6半导体的光吸收
论述半导体光吸收机制及各自特点
半导体光吸收机制是半导体物理学中一个重要的研究领域，它涉及到光子和半导体中的电子相互作用。
在光的照射下，半导体中的电子会吸收能量，从而改变其状态，并将部分能量以光的形式辐射出去。
下面将详细介绍几种常见的半导体光吸收机制及其特点。
1. 直接带隙半导体：这类半导体具有很高的吸收系数，即单位时间内单位面积吸收的光子数量。
直接带隙半导体吸收的光子能量等于直接带隙的能量差。
当光子能量大于直接带隙能量时，电子会从价带跃迁到导带，形成电子-空穴对。
这种机制的优点是效率高，但缺点是需要高能光子才能产生吸收，限制了其在短波长光的吸收。
2. 间接带隙半导体：这类半导体的吸收机制与直接带隙不同，它需要两个光子才能完成吸收过程。
第一个光子将价带电子激发到导带，产生带内激子。
第二个光子作用于激子，将其分裂成自由电子和空穴对。
这种机制的优点是可以在较宽的光谱范围内吸收光，缺点是吸收系数较低。
3. 表面等离子体吸收：表面等离子体吸收机制是一种新型的半导体光吸收机制，它利用金属和半导体之间的界面产生等离子体共振，从而实现高效的光吸收。
这种机制的优点是吸收效率高，可以覆盖较宽的光谱范围，缺点是需要特殊的材料和结构。
4. 激子吸收：在某些半导体材料中，激子是一种重要的光吸收机制。
激子是由电子和空穴组成的复合物，它可以吸收光子并转化为自由电子和空穴对。
这种机制的优点是可以在较长波长范围内吸收光，缺点是吸收系数较低。
这些机制各有特点，适用于不同的应用场景。
例如，直接带隙半导体适用于短波长光的吸收，而表面等离子体吸收适用于宽光谱范围的高效光吸收。
在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的吸收机制。
此外，随着技术的发展，新型的光吸收机制也在不断涌现，为半导体光吸收领域带来了新的机遇和挑战。
半导体敏感元件(光敏)-PPT精品文档
有光照时PN结能带图
2.光电效应
外光电效应
沈 阳 工 业 大 学
在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。
1 2 hv mv 0 A 0 2
真空光电管的伏安特性
光电管
光电倍增管
3.光电管
（1）光照特性
光电管的基本特性
沈 阳 工 业 大 学
通常指当光电管的阳极和阴极之 间所加电压一定时，光通量与光电流 之间的关系。
有光照时
( n n ) q ( p p ) q
0 n 0 p 0
pn
本征光电导
h Eg
0
hc 1240 (nm ) E E g g
光敏电阻器及其测量电路
杂质吸收系数小于本征吸收系数，杂质中激发的光生载流子浓度较小
4.光电导效应器件-光敏电阻器
（4）响应时间和频率特性
E 基本特性
沈 阳 工 业 大 学
光电导的弛豫现象： 光电流的变化对于光的变化，在
时间上有一个滞后。通常用响应时间
t表示。 当光突然照到光电二极管上时，输
出信号从峰值的10%上升到90%的时间，
表示响应速度
tr 2 .2 C jR L
频率特性差是光敏电阻的一个缺点。
4.光电导效应器件-光敏电阻器
沈 阳 工 业 大 学
农作物日照时数测定。输出接 单片机的I/O口，每2分钟对此口查 询1次，为高电平，计数一次，为 低电平，不计数。1天查询720次。 无光照V0=VL，有光照V0=VH。光照
Rw
A
RC
V0
RG
时间 H。
N H 24 (h ) 720
4.光电导效应器件-光敏电阻器
半导体的光学常数和光吸收-PPT
R)2 ed
• 二、半导体得光吸收
光在导电介质中传播时具有衰减现象,即产生 光得吸收,半导体材料通常能强烈得吸收光能,具有 105cm-1得吸收系数。对于半导体材料,自由电子 与束缚电子得吸收都很重要。
价带电子吸收足够得能量从价带跃迁入导带, 就是半导体研究中最重要得吸收过程。与原子吸 收得分立谱线不同,半导体材料得能带就是连续分 布得,光吸收表现为连续得吸收带。
⑶反射系数R:反射系数R就是界面反射能流密度
与入射能流密度之比,若以 与0 分别代表入
射波与反射波电矢量振幅,则有:
R
2 0
/
2
⑷透射系数T:透射系数T为透射能流密度与入射
能流密度之比,由于能量守恒,在界面上可以得到:
T=1-R
当光透过厚度为d,吸收系数为得介质时有:
T
透射光强度 入射光强度
(1
得相互作用,因此理论上这就是一种二级过程。其
发生概率要比直接跃迁小很多。因此,间接跃迁得
光吸收系数比直接跃迁得光吸收系数小很多。前
者一般为1~1×103cm-1数量级,而后者一般为
1×104~1×106cm-1。
(4)激子(exciton)吸收
在低温时发现,某些晶体在本征连续吸收光谱出现以前, 即hν＜Eg时,就会出现一系列吸收线,但产生这些吸收线得 过程并不产生光电导,说明这种吸收不产生自由电子或空 穴。
h＞Eg
(h ) A(h Eg )1/ 2
h Eg
(h ) 0
(3)间接跃迁与间接带隙半导体:诸
如硅与锗得一些半导体材料,导带底 与价带顶并不像直接带隙半导体那 样具有相同得波矢k。这类半导体称 为间接带隙半导体,对这类半导体,任 何直接跃迁所吸收得光子能量都应 该比其禁带宽度Eg大得多。因此,若 只有直接跃迁,这类半导体应不存在 与禁带宽度相当得光子吸收。这与 实际情况不符。
6半导体的光吸收
超晶格的光吸收
超晶格
人工、不同材料周期结构 厚度：电子平均自由程、无耦合 常用材料体系：GaAs/Ga1-xAlxAs
能带
二维结构，生长方向量子限域， 出现量子阱
量子阱
量子力学处理
EZ
n , n 1, 2 , 3, * 2me d
2
2
2
态密度与光吸收
•
施主－受主对吸收
E q
2
0 r r
， hv E g E D E A
q
2
0 r r
• 半导体中同时存在施主与 受主时存在补偿效应，即 部分受主与施主被占据。 • 由于存在施主－受主对的 库仑作用，光子能量低于 带隙也可以发生吸收。 • D-A吸收距离吸收边很近， 一般难以通过的光吸收实 验观察 • 表面态包含施主和受主， 能量间隔比能隙稍小。一 般认为氧化的表面是强p型。 通过多次反射，容易观测 到施主－受主对的吸收。
e
2
2m
*
3 2
h m n c 0
2
f ij
0,
hv E g
本征吸收：禁戒的直接跃迁
hv B hv E g
1 2
2 10
2
4
hv E g
1 2
cm
1
对 于 k 0 时 Pk 0 , 但 是 Pk 即 : ' hv A
E
f
hv Ei , Ei k 2
2
k
2 *
,E
2mh
f
E
g
k
半导体物理第十章半导体的光学性质
吸收 自发吸收
受激辐射：
当处于激发态(E2)的原子收到另一个能量为(E2-E1)的光子 作用时，受激原子立刻跃迁到基态E1,并发射一个能量也 为(E2-E1)的光子。这种在光辐射的刺激下，受激原子从激 发态向基态跃迁的辐射过程，成为受激辐射。 受激辐射光子的全部特性（频率，位相，方向和偏振态等 与入射光子完全相同。 受激辐射过程中，一个入射光子能产生两个相位，同频率 的光子
透过一定厚度d的媒质(两个界面）：
T = (1− R)2 e−αd
如：玻璃，消光系数k=0 T=(1-R)2=0.962~92%
10.2 半导体的光吸收
本征吸收 直接跃迁，间接跃迁 其他吸收过程
10.2.1 本征吸收
本征吸收： 电子吸收光子由价带激发到导带的过程
条件：
hω ≥ hω0 = Eg
反射系数
R = ( n1 − n2 )2 n1 + n2
= ( n −1− ik )2 n +1− ik
=
(n −1)2 + k 2 (n +1)2 + k 2
玻璃折射率为 n~1.5，k~0, 反射率R~4% 如某一材料 n~4, k~0, 反射率为 R~36%
透射系数，透过某一界面的光的能流密度比值： T=1-R
把处于激发态E2的原子数大于处于基态E1的原子数的这种 反常情况，成为“分布反转”或“粒子数反转”。
要产生激光，必须在系统中造成粒子数反转。
粒子数反转条件
为了提高注入效率 异质结发光： PN结两边禁带宽度不等，势垒不对称。 空穴能注入N区，而电子不能注入P区。 P区为注入区，N区为发光区。
光吸收光子能量
半导体物理 Semiconductor Physics
❖ 能带与杂质能级之间的跃迁
波长
半导体物理 Semiconductor Physics
❖ 受主到施主的跃迁
当晶体中同时存在施主和受主时，材料会部分补偿 、全部补偿、或者是过分补偿，依赖于施主与受主与 受主的比例。
受主态至少是被部分占据，施主态至少是部分空着 ，这就有可能去吸收一个光子，促使电子从一个受主 态达到施主态。
由受主到施主跃迁产生的吸收谱结构与等电子陷阱 不同。最低能量在吸收谱中连续谱那部分，而谱中的 分离结构，应该对应于较高的能量，它们靠近基本吸 收边。因其距基本吸收边很近，在光吸收实验中很难 找到它。
由于声子光谱很宽，因而不出现离散的激子吸 收谱线，而形成许多很宽的台阶。
半导体物理 Semiconductor Physics
❖ 自由载流子吸收 当入射光子的频率不够高，不足以引起电子从
带到带的跃迁或形成激子时，仍然存在吸收，而 且其强度随波长增大而增加。这是自由载流子在 同一带内跃迁所引起的，称为自由载流子吸收。
对于 hv Eg Ep 的情况，光吸收系数为
(hv) A(hv Eg Ep )2
exp( Ep ) 1 kT
只能吸收声子
对于 hv Eg Ep 的情况，光吸收系数为
(hv) A(hv Eg Ep )2 A(hv Eg Ep )2
exp( Ep ) 1
1 exp( Ep )
1 mr*
1 me*
第五章半导体中的光辐射和光吸收
第五章半导体中的光辐射和光吸收1. 名词解释：带间复合、杂质能级复合、激子复合、等电子陷阱复合、表面复合。
带间复合：在直接带隙的半导体材料中，位于导带底的一个电子向下跃迁，同位于价带顶的一个空穴复合，产生一个光子，其能量大小正好等于半导体材料E。
的禁带宽度g浅杂质能级复合：杂质能级有深有浅，那些位置距离导带底或价带顶很近的浅杂质能级，能与价带之间和导带之间的载流子复合为边缘发射，其光子能量总E小。
比禁带宽度g激子复合：在某些情况下，晶体中的电子和空穴可以稳定地结合在一起，形成一个中性的“准粒子”，作为一个整体存在，即“激子”。
在一定条件下，这些激子中的电子和空穴复合发光，而且效率可以相当高，其复合产生的光子能量小E。
于禁带宽度g等电子陷阱复合：由于等电子杂质的电负性和原子半径与基质原子不同，产生了一个势场，产生由核心力引起的短程作用势，从而形成载流子的束缚态，即陷阱能级，可以俘获电子或空穴，形成等电子陷阱上的束缚激子。
由于它们是局域化的，根据测不准关系，它们在动量空间的波函数相当弥散，电子和空穴的波函数有大量交叠，因而能实现准直接跃迁，从而使辐射复合几率显著提高。
表面复合：晶体表面的晶格中断，产生悬链，能够产生高浓度的深的或浅的能级，它们可以充当复合中心。
通过表面的跃迁连续进行表面复合，不会产生光子，因而是非辐射复合。
2. . 什么叫俄歇复合，俄歇复合速率与哪些因素有关？为什么长波长的InGaAsP 等材料的俄歇复合比短波长材料严重？为什么俄歇复合影响器件的J th 、温度稳定性和可靠性？ 解析：● 俄歇效应是一个有三粒子参与、涉及四个能级的非辐射复合的效应。
在半导体中，电子与空穴复合时，把能量或者动量通过碰撞转移给第三个粒子跃迁到更高能态，并与晶格反复碰撞后失去能量。
这种复合过程叫俄歇复合.整个过程中能量守恒，动量也守恒。
●半导体材料中带间俄歇复合有很多种，我们主要考虑CCHC 过程（两个导带电子与一个重空穴）和CHHS 过程（一个导带电子和两个重空穴）。
半导体的光电效应
半导体的光电效应发布日期:2008-04-25 我也要投稿!作者:网络阅读: 787[ 字体选择：大中小]一、半导体的能带结构按照量子力学理论,由于物质内原子间靠得很近,彼此的能级会互相影响,而使原子能级展宽成一个个能带。
又由于电子是费米子,遵从泡利不相容原理。
电子以能量大小为序,从基态开始,每个量子态上一个电子向上填充,直填到费米能εF为止。
再上面的能级都是空的。
被电子填满的能带叫满带。
满带中的电子如同很多人挤在一个狭小的空间,谁也动不了。
所以,虽然有许多电子,但是不能形成定向移动,因而满带中的电子不是载流子,是不能导电的。
全部空着的能带称为空带。
能带间的间隔叫带隙(用Eg表示)或禁带,禁带不允许有电子存在。
图1所示的是导体、绝缘体、半导体的能带结构示意图。
如图1(a)所示,导体的费米能级εF在一个能带的中央,该能带被部分填充。
由于能带的亚结构之间的能量相差很小,因此这时只需很少的能量(如一外加电场),就能把电子激发到空的能级上,形成定向移动的电流。
这正是具有这种能带结构的物质被称为导体的原因。
如果某一能带刚好被填满,它与上面的空带间隔着一个禁带,此时大于带隙间隔的能量才能把电子激发到空带上去。
一般带隙较大(大于10eV数量级)的物质,被称为绝缘体,如图1(b)所示;而带隙较小(小于1eV数量级)的物质,被称为半导体,如图1(c)所示。
半导体的费米能级位于满带与空带之间的禁带内,此时紧邻着禁带的满带称为价带,而上面的空带称为导带。
如果由于某种原因将价带顶部的一些电子激发到导带底部,在价带顶部就相应地留下一些空穴,从而使导带和价带都变得可以导电了。
所以半导体的载流子有电子和空穴两种。
可见,半导体介于导体与绝缘体之间的特殊的导电性是由它的能带结构决定的。
二、半导体的内光电效应当光照射到半导体表面时,由于半导体中的电子吸收了光子的能量,使电子从半导体表面逸出至周围空间的现象叫外光电效应。
利用这种现象可以制成阴极射线管、光电倍增管和摄像管的光阴极等。
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hv E g
4
hv E g
3 2
1 .3 1 0
hv E g
3 2
cm
1
原子物理
L 1
本征吸收：间接跃迁
这种跃迁过程有声子的参与；满足能量守恒与动量守恒。
吸收与发射声子时动量与能量守恒: k ' k q ; v e E f E i E q ; v a E
E
f
hv Ei , Ei k 2
2
k
2 *
,E
2mh
f
E
g
k
2 *
,
2me
即 : hv E g
1 1 * * me mh
吸收系数
h v 与 跃 迁 几 率 Pk 、 状 态 密 度 有 关 ： hv
2
N
hv
f
Ei Eq
吸 收 系 数 与 起 始 状 态 E i密 度 、 终 态 E f 密 度 、 声 子 数 目 N q 有 关
h
A N q Pij n i n f 4 2 m *
3 3 2 3 2 1
N Ei N E
Ei
2
；N E
f
4 2 m *
1 3
3 2
E
f
Eg
1 2
f
4 2 m *
3
hv E
g
Eq Ei 2 1 Eq exp 1 kT
1 2 1
根 据 B o s e E in s te in 统 计 理 论 ： N q
频 率 为 的 平 均 声 子 数 :
e
2
2m
*
3 2
h m n c 0
2
f ij
0,
hv E g
本征吸收：禁戒的直接跃迁
hv B hv E g
1 2
2 10
2
4
hv E g
1 2
cm
1
对 于 k 0 时 Pk 0 , 但 是 Pk 即 : ' hv A
自由载流子吸收
Nq
2 2 1 .5 2 3
8 m * c n B
2 .5
A
C
3 .5
• 自由载流子是在一个能 带内自由运动。自由载 流子吸收的特征是单调 以波长的幂指数增加。 • 对金属，电子的吸收与 波长的平方成正比。 • 自由载流子的吸收同样 应满足动量守恒，这通 过散射（晶格振动、杂 质）实现。散射几率与 波长有关。 • 对半导体而言，声学声 子散射使得吸收与波长 的λ1.5成正比，与光学声 子的散射为λ2.5，杂质散 射为λ3或者λ3.5 。
n
n0
ne
n kT
n0
e
n kT
1 e
kT
hv AN q
hv E g Eq 0
hv E
g
Eq Ei
Ei
2
dEi
1
本征吸收：间接跃迁
当 h v E g E q时 即 吸 收 声 子 : a h v A hv E g Eq Eq exp 1 kT A hv E g Eq
施 主 -受 主 ： E q
2
（声子）
• 自由载流子
0 r r
* 4 2
， EDA E g ED E A
*
q
2
0 r r
激 子 ： E ex
m e
2 2
8 0 r h
1 m EH 1 1 2 ， m* * * 2 r m n me mh
•
施主－受主对吸收
E q
2
0 r r
， hv E g E D E A
q
2
0 r r
• 半导体中同时存在施主与 受主时存在补偿效应，即 部分受主与施主被占据。 • 由于存在施主－受主对的 库仑作用，光子能量低于 带隙也可以发生吸收。 • D-A吸收距离吸收边很近， 一般难以通过的光吸收实 验观察 • 表面态包含施主和受主， 能量间隔比能隙稍小。一 般认为氧化的表面是强p型。 通过多次反射，容易观测 到施主－受主对的吸收。
hv AN hv E g n
2
本征吸收：间接跃迁
随着光子能量的提高，锗由间接 跃迁转变为直接跃迁
激子吸收
• 激子的表现形式 接带隙半导体的吸收边具 有窄峰；随温度升高展宽 间接带隙半导体的吸收边 存在台阶，即存在声子的 参与，对应于声子能量处 出现台阶。 • 直接带隙半导体激子在 hv=Eg-Ee处产生；而在间 接带隙半导体中，伴随声 子产生（动量守恒），即 在hv=Eg-Ee±Eq处产生， 负号表示吸收声子，正号 表示发射声子。 • 存在电场时的激子 激子的束缚能量小，利用 小电场（5-30V/cm）很容 易消除激子。
晶体的光吸收：半导体
半导体中电子的能态 光学吸收 辐射复合过程 PN结中的光学过程
晶体中的电子能态
• 能带带隙 • 缺陷能级 掺杂、空位缺陷 • 施主－受主对 • 激子能级
能 带 ： E C V E g , 1 .2 4 Eg
m
• 晶格振动
杂 质 ： E D， E A , F
超晶格的光吸收
超晶格
人工、不同材料周期结构 厚度：电子平均自由程、无耦合 常用材料体系：GaAs/Ga1-xAlxAs
能带
二维结构，生长方向量子限域， 出现量子阱
量子阱
量子力学处理
EZ
n , n 1, 2 , 3, * 2me d
2
2
2
态密度与光吸收
原子能级与晶体能带
Ek V k 2m
2 2
h h h k 1 b1 2 b 2 3 b 3 N1 N2 N3
晶体的光吸收
基本规律：动量守恒，能量守恒； 光子动量可忽略：光波矢约104cm-1，电子的波矢（布里渊区）约108cm-1。
吸 收 系 数 h ： 跃 迁 几 率 Pij , 初 态 电 子 密 度 n i , 末 态 中 空 的 态 密 度 n f
h
A Pij n i n f
设想的半导体光吸收
本征吸收
最主要的吸收过程； 带间吸收：直接跃迁 和间接跃迁吸收。
激子吸收 自由载流子吸收 杂质吸收 晶格吸收
本征吸收：直接跃迁
直 接 吸 收 , 如 图 所 示 : h A Pi j n i n f 动 量 守 恒 ： k ' k 光 子 动 量 ， k ' k
E k E X EY E Z 2 2 2 kx ky n * * * 2me 2me 2me d
2
2
2
2
晶格振动吸收
• 半导体一般有三个光学波 （2TO＋1LO）横,三个声学波 （ 2TA＋1LA ） • 声子吸收有多种模式，既可 以吸收多个声子，也可以发 射多个声子。 • 声子的发射与吸收服从选择 定则，即某些声子的组合是 禁止的。 • 对于离子晶体或者离子性的 化合物半导体，存在偶极子， 易发生晶格吸收。无离子性 结合的半导体如硅等也可以 发生晶格吸收，这是感应偶 极子的作用（即二次效应）
A Pk N
hv d hv
2
4
3
4 k d k
2 3
N
hv d
hv
2m *2
3
hv E g
1 2
d
hv
对 于 k 0 时 Pk 0 B hv E g
hv
1 2
, hv E g , B
杂质吸收
• • • 杂质可以在带隙形成能级。 低温下杂质不能电离。由 于杂质的电离能小，所以 需要低温才能观察到。 电子激发可以从杂质能级 跃迁至导带，也可以由价 带跃迁至杂质能级。 电子由杂质能级跃迁至导 带，光子的能量至少要大 于杂质电离能。电子可以 吸收光子跃迁至高能量状 态，但是跃迁几率随着能 量的升高而降低。 杂质吸收与激子吸收均发 生在吸收边，但是其特征 明显不同：激子是分立能 级与能带边吸收，出现尖 峰；而杂质吸收可以由分 立能级跃迁至整个能带， 因此存在连续谱，即在吸 收边出现肩部。
2
,
当 h v E g E q时 即 发 射 声 子 : e h v
2
Eq 1 exp kT
当发射声子时，也可以出现吸收声子过程，即
hv a hv e hv
• 存在杂质散射过程时，即使没有声子的参与，也可 以满足动量守恒条件。散射几率与散射中心数目N 成正比，吸收系数与散射中心数目、能态密度有关