半导体的光学性质.doc

半导体的光学性质如果用适当波长的光照射半导体，那么电子在吸收了光子后将由价带跃迁到导带，而在价带上留下一个空穴，这种现象称为光吸收。半导体材料吸收光子能量转换成电能是光电器件的工作基础。光垂直入射到半导体表面时，进入到半导体内的光强遵照吸收定律：式中，表示距离表面x远处的光强；为入射光强；为材料表面的反射率；为材料吸收系数，与材料、入射光波长等因素有关。1 本征吸收半导体吸收光子的能量使价带中的电子激发到导带，在价带中留下空穴，产生等量的电子与空穴，这种吸收过程叫本征吸收。要发生本征光吸收必须满足能量守恒定律，也就是被吸收光子的能量要大于禁带宽度，即，从而有：其中h是普朗克常量，是光的频率c是光速，0：材料的频率阈值，0：材料的波长阈值，下表列出了常见半导体材料的波长阀值。几种重要半导体材料的波长阈值电子被光激发到导带而在价带中留下一个空穴，这种状态是不稳定的，由此产生的电子、空穴称为非平衡载流子。隔了一定时间后，电子将会从导带跃迁回价带，同时发射出一个光子，光子的能量也由上式决定，这种现象称为光发射。光发射现象有许多的应用，如半导体发光管、半导体激光器都是利用光发射原理制成的，只不过其中非平衡载流子不是由光激发产生，而是由电注入产生的。发光管、激光器发射光的波长主要由所用材料的禁带宽度决定，如半导体红色发光管是由GaP晶体制成，而光纤通讯用的长波长（1.5m）激光器则是由GaxIn1-xAs或GaxIn1-xAsyP1-y合金制成的。2 非本征吸收非本征吸收包括杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收和晶格吸收等。2.1 杂质吸收杂质能级上的电子（或空穴）吸收光子能量从杂质能级跃迁到导带（空穴跃迁到价带），这种吸收称为杂质吸收。杂质吸收的波长阈值多在红外区或远红外区。2.2 自由载流子吸收导带内的电子或价带内的空穴也能吸收光子能量，使它在本能带内由低能级迁移到高能级，这种吸收称为自由载流子吸收，表现为红外吸收。2.3 激子吸收价带中的电子吸收小于禁带宽度的光子能量也能离开价带，但因能量不够还不能跃迁到导带成为自由电子。这时，电子实际还与空穴保持着库仑力的相互作用，形成一个电中性系统，称为激子。能产生激子的光吸收称为激子吸收。这种吸收的光谱多密集与本征吸收波长阈值的红外一侧。2.4 晶格吸收半导体原子能吸收能量较低的光子，并将其能量直接变为晶格的振动能，从而在远红外区形成一个连续的吸收带，这种吸收称为晶格吸收。半导体对光的吸收主要是本征吸收。对于硅材料，本征吸收的吸收系数比非本征吸收的吸收系数要大几十倍到几万倍。不是所有的半导体都能发射光例如：最常见的半导体硅和锗就不能发射光，这是由它们的能带性质所决定的它们的能带称为间接能带，电子从导带通过发射光跃迁到价带的几率非常小，而只能通过其它方式，如同时发射一个声子跃迁至价带因此硅和锗这两种在微电子器件中已得到广泛应用的材料，却不能用作光电子材料其它的-族化合物，如GaAs、InP等的能带大部分是直接能带，能发射光，因此被广泛用来制作发光管和激光器目前科学家正在努力寻求能使硅发光的方法，例如制作硅的纳米结构、超晶格微结构，如果能够成功，则将使微电子器件、光电子器件都做在一个硅片上，能大大提高效率，降低成本，这称为光电集成。3 半导体的光学性质有如下特点绝缘体的禁带宽度大，纯净的离子晶体大致为几个电子伏特以上，三氧化二铝为9eV，氯化钠为8eV，所以从可见光到红外区不会发生光吸收，是透明的，但对紫外光不透明。掺杂后造成部分较低的局域能级，如Cr3有未充满的电子组态3d54s1，形成局域能级（1.7eV），可以吸收较高能量的光（蓝、绿光），造成氧化铝显红颜色。4 例子4.1 发光二极管发光二极管是由-族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如下图所示：PN结发光二极管示意图假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、价带中间附近而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比越大光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数微米以内产生。PN结的辐射发光特点：受激发电子越过能隙（禁带）与空穴结合，会发生半导体发光；N型半导体导带中有电子，价带中无空穴，故不发光；P型半导体价带中有空穴，导带中无自由电子，也不发光；n与p型半导体结合成为pn结处使得电子与空穴复合发光；一般要在pn结处施加一个小的正向偏压。4.2 光导电现象在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，使非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大。具有如下特点由于光激发造成自由电子和空穴均可成为载流子，对光导电产生贡献；半导体材料中载流子存在激发、复合、俘获等现象；被光激发的载流子可被复合中心消灭，也会在被消灭前在外电场的作用下运动一段距离；外电场强度越大，则自由电子的漂移距离就增大。当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。半导体无光照时为暗态，此时材料具有暗电导；有光照时为亮态，此时具有亮电导。如果给半导体材料外加电压，通过的电流有暗电流与亮电流之分。亮电导与暗电导之差称为光电导，亮电流与暗电流之差称为光电流。设：在激发态停留时间称为载流子寿命；n：载流子数量/单位体积暗态下，单位时间内被复合中心消灭的电子数n/，在平衡状态下，产生的载流子密度与被消灭的相等。A：单位体积单位时间热激发产生的载流子数An0/亮态下，即存在光照时，Bn/，AB（nn）/；N：单位体积中复合中心的数目（Nn0+n）；V：载流子的漂移速度；S：载流子漂移的截面积 则对于绝缘体：4.3 光电导弛豫过程光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是要经过一定时间的。同样光照停止后光电流也是逐渐消失的。这些现象称为弛豫过程或惰性。对光电导体受矩形脉冲光照时，常有上升时间常数r和下降时间常数f来描述弛豫过程的长短。r表示光生载流子浓度从零增长到稳态值63%时所需的时间，f表示从停光前稳态值衰减到37%时所需的时间。图3-14 矩形脉冲光照弛豫过程图当输入光功率按正弦规律变化时，光生载流子浓度（对应于输出光电流）与光功率频率变化的关系，是一个低通特性，说明光电导的弛豫特性限制了器件对调制频率高的光功率的响应：其中：n0：中频时非平衡载流子浓度；：圆频率，=2f；：非平衡载流子平均寿命，在这里称时间常数。图3-15 正弦光照弛豫过程图可见n随增加而减小，当=1/时，n=n0/，称此时f=1/2为上限截止频率或带宽。光电增益与带宽之积为一常数，Mf=(n/tn+p/tp)(1/2)=(1/tn+1/tp)(1/2)=常数。表明材料的光电灵敏度与带宽是矛盾的：材料光电灵敏度高，则带宽窄；材料带宽宽，则光电灵敏度低。此结论对光电效应现象有普遍性。基于光导电效应的光电器件有光敏电阻(光电导型)和反向工作的光敏二极管、光敏三极管(光电导结型)。光敏电阻(光导管)：光敏电阻是一种电阻元件,具有灵敏度高,体积小,重量轻,光谱响应范围宽,机械强度高,耐冲击和振动,寿命长等优点。下图为光敏电阻的工作原理图。在黑暗的环境下,它的阻值很高,当受到光照并且光辐射能量足够大时,光导材料禁带中的电子受到能量大于其禁带宽度的光子激发,由价带越过禁带而跃迁到导带,使其导带的电子和价带的空穴增加,电阻率变小。光敏电阻常用的半导体材料有硫化镉(CdS，Eg=2.4eV和硒化镉(CdSe，Eg=1.8eV)。光敏二极管和光敏三极管：光敏管的工作原理与光敏电阻是相似的,其差别只是光照在半导体结上而已。