光致电流。光成一股由金属流向半导体的光致电流。光致电流使半

10、导体一边带上正电荷而金属一致电流使半导体一边带上正电荷而金属一边带上负电荷，相当于在阻挡层两边加上边带上负电荷，相当于在阻挡层两边加上正向电压而使势垒降低，形成一股与光致正向电压而使势垒降低，形成一股与光致电流相反的漂移电流。当光致电流与漂移电流相反的漂移电流。当光致电流与漂移电流恰好抵消时，达到平衡状态。此时在电流恰好抵消时，达到平衡状态。此时在金属和半导体之间建立起一定的光生伏特金属和半导体之间建立起一定的光生伏特电势差。电势差。n2 2 光电池的电流光电池的电流-电压特性电压特性 金属和金属和p p型半导体接触阻挡层的光致电流为型半导体接触阻挡层的光致电流为式中：式中：A A为接触面积；

11、为接触面积；N0N0为在单位时间内单位接触面为在单位时间内单位接触面积从表面到扩散区内产生的电子积从表面到扩散区内产生的电子-空穴对数；空穴对数；为入为入射光平均深入的距离；射光平均深入的距离；d d为耗尽宽度为耗尽宽度nP-nP-n结光致电流表示结光致电流表示式中：式中：A A为为p-np-n结面积；结面积；为扩散长度为扩散长度(L(Ln n+L+Lp p)内内电子电子-空穴对的平均产生率；空穴对的平均产生率；L Ln n和和L Lp p分别为电子和分别为电子和空穴的扩散长度。空穴的扩散长度。n当特定频率的稳定光照射光电池时，假设光电当特定频率的稳定光照射光电池时，假设光电池两端的电压为池两

12、端的电压为V V，这个电压就相当于加在阻，这个电压就相当于加在阻挡层（或挡层（或p-np-n结）上的正向偏压，通过阻挡层结）上的正向偏压，通过阻挡层的正向电流的正向电流n式中：式中：V V为光电池的光生电压；为光电池的光生电压；IsIs为反向饱和为反向饱和电流。电流。n光电池与负载相连，负载上电流光电池与负载相连，负载上电流I I上式是光电池的伏安特性。另外可得上式是光电池的伏安特性。另外可得n光电池开路电压（光电池开路电压（I=0I=0）n光电池短路电流（光电池短路电流（V=0V=0）n例题例题 已知由金属和已知由金属和p p型半导体为理想接触阻挡型半导体为理想接触阻挡层而制成的一种光电池，

13、室温下无光照时反向层而制成的一种光电池，室温下无光照时反向饱和电流为饱和电流为10108 8mAmA，当光电池在特定光波照射，当光电池在特定光波照射下，开路电压为下，开路电压为0.52V0.52V，若已知接上负载时，若已知接上负载时，流过负载的电流为流过负载的电流为4.5mA4.5mA，求光电池输出负载，求光电池输出负载的功率。的功率。10.4 10.4 半导体发光及半导体激光半导体发光及半导体激光10.4.1 10.4.1 辐射跃迁与半导体发光辐射跃迁与半导体发光n电子的跃迁伴随着发射光子，电子的跃迁伴随着发射光子，称为称为辐射跃迁辐射跃迁n跃迁过程不发射光子，称为跃迁过程不发射光子，称为无

14、辐射跃迁无辐射跃迁n半导体中电子产生有辐射跃半导体中电子产生有辐射跃迁未必就能向外发射光子，迁未必就能向外发射光子，只有在辐射跃迁占优势，发只有在辐射跃迁占优势，发射的光子数大于被吸收及其射的光子数大于被吸收及其它损耗的光子数时，半导体它损耗的光子数时，半导体才能向外发射光子才能向外发射光子辐射跃迁可分为两种情形辐射跃迁可分为两种情形n导带电子跃迁到价带与空穴复合伴随着发射光导带电子跃迁到价带与空穴复合伴随着发射光子，这种情形称为本征跃迁子，这种情形称为本征跃迁n非能带之间的电子跃迁，归为非本征跃迁。非能带之间的电子跃迁，归为非本征跃迁。n电子跃迁发射光子的能量近似为电子跃迁前后电子跃迁发射光

15、子的能量近似为电子跃迁前后所具有的能量之差。所具有的能量之差。n半导体发光机理：光致发光，电致发光半导体发光机理：光致发光，电致发光和阴极射线发光和阴极射线发光n电致发光：电致发光：p-np-n结发光，异质结发光，雪结发光，异质结发光，雪崩击穿发光和隧道效应发光。崩击穿发光和隧道效应发光。n实际应用最普遍最广泛的就是半导体实际应用最普遍最广泛的就是半导体p-np-n结正向注入的电致发光结正向注入的电致发光热平衡：热平衡：n n型半导体一边形成电子势垒，型半导体一边形成电子势垒，p p型半导体一边形成空穴势垒型半导体一边形成空穴势垒p-np-n结加正压：结加正压：外加电势与内建电势方向相反，接触

16、势垒下降，导带电子和价外加电势与内建电势方向相反，接触势垒下降，导带电子和价带空穴复合形成带空穴复合形成p-np-n结正向电流，同时以发射光子形式释放多余能量。结正向电流，同时以发射光子形式释放多余能量。10.4.2 10.4.2 受激辐射跃迁与半导体激光受激辐射跃迁与半导体激光激光激光辐射受激发射光量子放大辐射受激发射光量子放大n亮度极高（光能量高度集中）亮度极高（光能量高度集中）n方向性好，几乎是一束平行光方向性好，几乎是一束平行光n单色性好，几乎是同一波频的光单色性好，几乎是同一波频的光n受光的激发作用，使原子从受光的激发作用，使原子从E E1 1基态激发到基态激发到E E2 2的激发态

17、中去，处于激发的激发态中去，处于激发态的原子始终要跃迁回到基态。那么，原子跃迁回基态的过程可以由态的原子始终要跃迁回到基态。那么，原子跃迁回基态的过程可以由两种不同的情况。两种不同的情况。原子在跃迁过程中不受外界原子在跃迁过程中不受外界因素的作用，自动地从激发因素的作用，自动地从激发态跃迁回基态，从而放出电态跃迁回基态，从而放出电子，称之为子，称之为自发辐射跃迁自发辐射跃迁 在外来光子在外来光子hvhv的诱发下，原子的诱发下，原子才从激发态跃迁回基态，同时才从激发态跃迁回基态，同时放出光子，称之为放出光子，称之为受激辐射跃受激辐射跃迁迁 n自发辐射跃迁中各原子的跃迁都是随机的，所产生的自发辐射

18、跃迁中各原子的跃迁都是随机的，所产生的光子虽然可以有相同的能量光子虽然可以有相同的能量hvhv，因而可以有相同的频，因而可以有相同的频率，但这种光辐射的相位和传播方向等都不一样率，但这种光辐射的相位和传播方向等都不一样 n受激辐射跃迁的诱发光子频率恰好与原子从受激态跃受激辐射跃迁的诱发光子频率恰好与原子从受激态跃迁回基态时所放出的光子频率相同，那么受激发射的迁回基态时所放出的光子频率相同，那么受激发射的光子不但是频率，而且连同光波的相位、偏振方向、光子不但是频率，而且连同光波的相位、偏振方向、传播方向等性质都和诱发光子的性质完全一样。很明传播方向等性质都和诱发光子的性质完全一样。很明显这种受激

19、辐射跃迁使光子数增加，或者说获得了光显这种受激辐射跃迁使光子数增加，或者说获得了光子数的放大作用子数的放大作用 n产生激光必须使原子的受激辐射跃迁占主导地位。产生激光必须使原子的受激辐射跃迁占主导地位。n通常情况下，由于基态的原子数总是大于受激状态的原子数，通常情况下，由于基态的原子数总是大于受激状态的原子数，受激辐射跃迁不可能占主要的地位受激辐射跃迁不可能占主要的地位n在足够的外来能量激发下，有可能使处于受激状态的原子数多在足够的外来能量激发下，有可能使处于受激状态的原子数多于基态的原子数，称这种状态下的物质系统处于粒子数反转的于基态的原子数，称这种状态下的物质系统处于粒子数反转的状态（或称

20、为状态（或称为分布反转分布反转）n如果有频率为如果有频率为的一束光通过粒子数反转状态下的物质系统，的一束光通过粒子数反转状态下的物质系统，而且光子的频率恰好等于原子从受激状态跃迁回基态所放出的而且光子的频率恰好等于原子从受激状态跃迁回基态所放出的光子的频率，这时受激辐射跃迁就可以占主导地位，使系统输光子的频率，这时受激辐射跃迁就可以占主导地位，使系统输出能量为的光子数大于入射光子数，这种现象称为出能量为的光子数大于入射光子数，这种现象称为光量子放大光量子放大 n要使工作物质系统处于粒子数反转的状态需要一要使工作物质系统处于粒子数反转的状态需要一定的外部作用条件。将刚好能使工作物质处于粒定的外部

21、作用条件。将刚好能使工作物质处于粒子数反转状态的条件，称为激光作用条件子数反转状态的条件，称为激光作用条件 外界因素作用下，半导体处于非平衡外界因素作用下，半导体处于非平衡状态，大量的电子从能量较低的价带状态，大量的电子从能量较低的价带被激发到能量较高的导带中去，使在被激发到能量较高的导带中去，使在相应区域中描述导带电子系统分布的相应区域中描述导带电子系统分布的准费米能级进入到导带中，而描述价准费米能级进入到导带中，而描述价带空穴系统分布的准费米能级进入到带空穴系统分布的准费米能级进入到价带中。这样在价带与导带中，导带价带中。这样在价带与导带中，导带底以上某一区域的电子浓度必多于价底以上某一区域的电子浓度必多于价带顶以下相应区域的电子浓度。这时带顶以下相应区域的电子浓度。这时在半导体导带和价带的相应区域里出在半导体导带和价带的相应区域里出现了粒子数反转的状态。现了粒子数反转的状态。n如果诱发光子能量如果诱发光子能量h h满足一下关系满足一下关系 就会引起导带电子价带的受激辐射跃迁并有可就会引起导带电子价带的受激辐射跃迁并有可能占主导地位，使放出的光子数多于注入的光子能占主导地位，使放出的光子数多于注入的光子数，得到光量子的放大作用。这就是产生半导体数，得到光量子的放大作用。这就是产生半导体激光的前提条件。激光的前提条件。结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！43