半導體的光學性質

1、半導體的光學性質如果用適當波長的光照射半導體,那么電子在吸收了光子后將由價帶躍遷到導帶,而在價帶上留下一個空穴, 這種現(xiàn)象稱為光吸收. 半導體材料吸收光子能量轉換成電能是光電器 件的工作根底.光垂直入射到半導體外表時,進入到半導體內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.1本征吸收半導體吸收光子的能量使價帶中的電子激發(fā)到導帶,在價帶中留下空穴,產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體材料的波長閥值.幾種重要半導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決定,這種現(xiàn)象稱為光發(fā)射.光發(fā)射現(xiàn)象有許多的應用,如半導體發(fā)光管、半導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)產生,而是由電注入產生的.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吸收、自由載流子吸收、激子吸收和晶格吸收等.2.1 雜質吸收雜質能級上的電子或空穴吸收光子能量從雜質能級躍遷到導帶空穴躍遷到價帶,這種

4、吸收稱為雜質吸收.雜質吸收的波長閾值多在紅外區(qū)或遠紅外區(qū).2.2 自由載流子吸收導帶內的電子或價帶內的空穴也能吸收光子能量,使它在本能帶內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.2.4 晶格吸收半導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.不是所有的半導體都能發(fā)射光.例如：最常見的半導體硅和鑄就不能發(fā)射光,這是由它們的能帶性質所決定的.它們的能帶稱為間接能帶,電子從導帶通過發(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構、超晶格微結構,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半導體的光學性質有如下特點 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、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 錢等半導體,其核心是 PN結.因此

7、它具有一般 P-N結的I-N特性,即正向導通,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)載流子多子復合而發(fā)光,如下 圖所示：,你gPN結發(fā)光二極管示意圖假設發(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合而發(fā)光,或者先被 發(fā)光中央捕空穴復合發(fā)光. 除了這種發(fā)光復合外, 還有些電子被非發(fā)光中央 這個中央介于 導帶、價帶中間附近而后再與空穴復合,每次釋放的能量不大,不能形成可見光.發(fā)光的復合量相對于非發(fā)光復合量的比越大光量子效率越高.由于復合是在少子擴散區(qū)內發(fā)光的,所以光僅在靠近PN結面數(shù)微米以內

8、產生.P N結的輻射發(fā)光特點： 受激發(fā)電子越過能隙禁帶與空穴結合,會發(fā)生半導體發(fā)光； N'型半導體導帶中有電子,價帶中無空穴,故不發(fā)光； P型半導體價帶中有空穴,導帶中無自由電子,也不發(fā)光；n與p型半導體結合成為 p-n結處使得電子與空穴復合發(fā)光； 一般要在p- n結處施加一個小的正向偏壓.4.2 光導電現(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),而引起材料電導率的變化,這種現(xiàn)象被稱為光電導效應.當光照射到半導體材料時,材料吸收光子的能量, 使非傳導態(tài) 電子變?yōu)閭鲗B(tài)電子,引起載流子濃度增大,因而導致材料電導率增大.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、,對光導電產生奉獻； 半導體材料中載流子存在激發(fā)、復合、俘獲等現(xiàn)象； 被光激發(fā)的載流子可被復合中央消滅,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.當光照射到半導體材料上時,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帶,如圖,使材料中導帶內的電子和價帶內的空穴濃度增加, 從而使電導率變大.半導體無光照時為暗態(tài), 此時材料具有暗電導；有光照時為亮態(tài), 此時具有亮電導.如 果給半導體材料外加電壓, 通過的電流有暗電流與亮電流之分. 亮電導與暗電導之差稱為光 電導,亮電流與暗電流之差稱為光電流.設：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,單位時間內被復合中央消滅的電子數(shù)n/ T在平衡狀態(tài)下,產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(光電導率)=：ne(電子遷移速度)4.3 光電導弛豫過程

11、光電導材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流是要經過一定時間的.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輸入光功率按正弦規(guī)律變化時,光生載流子濃度對應于輸出光電流 與光功率頻率變化的關系,是一個低通特性,說明光電導的弛豫特性限制了器件對調制頻率高的光功率的 響應：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 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.此結論對光電效應現(xiàn)象有普遍性.基于光導電效應的光電器件有光敏電阻光電導型和反向工作的光敏二極管、光敏三極管光電導結型. 光敏電阻(光導管)：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