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，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基礎(chǔ)。光垂直入射到半導(dǎo)體表面時，進(jìn)入到半導(dǎo)體內(nèi)的光強遵照吸收定律：而在I xI 01r ex式中， I x 表示距離表面x 遠(yuǎn)處的光強；I 0 為入射光強；r 為材料表面的反射率；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

2、度EEg ，從而有：g ，即 h0Eg h0hc Eg1.24m eV Eg其中 h 是普朗克常量， 是光的頻率 c 是光速， 0：材料的頻率閾值， 0：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

3、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 m）激光器則是由 GaxIn1-x As 或 GaxIn1-x AsyP1-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

4、.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竦恼駝幽埽?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)體硅和鍺就不能發(fā)射光，

5、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 因此硅和鍺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 -族化合物，如GaAs、InP 等的能帶大部分是直接能帶， 能發(fā)射光，因此被廣泛用來制作發(fā)光管和激光器 目例如制作硅的納米結(jié)構(gòu)、 超晶格微結(jié)構(gòu)， 如果能前科學(xué)家正在努力尋求能使硅發(fā)光的方法，夠成功，則將使微電子器件、光電子器件都做在一個硅片上，能大大提高效率，降低成本，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，純凈的離子晶體大致為幾個電子伏

6、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。摻雜后造成部分較低的局域能級，如 Cr3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 -族化合物，如 GaAs（砷化鎵）、 GaP（磷化鎵）、 GaAsP（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體，其核心是 PN 結(jié)。因此它具有一般 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(jìn)入對方區(qū)域的少（少

7、子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光，如下圖所示：PN 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)光中心捕空穴復(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)光中心（這個中心介于導(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(kuò)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)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

8、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，對光導(dǎo)電產(chǎn)生貢獻(xiàn)；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)合中心消滅， 也會在被消滅前在外電場的作用下運動一段距離；外電場強度越大

9、，則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)： ：在激發(fā)態(tài)停留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)合中心消滅的電子數(shù) n/ ，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

10、載流子數(shù)A n0/ 亮態(tài)下，即存在光照時，B n/ ， A B（ n n）/ ； N：單位體積中復(fù)合中心的數(shù)目（N n0+n）； V ：載流子的漂移速度；S：載流子漂移的截面積1cm- 3則 AB ( n0n)NVSNVSn0n ( A1/ 2B)/VS對于絕緣體：n0n, ABn(B / NS)1/2（光電導(dǎo)率）ne (電子遷移速度）4.3 光電導(dǎo)弛豫過程光電導(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。流也是逐漸消失的。這些現(xiàn)象稱為弛豫過程或惰性。同樣光照停止后光電對光電導(dǎo)體受矩形脈沖光照時，常有上升時間常數(shù)r和下降時間常數(shù)f來描述弛豫過程的長短。r表示光生載流子濃度從零增長到穩(wěn)態(tài)

11、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。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)：其中： n：中頻時非平衡載流子濃度；：圓頻率， =2f；：非平衡載流子平均壽命，0在這里稱時間常數(shù)。圖 3-15 正弦光照弛豫過程圖可見 n隨 增加而減小，當(dāng)=1/ 時， n=n0/，稱此時 f=1/2 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=( +) · (1/2 )=(1/t · (1/2 常數(shù))=。表明材n/tn p/tpn+1/t p料的光電靈敏度與帶寬是矛盾的：材料光電靈敏度高，則帶寬窄；材料帶寬寬，則光電靈敏度低。此結(jié)論對光電效應(yīng)現(xiàn)象有普遍性?；诠鈱?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。下圖為光敏電阻的工作原理圖。在黑暗的環(huán)境下