西交大微電子考研半導(dǎo)體物理課件chapter

1、1主要內(nèi)容：半導(dǎo)體的光學(xué)常數(shù)；光吸收；光電導(dǎo)；（光敏器件，半導(dǎo)體感受光傳感器）光生伏特效應(yīng)；（光電池光生電）半導(dǎo)體發(fā)光；（LED電生光）半導(dǎo)體激光；（電生光）半導(dǎo)體光能電能2第十章 半導(dǎo)體光學(xué)性質(zhì)光電與發(fā)光現(xiàn)象光與半導(dǎo)體相互作用的一般規(guī)律；利用光子與晶體中電子、原子的相互作用來研究半導(dǎo)體的光學(xué)過程。光學(xué)性質(zhì)：1)光學(xué)常數(shù)，物理量光吸收性質(zhì)（光電導(dǎo)，光生伏特）發(fā)光性質(zhì)吸收光光與半導(dǎo)體相互作用光輻射（發(fā)光）121 i0v20 0 rc由于媒質(zhì)中的光速等于c/N，v N c為真空中光速，N為復(fù)折射率所以：N 2 c2 i r 0 00 真空中，N 1, r 1, 0c 100N 2 ir0電導(dǎo)率不為

2、零時N n ik4半導(dǎo)體的光學(xué)常數(shù)一、折射率和吸收系數(shù)1、折射率“N”：根據(jù)電動力學(xué)知識，利用方程組推得電磁波在不帶電的各向同性的均勻介質(zhì)中時滿足如下方程：2E2 EE 0 t 0 r0 t2 0設(shè)沿x方向的平面電磁波，其電場E的y分量具有如下形式：E E exp i t x y0v 代入上述方程得：電磁波沿x方向的速度1 i0v20 0 r3折射率 消光系數(shù)吸收系數(shù)32.=1Hx x SemiconductorIoPhoton flux inPhoton flux outI(x) I(x) # IYZo LM,-F 6E2) LM! PQFdI I dxl;oFI I exQ_1H06v c

3、E E exp i t x n iky0v ,-Ey?+oFE E exp kx exp i t nx cy0c c v nA5p&L)BCDEFH H exp kx exp t nx z0c i c FG3pq)3HLIpHLJK ekx/c LM 45_NO3PQ53HLIpHLRSTUVFI I exp 2kx 0c5k! )L M)XY23RSW43.光學(xué)常數(shù)n、k與電學(xué)常數(shù)的關(guān)系：即：n2 k 2 r 2nk N 2 ir N n ik0 c 100解得：1 20 1 /2 n 2 1 1 2 r 2 0 21 /2 k 2 1 1 1 2 r 2 0 式中n，k是頻率的函數(shù)，當(dāng)0時

4、，k0，n r對于非導(dǎo)電材料，沒有吸收，材料對電磁波為透明的;對于一般的半導(dǎo)體材料，折射率約為3-4;吸收系數(shù)除與材料有關(guān)外，還隨光波的波長而變，如果吸收系數(shù)很大，光吸收集中在晶體表面薄層內(nèi)。8kI I ex 又 I I exp 2kx 00c與理論衰減規(guī)律一致，對比，得：k（:空間光的波長；k:消光系數(shù)） 稱為吸收系數(shù)，與光強無關(guān)，與入射波長有關(guān)。物理意義：光在媒質(zhì)中1/ 距離時能量衰減到原來的1/e。75二、反射系數(shù)、透射系數(shù)入射反射光照射到媒質(zhì)界面時發(fā)生反射和折射界面反射能流透射能流入射能流透射根據(jù)波動方程一般表達式和方程：H N E0 c00光波的能流密度可用坡矢量的實數(shù)部分表示：22

5、 0c假設(shè)反射波電矢量振幅為E0 E 2(n 1)2 k 21.反射系數(shù)： R 0 E 2(n 1)2 k 2010小結(jié)：導(dǎo)電媒質(zhì)中平面波的波動方程為：E E exp i t Nx y0c 對于電介質(zhì)，N為實數(shù)，對于導(dǎo)電媒質(zhì)，N為復(fù)數(shù)， N n ik其實數(shù)部分為一般折射率，其虛數(shù)部分為消光系數(shù)，決定光的衰減，與吸收系數(shù)直接相關(guān)： 4 k光在導(dǎo)電媒質(zhì)中 與在電介質(zhì)中 的顯著區(qū)別在于：由于導(dǎo)電媒質(zhì)中的 電子存在，光波將在其中激起傳導(dǎo)電流，光波的部分能量轉(zhuǎn)換為焦耳熱，導(dǎo)電媒質(zhì)的吸收系數(shù)決定于電導(dǎo)率。96半導(dǎo)體光吸收光在半導(dǎo)體中時存在衰減，即半導(dǎo)體材料能夠強烈吸收光能半導(dǎo)體吸收譜的特點：為連續(xù)的吸收帶

6、；半導(dǎo)體中存在多種不同的吸收過程。 4 k本征吸收激子吸收載流子吸收雜質(zhì)吸收晶格振動吸收122.透射系數(shù)透射系數(shù)和反射系數(shù)滿足：T 1 R光透射厚度為d的媒質(zhì)：（假設(shè)兩個界面反射系數(shù)均為R，吸收系數(shù)為 ）T 1 R2 ed117*+,-./0123456789:;()*+=14()23./1.*hF30r_t!_tQlRS:;.2.TU=VFh h E 1.24(m)0g0E (eV )gTU=dqV 0TU=paV 0Egt2.42eV13SiFj0t1.1Wm 45 GaAsF 6070.8678m 45CdS9 6070.5138m :;$8直接帶隙半導(dǎo)體：導(dǎo)帶極小值和價帶極大值出現(xiàn)于相

7、同的位置的半導(dǎo)體材料。如：III-V族的GaAs、InSb及一些II-VI族半導(dǎo)體材料等。這些半導(dǎo)體材料在本征吸收時產(chǎn)生電子的直接躍遷。間接帶隙半導(dǎo)體：導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)膋值不同的半導(dǎo)體材料。Si，Ge對于間接帶隙半導(dǎo)體材料，由導(dǎo)帶底到價帶頂不可能發(fā)生直接躍遷。說明對于本征吸收，除了直接躍遷還存在其他躍遷：間接躍遷，為了滿足動量守恒，該過程需要聲子參與。163.分類：A.直接躍遷（k值不變，直接帶隙半導(dǎo)體）電子吸收光子的躍遷過程必須同時滿足能量守恒和動量守恒：hk hk 光子動量由于光子動量相對很小，可忽略不計，所以：k k能量E E h（光子能量）電子躍遷的選擇定則：電子吸收光子產(chǎn)生躍遷，電子

8、保持不變，能量增加。159吸收系數(shù)和光子能量的關(guān)系：對應(yīng)間接躍遷對應(yīng)直接躍遷研究半導(dǎo)體的吸收光譜可以確定吸收限，進而確定禁帶寬度，同時有助于了解能帶的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，并區(qū)分直接及間接半導(dǎo)體18B.間接躍遷（間接帶隙半導(dǎo)體） 光子、電子、聲子相互作用除了吸收光子外，還與晶格(聲子)交換能量h 0 Ep 電子能量差E(能量守恒)Ep聲子能量，很小，可以忽略，h 0 電子能量差E(hk hk) hq 光子動量(動量守恒)忽略光子動量： k k （q 聲子的）正號表示吸收一個聲子，負(fù)號表示發(fā)射一個聲子；間接躍遷同時包含電子、光子的相互作用及電子、聲子相互作用，是一種二級過程，其發(fā)生幾率遠小于直接躍遷。間接躍

9、遷吸收系數(shù)：1103cm-1;直接躍遷吸收系數(shù)：104-106cm-1;1710二、其它吸收過程能量小于禁帶寬度的光子也可以被吸收1.激子吸收激子系統(tǒng)：光子能量小于禁帶寬度，價帶電子受激發(fā)后躍出價帶，但 以進入導(dǎo)帶，從而形成相互束縛一個電子和空穴對，這種相互 的電子空穴對稱為激子系統(tǒng)，相應(yīng)的吸收稱為激子吸收。特征：激子形成后可在晶體中運動，不是電子和空穴，整體呈電中性，不參與導(dǎo)電，不伴有光電導(dǎo)途徑：熱激發(fā)或其他能量激發(fā),電子、空穴對分離，形成電子和空穴；電子空穴復(fù)合，光子或同時光子和聲子20移動重?fù)诫s半導(dǎo)體，如n型半導(dǎo)體，本征吸收的長波限向短波方向移動；由于能級進入導(dǎo)帶，導(dǎo)帶底的電子能級被電子

10、占滿，價帶電子只能躍遷到能級以 上。-效應(yīng)在強電場作用下，本征吸收的長波限將向長波方向移動；(光子誘導(dǎo)下的隧道效應(yīng))19112.載流子吸收載流子在同一帶內(nèi)躍遷所引起的吸收；載流子吸收特點：吸收強度隨波長增大而增加；吸收過程伴隨聲子的吸收或發(fā)足動量守恒；吸收光子能量較小，一般是紅外吸收。22D.激子吸收能譜：激子能量可采用類氫模型，由一系列能級組成：nq4*Eex 2 2 2 2 mrm* m* m* /(m* m* )8 0 r h nrp npnn=1對應(yīng)激子的基態(tài)能級；n=無窮大時，激子能量為零，相當(dāng)于電子躍遷到導(dǎo)帶底；第1峰：電子由價帶到基態(tài)第2峰：電子由價帶到n2激發(fā)態(tài)第3峰：電子由價

11、帶到n3激發(fā)態(tài)，之后，波譜連續(xù)，和本征吸收譜合在一起通常激子吸收線密集在本征吸收線上，低溫觀察21123.雜質(zhì)吸收在雜質(zhì)能級上的電子吸收光子躍遷到導(dǎo)帶，價帶電子吸收光子能量躍遷到空著的雜質(zhì)能級（空穴吸收能量由雜質(zhì)能級發(fā)射到價帶）；EI 為電離能為連續(xù)吸收光譜雜質(zhì)吸收譜長波限：hv0 EI（a,b,c,d）電離雜質(zhì)吸收譜長波限：hv Eg EI（f,e）24具有帶結(jié)構(gòu)的載流子吸收在p型Ge中可觀察到三個載流子吸收峰，這是由于Ge的價帶具有能帶結(jié)構(gòu)a(V2 V1) : 20m b(V3 V2 ) : 4.7m c(V3 V1) : 3.4m2313半導(dǎo)體的光電導(dǎo)一、定義：光照引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率增大的

12、現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)；本征吸收引起的光電導(dǎo)稱為本征光電導(dǎo)。二、附加電導(dǎo)率無光照： 0 q(n0n p0 p )光照后： q(nn p p ) q(n0 n p0 p ) q(nn p p ) 0 26雜質(zhì)中心的激發(fā)態(tài)吸收雜質(zhì)中心具有一系列的類氫激發(fā)態(tài)能級E1，E2， E3，雜質(zhì)中心由基態(tài)到激發(fā)態(tài)同樣引起光吸收，類似于激子吸收4.晶格振動吸收光子能量直接轉(zhuǎn)化為晶格振動動能；晶格振動吸收一般位于遠紅外區(qū)；離子晶體或離子性較強的晶體存在較強的晶格振動吸收帶；2514雖然本征光吸收中激發(fā)的電子和空穴數(shù)相等，但通常是作為多數(shù)載流子的光生載流子具有較長的時間，而另一種載流子則往往被一些陷阱所，從而使得：n p或

13、n p則： nnq或 p pq此外還有雜質(zhì)光電導(dǎo)，不過一般雜質(zhì)光電導(dǎo)相對本征光電導(dǎo)很小。28相對光電導(dǎo)： nn p p 0n0 n p0 p對于本征光電導(dǎo)：n p (1 b)n其中：bn pb n000p當(dāng)n0，p0較小時，可獲得高的相對光電導(dǎo)，所以光敏電阻一般由高阻材料制成，或低溫下使用；2715dI I dx光子的吸收率：時間、體積吸收的光子數(shù) I電子-空穴的產(chǎn)生率：Q I : 量子產(chǎn)額，吸收一個光子產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)如果每吸收一個光子產(chǎn)生一對電子空穴，則 1定態(tài)光電導(dǎo)的大小假設(shè)t=0時刻，開始以強度為I的光照射半導(dǎo)體表面，如果不考慮復(fù)合，經(jīng)過時間t后：n p It30三、定態(tài)光電導(dǎo)及其弛

14、豫過程定義：在一定的光照下，達到平衡時的光生載流子的數(shù)量；光子吸收率設(shè)：I為時間通過面積的光子數(shù)（用光子數(shù)計算光強）時間流過A（面積）的光子數(shù)I1時間流過B的光子數(shù)I2x體積內(nèi)吸收的光子數(shù)I2I1時間、體積吸收的光子數(shù)：lim I1 I2 dIxdxI I e xdI I ex I0dx02916光照下光電導(dǎo)逐漸上升，經(jīng)過一定時間后達到定態(tài)光電導(dǎo)32隨著光生載流子濃度的增加，非平衡載流子的復(fù)合率也相應(yīng)增加；最終產(chǎn)生率與復(fù)合率達成平衡：R=Q；假設(shè)電子和空穴的分別為： n , p則平衡時的定態(tài)光生載流子濃度為：ns I n , ps I p定態(tài)光電導(dǎo)： s q I (n n p p )、表征光和

15、物質(zhì)的相互作用，決定光生載流子的激發(fā)過程 、表征載流子和物質(zhì)的相互作用，決定載流子運動和非平衡載流子的復(fù)合過程3117（b）光照停止后,Q0d nn dt假設(shè)停止光照時光生載流子已達到穩(wěn)態(tài)值即：n(0) ns停止光照后光生載流子n(t) n et /s光電導(dǎo)與光生載流子濃度變化相對應(yīng)t /上升： s (1 e)t /下降： se：弛豫時間345.光生載流子弛豫過程光照下光電導(dǎo)逐漸上升和光照停止后光電導(dǎo)逐漸的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)的馳豫現(xiàn)象光生載流子濃度和光照時間的關(guān)系A(chǔ).小注入：（a）t0開始光照，光強為I，光生載流子為常數(shù)n復(fù)合率： R dnnn的增加率： Q R I dt利用邊界條件：t 0, n

16、 0解得： tnI (1e )當(dāng) t n I ns穩(wěn)態(tài)3318B.強注入情況(只考慮直接復(fù)合)此時復(fù)合率隨注入水平變化U r(n)2n 上升和下降的微分方程為：上升： d n / dt I r n2下降： d n / dt r n2初始條件為：U r(n)2 Q I上升： t 0, n 0;下降： t 0, n ns I / r ;1/2 3635194 T3d1. 3#3T3ns Iqi A3W3) 3# 3#3T3 s qnns q IIn* A I 3#4Ij3T34c op|lAu#rNN0 C4dIMNO4c. op|l4dI T3#)PQRO45.3T3I623%&78IXYbc&

17、9Q:;(vw#iI IL IF IL Is (e01)qV / k ToiFV k0T ln IL I 1qIswl3I(It0CF V k0T ln IL 1ocq I s+l3NAV=0CFIsc IL4926半導(dǎo)體發(fā)光半導(dǎo)體發(fā)光：電子由高能級向低能級躍遷，同時發(fā)射光子的過程。半導(dǎo)體發(fā)光的條件：半導(dǎo)體因某種激發(fā)過程而處于非平衡狀態(tài)非平衡載流子（電子、空穴）的復(fù)合半導(dǎo)體因激發(fā)過程不同而分為：電致發(fā)光：電場激發(fā)載流子，電能轉(zhuǎn)換為光能光致發(fā)光：紫外線、光或普通燈光照射后，具有的發(fā)光性能（熒光體） 陰極發(fā)光：物質(zhì)表面在高能的轟擊下發(fā)光的現(xiàn)象稱為陰極發(fā)光 （寶石礦物質(zhì)）52四、應(yīng)用能電池：大面積p

18、n結(jié)組成,2010-2020年，10,000- 20,000兆瓦功率電池輻射探測器（光輻射及其它粒子輻射）不用外接電源，測光生電壓，探測輻射粒子強度51273.輻射躍遷分類1)本征躍遷：帶間電子躍遷（本征吸收逆過程）直接躍遷直接帶隙半導(dǎo)體，電子空穴及光子參與輻射效率高，II-VI族化合物III-V族化合物間接躍遷間接帶隙半導(dǎo)體，聲子參與幾率小直接躍遷hv Ec Ev Eg間接躍遷hv Ec Ev Ep54一、輻射躍遷定義：電子由高能態(tài)向低能態(tài)的躍遷過程，一定能量，若躍遷伴隨放出光子，則稱輻射躍遷躍遷過程：1)雜質(zhì)或缺陷參與的躍遷： a導(dǎo)帶電子到未電離受主b未電離施主上電子到價帶c未電離施主上電

19、子到未電離受主 2)帶與帶之間的躍遷：d導(dǎo)帶底電子到價帶頂 e導(dǎo)帶熱電子到價帶頂導(dǎo)帶底電子到價帶熱空穴3)熱載流子的帶內(nèi)躍遷f5328二、發(fā)光效率載流子復(fù)合時，其能量可以多種形式 ，可以輻射形式 能量，也可以非輻射形式（俄歇過程，發(fā)射聲子） 能量；發(fā)光效率決定于輻射復(fù)合所占比例；發(fā)光效率用“量子效率”和 “外部量子效率”表示：1)量子效率時間內(nèi)產(chǎn)生的光子數(shù)內(nèi)時間內(nèi)注入的電子 空穴對數(shù)562)非本征躍遷雜質(zhì)能級參與的躍遷為非本征躍遷，對于間接帶隙半導(dǎo)體材料，由于本征躍遷很弱，非本征躍遷起主要作用；施主與受主之間的躍遷是一種重要的非本征躍遷，因為其發(fā)光效率高，是多數(shù)發(fā)光二極管的躍遷機理；能量關(guān)系為

20、：2hv Eg (E5529|L0Za?;D_M) 01_)*Bi#$|I_F?;D_M) 02)*2/#$( R=IB$/(R;5#$.U=吸收率6333達到分布反轉(zhuǎn)時應(yīng)該滿足： Wr Wa即應(yīng)該滿足：fc (E)1 fv (E hv) fv (E hv)1 fc (E) fc (E) fv (E hv)11exp E EFn 1exp E hv EFp 1k Tk T00 E EFn E hv EFp所以達到分布反轉(zhuǎn)必須滿足：EFn EFp hv激發(fā)光子還要滿足：hv Eg66一般情況下分布反轉(zhuǎn)的條件：非平衡態(tài)下能級E上電子占據(jù)幾率f (E) 1; f (E) 1c E Ev E Eexp

21、 Fn 1exp Fp 1k0Tk0T用能量為hv、能流密度為I(hv)的光照射系統(tǒng)，則總的受激輻射輻射率為：Wr Nc (E) fc (E)Nv (E hv)1 fv (E hv)I (hv)dE類似的，總吸收率為：Wa Nv (E hv) fv (E hv)Nc (E)1 fc (E)I (hv)dE6534激光產(chǎn)生：激活區(qū)：開始大量非平衡載流子自發(fā)輻射發(fā)出光子，相位、 方向隨機，一些沿水平方向（pn結(jié)平面內(nèi)）引起受激輻射產(chǎn)生相同光子注入電流增加受激輻射占優(yōu)，集中在pn結(jié)面單色性好、強度大，但相位雜亂。腔：垂直于結(jié)面兩個嚴(yán)格平行晶體解理面。兩列相反傳播方向的波疊加形成駐波，相位固定，成為相

22、干光m( ) l2n68三、p-n結(jié)激光器原理（受激輻射）1.注入機構(gòu)：n區(qū)和p區(qū)均需重?fù)诫s（1018/cm3）， 平衡時EFn和EFp分別進入導(dǎo)帶和價帶；施加正向電壓V時，準(zhǔn)能級差為qV，n區(qū)向p區(qū)注入電子，p區(qū)向n區(qū)注入空激活區(qū)（電子空穴濃度穴。由于平衡時的勢壘高度都很高）大于Eg，所以即使qV Eg勢壘仍然不結(jié)面附近滿足：EFn EFp hv外界注入能量使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，電子處于高能級載流子的“抽運”（泵）6735激光光譜分布自發(fā)輻射：譜線較寬；GaAs，77K電流增大，受激輻射逐漸增 強，譜線變窄；接近閾值時，譜線出現(xiàn)一系列峰值，隨著注入電流的增大，峰值不斷增 強。峰值對應(yīng)于滿足腔駐波條件的那些波長。隨著注入電流的