第十章半导体的光学性质.ppt
第十章 半导体的光学性质,&10.1 半导体的光学常数 §10.2 半导体的光吸收 §10.3 半导体的光电导,&10.1 半导体的光学常数,一、折射率和吸收系数 复数折射率： 其中n是通常的折射率 k则是表征光能衰减的参量，称为消光系数,称为吸收系数，单位cm-1,&10.1 半导体的光学常数,&10.1 半导体的光学常数,光学常数n,k和电学常数的关系,根据,得,&10.1 半导体的光学常数,二、反射系数和透射系数,反射系数R,透射系数T,光透过厚度为d的样品时，透射系数和反射系数、吸收系数的关系,§10.2 半导体的光吸收,一、本征吸收 二、直接跃迁和间接跃迁 三、激子吸收 四、自由载流子的吸收 五、杂质吸收,§10.2 半导体的光吸收,当一定波长的光照射半导体时，若 则价带电子吸收光子跃迁到导带。这种电子由带与带之间的跃迁所形成的吸收过程，称为本征吸收。 本征吸收发生的条件：,一、本征吸收,即：光子的频率下限 当 才能发生本征吸收 光子的波长上限 当 才能发生本征吸收 例如：Si Eg=1.12eV 0=1.1m GaAs Eg=1.43eV 0=0.867m CdS Eg=2.42eV 0=0.513m,§10.2 半导体的光吸收,光谱与波长和禁带宽度之间的关系,§10.2 半导体的光吸收,二、直接跃迁和间接跃迁,1、直接跃迁 电子与光子的相互作用过程中，满足： 能量守恒： 动量守恒：,§10.2 半导体的光吸收,电子吸收光子产生跃迁时波矢保持不变电子跃迁的选择定则,本征吸收为一连续的吸收带,§10.2 半导体的光吸收,几种半导体材料的吸收系数与波长的关系,10.2 半导体的光吸收,2.间接跃迁,既有电子与光子的相互作用，同时还有电子和声子的相互作用，其发生的概率比直接跃迁发生的概率小 能量守恒： 动量守恒：,§10.2 半导体的光吸收,Ep代表声子能量， 代表声子的波矢，“+”表示吸收声子，“-”表示发射声子。 理论分析得到： 时，吸收声子和发射声子的跃迁均可发生,§10.2 半导体的光吸收,时， 只能发生吸收声子的过程 当 时，跃迁不能发生，=0,§10.2 半导体的光吸收,间接吸收：1103/cm, 直接吸收： ：104106/cm 研究半导体的本征光吸收，不仅可以获得Eg还有助于了解能带的复杂结构，也可以作为区分直接带隙和间接带隙半导体的重要依据。,§10.2 半导体的光吸收,三. 激子的吸收,激子：半导体中相互束缚而结合在一起的一对电子-空穴对，这一系统称为激子。激子在晶体中某一部位产生后，并不停留在该处，可以在整个晶体中运动。但由于它作为一个整体是电中性的，因此不形成电流。激子是一对束缚的电子-空穴对，类似于氢原子。,§10.2 半导体的光吸收,激子形成一系列的能级,§10.2 半导体的光吸收,电子和空穴的折合质量,激子吸收：光子能量hvEg时，价带电子受激发后虽然跃出了价带，但还不足以进入导带而形成自由电子，仍然受到空穴的库仑场作用，受激的电子-空穴形成束缚在一起的激子。 激子可以在半导体中运动，但不形成电流。激子在运动过程中可以通过两种途径消失，一种通过热激发成为自由的电子-空穴，另一种电子-空穴复合。,§10.2 半导体的光吸收,四.自由载流子的吸收,自由载流子在同一带内的跃迁所引起的，称为自由载流子的吸收。满足： 能量守恒： 动量守恒：,§10.2 半导体的光吸收,同时伴随有声子的吸收和发射过程。 在P区半导体中，价带有三个带，可观察到三条吸收谱线，吸收谱线的精细结构研究半导体有重要意义，是确定价带具有重叠结构的重要依据。,§10.2 半导体的光吸收,五.杂质吸收,束缚在杂质能级上的电子、空穴也能引起光的吸收。 束缚态的电子不具有准动量。,§10.2 半导体的光吸收,§10.3 半导体的光电导,半导体被光照射之后，产生非平衡过剩载流子，载流子浓度增加使半导体电导率增大。 由光照引起半导体电导率增加的现象称为光电导。,一.附加电导率,无光照（暗电导）： 光照后：产生非平衡载流子,§10.3 半导体的光电导,附加光电导,§10.3 半导体的光电导,光电导：,电导率的 改变量,§10.3 半导体的光电导,利用半导体材料的电阻率（电导率）随光照不同而改变的现象制成的电阻叫光敏电阻。 大，对光敏感，灵敏度高， no,po小，高阻材料制成，低温下使用。 实践证明，有一些半导体材料中，光生少数过剩载流子被陷阱俘获，只有过剩多子对附加光电导有贡献。,如：p型CdO2中本征光电导主要是空穴的贡 献，少子被陷阱俘获 n型CdS中本征光电导主要是电子的贡 献，少子处于被陷阱俘获 杂质吸收和杂质光电导是研究杂质能级 的一种重要方法。,§10.3 半导体的光电导,二、定态光电导及其驰豫过程,定态光电导：在恒定光照下产生的光电导。 分析与哪些因素有关 I光强：单位时间通过单位面积的光子数 吸收系数：,§10.3 半导体的光电导,吸收率：单位时间单位体积内吸收的光子I 量子产额：吸收一个光子能产生一对电子-空穴对的几率，1 电子-空穴对的产生率：Q=I 设某一时刻开始 t=0，光照半导体,§10.3 半导体的光电导,复合过程： 产生和复合过程达到稳定，Ud=G-R恒定 半导体中的n, p达到恒定值， ns, ps s定态光电导 电子、空穴寿命：n、p,§10.3 半导体的光电导,、表征光和物质的相互作用，决定着光生载流子的激发过程 、表征载流子与物质的相互作用，I外部条件,§10.3 半导体的光电导,驰豫过程：光照下光电导逐渐上升和光照停止后光电导逐渐下降的过程，称为光电导的驰豫过程。 小注入： 大注入：,§10.3 半导体的光电导,§10.3 半导体的光电导,§10.3 半导体的光电导,初始条件： t=0,n(0)=0 n(0)=A+In, A= - In 当tn 时，达到稳定， ns=In,§10.3 半导体的光电导,光照停止后：停止作为计时起点，t=0, n(0)=In,光电导上升过程,光电导下降过程,§10.3 半导体的光电导,大注入：,在强注入的情况下，光电导驰豫过程比较复杂。,寿命不再是定值，而是光照强度和时间的函数,三、光电导的灵敏度及光电导增益,灵敏度：单位光照度引起的光电导,§10.3 半导体的光电导,越长，可以得到较大的ns，灵敏度高 但长，光电导 驰豫过程长，上升缓慢， 短，反应快 对高频光信号， 要小才能跟得上变化,§10.3 半导体的光电导,四、复合和陷阱对光电导的影响,研究光电导光生载流子的复合过程陷阱、复合中心寿命 杂质能级具有积累非平衡载流子的作用 光注入的载流子不一定是小注入，可以是大注入（会发生陷阱作用）,§10.3 半导体的光电导,1。少数载流子的陷阱作用,N型半导体中，存在复合中心和空穴陷阱，则光生的大部分空穴被陷阱俘获，大大降低了电子-空穴复合率，陷阱中的空穴先被激发到价带，然后被复合中心俘获，再与光生电子复合。这样延长了过剩载流子的寿命，使光电导灵敏度增大 少数载流子陷阱有增加定态光电导灵敏度的作用。,2多数载流子陷阱作用,N型半导体中，存在复合中心，还存在浓度很大的电子陷阱，于是在光照下，光生的电子大部分被陷阱俘获，使被陷电子浓度大于非平衡电子浓度 陷阱填充将大大增长光电导上升的驰预时间 光照停止后，光电导衰减时间将大大增长 多数载流子陷阱增长了光电导上升和下降的驰豫过程。,5 本征光电导的光谱分析,
