半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)

1、半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)如果用適當(dāng)波長的光照射半導(dǎo)體,那么電子在吸收了光子后將由價帶躍遷到導(dǎo)帶,而在價帶上留下一個空穴, 這種現(xiàn)象稱為光吸收. 半導(dǎo)體材料吸收光子能量轉(zhuǎn)換成電能是光電器 件的工作根底.光垂直入射到半導(dǎo)體外表時,進入到半導(dǎo)體內(nèi)的光強遵照吸收定律：Ix =1.1-r e-：x式中,I x表示距離外表X遠(yuǎn)處的光強；10為入射光強；r為材料外表的反射率；a為材料吸收系數(shù),與材料、入射光波長等因素有關(guān).1本征吸收半導(dǎo)體吸收光子的能量使價帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶,在價帶中留下空穴,產(chǎn)生等量的電子與空穴,這種吸收過程叫本征吸收.要發(fā)生本征光吸收必須滿足能量守恒定律,也就是被吸收光子的能量要大于禁帶寬度E

2、g,即hv至Eg ,從而有：. 0 一 Eg 'h = ,0 M hc ' Eg = 1.24m eV Eg其中h是普朗克常量,Y是光的頻率.c是光速,丫.材料的頻率閾值,入.材料的波長閾值,下表列出了常見半導(dǎo)體材料的波長閥值.幾種重要半導(dǎo)體材料的波長閾值材料溫度火Mum材料濕度附A/pm3001.80.69InSb3000.166.9Ge3000.S11.5GaAs3.1.350.02Si2901.091.1Gap3002.24口 55PbS29504329電子被光激發(fā)到導(dǎo)帶而在價帶中留下一個空穴,這種狀態(tài)是不穩(wěn)定的,由此產(chǎn)生的電子、空穴稱為非平衡載流子.隔了一定時間后,電子

3、將會從導(dǎo)帶躍遷回價帶,同時發(fā)射出一個光子,光子的能量也由上式?jīng)Q定,這種現(xiàn)象稱為光發(fā)射.光發(fā)射現(xiàn)象有許多的應(yīng)用,如半導(dǎo)體發(fā)光管、半導(dǎo)體激光器都是利用光發(fā)射原理制成的,只不過其中非平衡載流子不是由光激發(fā)產(chǎn)生,而是由電注入產(chǎn)生的.發(fā)光管、激光器發(fā)射光的波長主要由所用材料的禁帶寬度決定, 如半導(dǎo)體紅色發(fā)光管是由GaP晶體制成,而光纖通訊用的長波長1.5 pm激光器那么是由GaxIni-xAs 或 GaxIni-xAsyPi-y 合金制成的.2非本征吸收非本征吸收包括雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收、激子吸收和晶格吸收等.2.1 雜質(zhì)吸收雜質(zhì)能級上的電子或空穴吸收光子能量從雜質(zhì)能級躍遷到導(dǎo)帶空穴躍遷到價帶,這種

4、吸收稱為雜質(zhì)吸收.雜質(zhì)吸收的波長閾值多在紅外區(qū)或遠(yuǎn)紅外區(qū).2.2 自由載流子吸收導(dǎo)帶內(nèi)的電子或價帶內(nèi)的空穴也能吸收光子能量,使它在本能帶內(nèi)由低能級遷移到高能級,這種吸收稱為自由載流子吸收,表現(xiàn)為紅外吸收.2.3 激子吸收價帶中的電子吸收小于禁帶寬度的光子能量也能離開價帶,但因能量不夠還不能躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子. 這時,電子實際還與空穴保持著庫侖力的相互作用,形成一個電中性系統(tǒng),稱為激子.能產(chǎn)生激子的光吸收稱為激子吸收.這種吸收的光譜多密集與本征吸收波長閾值的紅外一側(cè).2.4 晶格吸收半導(dǎo)體原子能吸收能量較低的光子,并將其能量直接變?yōu)榫Ц竦恼駝幽?從而在遠(yuǎn)紅外區(qū)形成一個連續(xù)的吸收帶,這種吸收稱

5、為晶格吸收.半導(dǎo)體對光的吸收主要是本征吸收.對于硅材料,本征吸收的吸收系數(shù)比非本征吸收的吸收系數(shù)要大幾十倍到幾萬倍.不是所有的半導(dǎo)體都能發(fā)射光.例如：最常見的半導(dǎo)體硅和鑄就不能發(fā)射光,這是由它們的能帶性質(zhì)所決定的.它們的能帶稱為間接能帶,電子從導(dǎo)帶通過發(fā)射光躍遷到價帶的幾 率非常小,而只能通過其它方式, 如同時發(fā)射一個聲子躍遷至價帶.因此硅和錯這兩種在微電子器件中已得到廣泛應(yīng)用的材料,卻不能用作光電子材料.其它的m-v族化合物,如GaAs、InP等的能帶大局部是直接能帶,能發(fā)射光,因此被廣泛用來制作發(fā)光管和激光器.目前科學(xué)家正在努力尋求能使硅發(fā)光的方法,例如制作硅的納米結(jié)構(gòu)、超晶格微結(jié)構(gòu),如果

6、能夠成功,那么將使微電子器件、光電子器件都做在一個硅片上,能大大提升效率,降低本錢, 這稱為光電集成.3半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)有如下特點 絕緣體的禁帶寬度大,純潔的離子晶體大致為幾個電子伏特以上,三氧化二鋁為 9eV,氯化鈉為8eV,所以從可見光到紅外區(qū)不會發(fā)生光吸收,是透明的,但對紫外光不透 明. 摻雜后造成局部較低的局域能級,如Cr"有未充滿的電子組態(tài) 3d54s1,形成局域能級1.7eV,可以吸收較高能量的光藍(lán)、綠光 ,造成氧化鋁顯紅顏色.4例子4.1發(fā)光二極管發(fā)光二極管是由m-IV族化合物,如 GaAs 神化錢、GaP 磷化錢、GaAsP 磷神化 錢等半導(dǎo)體,其核心是 PN結(jié).因此

7、它具有一般 P-N結(jié)的I-N特性,即正向?qū)?反向截 止、擊穿特性.此外,它還具有發(fā)光特性.在正向電壓下,電子由 N區(qū)注入P區(qū),空穴由P 區(qū)注入N區(qū).進入對方區(qū)域的少少子一局部與多數(shù)載流子多子復(fù)合而發(fā)光,如下 圖所示：,你gPN結(jié)發(fā)光二極管示意圖假設(shè)發(fā)光是在 P區(qū)中發(fā)生的,那么注入的電子與價帶空穴直接復(fù)合而發(fā)光,或者先被 發(fā)光中央捕空穴復(fù)合發(fā)光. 除了這種發(fā)光復(fù)合外, 還有些電子被非發(fā)光中央 這個中央介于 導(dǎo)帶、價帶中間附近而后再與空穴復(fù)合,每次釋放的能量不大,不能形成可見光.發(fā)光的復(fù)合量相對于非發(fā)光復(fù)合量的比越大光量子效率越高.由于復(fù)合是在少子擴散區(qū)內(nèi)發(fā)光的,所以光僅在靠近PN結(jié)面數(shù)微米以內(nèi)

8、產(chǎn)生.P N結(jié)的輻射發(fā)光特點： 受激發(fā)電子越過能隙禁帶與空穴結(jié)合,會發(fā)生半導(dǎo)體發(fā)光； N'型半導(dǎo)體導(dǎo)帶中有電子,價帶中無空穴,故不發(fā)光； P型半導(dǎo)體價帶中有空穴,導(dǎo)帶中無自由電子,也不發(fā)光；n與p型半導(dǎo)體結(jié)合成為 p-n結(jié)處使得電子與空穴復(fù)合發(fā)光； 一般要在p- n結(jié)處施加一個小的正向偏壓.4.2 光導(dǎo)電現(xiàn)象在光線作用,電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài),而引起材料電導(dǎo)率的變化,這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng).當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料時,材料吸收光子的能量, 使非傳導(dǎo)態(tài) 電子變?yōu)閭鲗?dǎo)態(tài)電子,引起載流子濃度增大,因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大.具有如下特點 由于光激發(fā)造成自由電子和空穴均可成為載流子

9、,對光導(dǎo)電產(chǎn)生奉獻； 半導(dǎo)體材料中載流子存在激發(fā)、復(fù)合、俘獲等現(xiàn)象； 被光激發(fā)的載流子可被復(fù)合中央消滅,也會在被消滅前在外電場的作用下運動一段距離；(4)外電場強度越大,那么自由電子的漂移距離就增大.當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時,價帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊, 并使其由價帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶,如圖,使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價帶內(nèi)的空穴濃度增加, 從而使電導(dǎo)率變大.半導(dǎo)體無光照時為暗態(tài), 此時材料具有暗電導(dǎo)；有光照時為亮態(tài), 此時具有亮電導(dǎo).如 果給半導(dǎo)體材料外加電壓, 通過的電流有暗電流與亮電流之分. 亮電導(dǎo)與暗電導(dǎo)之差稱為光 電導(dǎo),亮電流與暗電流之差稱為光電流.設(shè)：t在激發(fā)態(tài)停留

10、時間稱為載流子壽命；n：載流子數(shù)量/單位體積暗態(tài)下,單位時間內(nèi)被復(fù)合中央消滅的電子數(shù)n/ T在平衡狀態(tài)下,產(chǎn)生的載流子密度與被消滅的相等.A：單位體積單位時間熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子數(shù)A= nol t亮態(tài)下,即存在光照時,B = n/ r A+B= ( n+An) / q N：單位體積中復(fù)合中央的數(shù)目(N = ng+An); V：載流子的漂移速度；S:載流子漂移的截面積1-3,-7=cm 那么 A + B = (n0 +An)NVSNVS.no ：n = (A B)/VS1/2對于絕緣體：n0 L n, A L Bn ： (B/NS)1/2二(光電導(dǎo)率)=：ne(電子遷移速度)4.3 光電導(dǎo)弛豫過程

11、光電導(dǎo)材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流是要經(jīng)過一定時間的.同樣光照停止后光電流也是逐漸消失的.這些現(xiàn)象稱為弛豫過程或惰性.對光電導(dǎo)體受矩形脈沖光照時,常有上升時間常數(shù)乍和下降時間常數(shù) f來描述弛豫過程的長短.下表示光生載流子濃度從零增長到穩(wěn)態(tài)值 63%時所需的時間,f表示從停光前穩(wěn) 態(tài)值衰減到37%時所需的時間.上升時間“下降時間琦圖3-14矩形脈沖光照弛豫過程圖當(dāng)輸入光功率按正弦規(guī)律變化時,光生載流子濃度對應(yīng)于輸出光電流 與光功率頻率變化的關(guān)系,是一個低通特性,說明光電導(dǎo)的弛豫特性限制了器件對調(diào)制頻率高的光功率的 響應(yīng)：Ln -J1 + 加,其中：Am：中頻時非平衡載流子濃度；co:圓頻率,

12、3=2Tt;f r非平衡載流子平均壽命,在這里稱時間常數(shù).IJ01W3圖3-15正弦光照弛豫過程圖可見An隨增加而減小,當(dāng) 3=1/時,An=Ao/,稱此時f=1/2兀為上限截止頻率或帶 寬.光電增益與帶寬之積為一常數(shù),Mf= Tn/tn+ Tp/tp 1/2兀Tn+=/1Pt - 1/2常裝.說明材料的光電靈敏度與帶寬是矛盾的：材料光電靈敏度高,那么帶寬窄；材料帶寬寬,那么光電靈敏度低.此結(jié)論對光電效應(yīng)現(xiàn)象有普遍性.基于光導(dǎo)電效應(yīng)的光電器件有光敏電阻光電導(dǎo)型和反向工作的光敏二極管、光敏三極管光電導(dǎo)結(jié)型. 光敏電阻(光導(dǎo)管)：光敏電阻是一種電阻元件,具有靈敏度高,體積小,重量輕,光譜響 應(yīng)范圍寬,機械強度高,耐沖擊和振動,壽命長等優(yōu)點.下列圖為光敏電阻的工作原理圖.在黑暗 的環(huán)境