第十章半導(dǎo)體光學(xué)性質(zhì)

第十章半導(dǎo)體光學(xué)性質(zhì)&10.1半導(dǎo)體的光學(xué)常數(shù)一、折射率和吸收系數(shù)復(fù)數(shù)折射率：其中n是通常的折射率

k則是表征光能衰減的參量，稱為消光系數(shù)αcm-1XdxI0II+dI&10.1半導(dǎo)體的光學(xué)常數(shù)&10.1半導(dǎo)體的光學(xué)常數(shù)光學(xué)常數(shù)n,k和電學(xué)常數(shù)的關(guān)系根據(jù)得&10.1半導(dǎo)體的光學(xué)常數(shù)二、反射系數(shù)和透射系數(shù)反射系數(shù)R透射系數(shù)T光透過(guò)厚度為d的樣品時(shí)，透射系數(shù)和反射系數(shù)、吸收系數(shù)的關(guān)系§10.2半導(dǎo)體的光吸收一、本征吸收二、直接躍遷和間接躍遷三、激子吸收四、自由載流子的吸收五、雜質(zhì)吸收§10.2半導(dǎo)體的光吸收

當(dāng)一定波長(zhǎng)的光照射半導(dǎo)體時(shí)，若則價(jià)帶電子吸收光子躍遷到導(dǎo)帶。這種電子由帶與帶之間的躍遷所形成的吸收過(guò)程，稱為本征吸收。本征吸收發(fā)生的條件：一、本征吸收即：光子的頻率下限當(dāng)才能發(fā)生本征吸收光子的波長(zhǎng)上限當(dāng)才能發(fā)生本征吸收例如：SiEg=1.12eVλ0=1.1μmGaAsEg=1.43eVλ0=0.867μmCdSEg=2.42eVλ0=0.513μm§10.2半導(dǎo)體的光吸收光譜與波長(zhǎng)和禁帶寬度之間的關(guān)系§10.2半導(dǎo)體的光吸收二、直接躍遷和間接躍遷1、直接躍遷電子與光子的相互作用過(guò)程中，滿足：能量守恒：動(dòng)量守恒：§10.2半導(dǎo)體的光吸收電子吸收光子產(chǎn)生躍遷時(shí)波矢保持不變——電子躍遷的選擇定則本征吸收為一連續(xù)的吸收帶§10.2半導(dǎo)體的光吸收幾種半導(dǎo)體材料的吸收系數(shù)與波長(zhǎng)的關(guān)系10.2半導(dǎo)體的光吸收2.間接躍遷

既有電子與光子的相互作用，同時(shí)還有電子和聲子的相互作用，其發(fā)生的概率比直接躍遷發(fā)生的概率小能量守恒：動(dòng)量守恒：

§10.2半導(dǎo)體的光吸收Ep代表聲子能量，代表聲子的波矢，“+”表示吸收聲子，“-”表示發(fā)射聲子。理論分析得到：時(shí)，吸收聲子和發(fā)射聲子的躍遷均可發(fā)生§10.2半導(dǎo)體的光吸收

時(shí)，只能發(fā)生吸收聲子的過(guò)程當(dāng)時(shí)，躍遷不能發(fā)生，α=0§10.2半導(dǎo)體的光吸收

間接吸收：α：1～103/cm,

直接吸收：α：104～106/cm

研究半導(dǎo)體的本征光吸收，不僅可以獲得Eg還有助于了解能帶的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，也可以作為區(qū)分直接帶隙和間接帶隙半導(dǎo)體的重要依據(jù)。§10.2半導(dǎo)體的光吸收三.激子的吸收

激子：半導(dǎo)體中相互束縛而結(jié)合在一起的一對(duì)電子-空穴對(duì)，這一系統(tǒng)稱為激子。激子在晶體中某一部位產(chǎn)生后，并不停留在該處，可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)。但由于它作為一個(gè)整體是電中性的，因此不形成電流。激子是一對(duì)束縛的電子-空穴對(duì)，類似于氫原子?！?0.2半導(dǎo)體的光吸收激子形成一系列的能級(jí)§10.2半導(dǎo)體的光吸收電子和空穴的折合質(zhì)量激子吸收：光子能量hv<Eg時(shí)，價(jià)帶電子受激發(fā)后雖然躍出了價(jià)帶，但還不足以進(jìn)入導(dǎo)帶而形成自由電子，仍然受到空穴的庫(kù)侖場(chǎng)作用，受激的電子-空穴形成束縛在一起的激子。激子可以在半導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)，但不形成電流。激子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可以通過(guò)兩種途徑消失，一種通過(guò)熱激發(fā)成為自由的電子-空穴，另一種電子-空穴復(fù)合。§10.2半導(dǎo)體的光吸收四.自由載流子的吸收

自由載流子在同一帶內(nèi)的躍遷所引起的，稱為自由載流子的吸收。滿足：能量守恒：動(dòng)量守恒：§10.2半導(dǎo)體的光吸收

同時(shí)伴隨有聲子的吸收和發(fā)射過(guò)程。在P區(qū)半導(dǎo)體中，價(jià)帶有三個(gè)帶，可觀察到三條吸收譜線，吸收譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)研究半導(dǎo)體有重要意義，是確定價(jià)帶具有重疊結(jié)構(gòu)的重要依據(jù)?！?0.2半導(dǎo)體的光吸收五.雜質(zhì)吸收束縛在雜質(zhì)能級(jí)上的電子、空穴也能引起光的吸收。束縛態(tài)的電子不具有準(zhǔn)動(dòng)量?！?0.2半導(dǎo)體的光吸收§10.3半導(dǎo)體的光電導(dǎo)半導(dǎo)體被光照射之后，產(chǎn)生非平衡過(guò)剩載流子，載流子濃度增加使半導(dǎo)體電導(dǎo)率增大。由光照引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率增加的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)。一.附加電導(dǎo)率無(wú)光照（暗電導(dǎo)）：光照后：產(chǎn)生非平衡載流子§10.3半導(dǎo)體的光電導(dǎo)附加光電導(dǎo)§10.3半導(dǎo)體的光電導(dǎo)光電導(dǎo)：電導(dǎo)率的改變量§10.3半導(dǎo)體的光電導(dǎo)利用半導(dǎo)體材料的電阻率（電導(dǎo)率）隨光照不同而改變的現(xiàn)象制成的電阻叫光敏電阻。大，對(duì)光敏感，靈敏度高，no,po小，高阻材料制成，低溫下使用。實(shí)踐證明，有一些半導(dǎo)體材料中，光生少數(shù)過(guò)剩載流子被陷阱俘獲，只有過(guò)剩多子對(duì)附加光電導(dǎo)有貢獻(xiàn)。

如：p型CdO2中本征光電導(dǎo)主要是空穴的貢獻(xiàn)，少子被陷阱俘獲

n型CdS中本征光電導(dǎo)主要是電子的貢獻(xiàn)，少子處于被陷阱俘獲雜質(zhì)吸收和雜質(zhì)光電導(dǎo)是研究雜質(zhì)能級(jí)的一種重要方法?！?0.3半導(dǎo)體的光電導(dǎo)二、定態(tài)光電導(dǎo)及其馳豫過(guò)程定態(tài)光電導(dǎo)：在恒定光照下產(chǎn)生的光電導(dǎo)。分析△σ與哪些因素有關(guān)I光強(qiáng)：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過(guò)單位面積的光子數(shù)α吸收系數(shù)：§10.3半導(dǎo)體的光電導(dǎo)吸收率：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位體積內(nèi)吸收的光子I量子產(chǎn)額：吸收一個(gè)光子能產(chǎn)生一對(duì)電子-空穴對(duì)的幾率β，β≤1電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生率：Q=βIα設(shè)某一時(shí)刻開始t=0，光照半導(dǎo)體§10.3半導(dǎo)體的光電導(dǎo)復(fù)合過(guò)程：產(chǎn)生和復(fù)合過(guò)程達(dá)到穩(wěn)定，Ud=G-R恒定半導(dǎo)體中的△n,△p達(dá)到恒定值，△ns,△ps

△σ→△σs定態(tài)光電導(dǎo)電子、空穴壽命：τn、τp§10.3半導(dǎo)體的光電導(dǎo)

β、α表征光和物質(zhì)的相互作用，決定著光生載流子的激發(fā)過(guò)程τ、μ表征載流子與物質(zhì)的相互作用，I外部條件§10.3半導(dǎo)體的光電導(dǎo)馳豫過(guò)程：光照下光電導(dǎo)逐漸上升和光照停止后光電導(dǎo)逐漸下降的過(guò)程，稱為光電導(dǎo)的馳豫過(guò)程。小注入：大注入：§10.3半導(dǎo)體的光電導(dǎo)§10.3半導(dǎo)體的光電導(dǎo)§10.3半導(dǎo)體的光電導(dǎo)初始條件：t=0,△n(0)=0△n(0)=A+βIατn,A=-βIατn當(dāng)t>>τn時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定，△ns=βαIτn§10.3半導(dǎo)體的光電導(dǎo)

光照停止后：停止作為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，t=0,△n(0)=βIατn光電導(dǎo)上升過(guò)程光電導(dǎo)下降過(guò)程§10.3半導(dǎo)體的光電導(dǎo)大注入：在強(qiáng)注入的情況下，光電導(dǎo)馳豫過(guò)程比較復(fù)雜。壽命不再是定值，而是光照強(qiáng)度和時(shí)間的函數(shù)三、光電導(dǎo)的靈敏度及光電導(dǎo)增益靈敏度：?jiǎn)挝还庹斩纫鸬墓怆妼?dǎo)§10.3半導(dǎo)體的光電導(dǎo)τ越長(zhǎng)，可以得到較大的△ns，靈敏度高但τ長(zhǎng)，光電導(dǎo)