半导体物理第10章半导体的光学性质和光电与发光现象资料下载.pdf
《半导体物理第10章半导体的光学性质和光电与发光现象资料下载.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《半导体物理第10章半导体的光学性质和光电与发光现象资料下载.pdf（73页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
）（0）,（cnxtixckeeEtxEy=xckeE0）（cnxtie式中是介质中光波的传播因子；
是光波电分量的振幅。
一、折射率和吸收系数一、折射率和吸收系数在光学理论中：
xII0xIIe=2k其中称为介质对光的吸收系数C=其中：
称为介质对光的吸收系数物理意义：
标志着光透入介质的平均深度，即xd，或者说，光在媒质中传播x=1/a距离时，光能量减弱为原来的1/e。
所以：
22222022112rrrkCC=+一、折射率和吸收系数一、折射率和吸收系数对于绝缘体所以这说明绝缘体对于光是透明的讨论：
对于绝缘体=0，所以=0，这说明绝缘体对于光是透明的。
注意：
=0，是指自由载流子对光的吸收系数，而其他因素对于光的吸收不见载得等于零。
另外，除与材料本身有关外，还随光的波长变化。
2对于半导体1103/1015/1对于半导体：
=1103s/cm，1015/s，r=1，所以22221可得到22201r=122
（1）011RddRTIRe3吸收h1=n1exE0,=exEn时，为激子的基态能级；
对应导带底能级。
h,ex对应导带底能级二、激子吸收二、激子吸收根据激子中电子和空穴之间平均距离的大小，可以将激子分为两种：
一种为弗兰克尔（Frenkel）激子，电子空穴对的存在范围与晶格常数相近，而且，激子与所属晶格结合得很强所以弗兰克尔激子在晶体中运动困难激子与所属晶格结合得很强，所以,弗兰克尔激子在晶体中运动困难。
一种为汪尼尔（Wannier）激子，电子空穴对的存在范围为晶格常数的几倍以至几十倍，激子和所属原子间的束缚比较弱，所以,汪尼尔激子易于在晶体中运动。
激子在运动过程中可以通过两种途径消失：
其一是通过热激发或其它能量的激发使激子分离成为自由电子和空穴；
其二是激子中的电子和空穴通过复合，使激子消失，同时放出能量。
二、激子吸收二、激子吸收激子可以在整个半导体材料中运动，由于它是电中性的，因激子可以在整个半导体材料中运动，由于它是电中性的，因此，激子的运动并不形成电流。
此，激子的运动并不形成电流。
对于常用的半导体材料，其禁带宽度都比较小，因而激子能对于常用的半导体材料，其禁带宽度都比较小，因而激子能级都靠的很近级都靠的很近，所以所以，激子吸收激子吸收必必须在低温下用分辨率极高的仪须在低温下用分辨率极高的仪级都靠的很近级都靠的很近所以所以激子吸收须在低温下用分辨率极高的仪激子吸收须在低温下用分辨率极高的仪器设备才能观测到。
器设备才能观测到。
随着超晶格、量子阱结构的出现，室温下在量子阱结构中观随着超晶格、量子阱结构的出现，室温下在量子阱结构中观测到了稳定的二维激子测到了稳定的二维激子并利用量子阱激子的纵向电场效应并利用量子阱激子的纵向电场效应已已测到了稳定的二维激子测到了稳定的二维激子，并利用量子阱激子的纵向电场效应并利用量子阱激子的纵向电场效应，已已制备出了光学双稳态器件和光调制器件。
制备出了光学双稳态器件和光调制器件。
三、自由载流子吸收三、自由载流子吸收当入射光的频率当入射光的频率v低于本征吸收限低于本征吸收限v0，且不足以形成激子时，且不足以形成激子时，仍有吸收存在仍有吸收存在而且其吸收强度随着波长的增大而增加而且其吸收强度随着波长的增大而增加（或频率的或频率的仍有吸收存在仍有吸收存在，而且其吸收强度随着波长的增大而增加而且其吸收强度随着波长的增大而增加（或频率的或频率的降低而增大），这是同一能带中的电子受电磁波加速运动时，由于降低而增大），这是同一能带中的电子受电磁波加速运动时，由于散射而引起的吸收，是自由载流子在同一带内的跃迁所引起，称为散射而引起的吸收，是自由载流子在同一带内的跃迁所引起，称为自由载流子吸收自由载流子吸收自由载流子吸收自由载流子吸收。
三、自由载流子吸收三、自由载流子吸收自由载流子吸收与本征吸收的区别在于：
电子从低能态到较高能态的跃迁是在同一能带中进行。
但它们仍然遵守能量守恒和动量守恒。
是在同能带中进行。
自由载流子吸收类似于间接跃迁吸收，电子的跃迁过程中也伴随着吸收或发射一个声子发射一个声子。
产生自由载流子吸收的光波的波长大于本征吸收限0，所以，自由载流子吸收是红外吸收。
Ekkk四、杂质吸收四、杂质吸收我们知道杂质能级的束缚态没有一定杂质能级上的电子或空穴吸收光子跃迁到导带或价带，称为杂质吸收。
我们知道，杂质能级的束缚态没有一定的准动量，所以电子和空穴的跃迁不受动量守恒的约束这意味着杂质能级上的电子或守恒的约束，这意味着杂质能级上的电子或空穴可以跃迁到任意的导带或价带能级，因杂质收起续的收谱但它仍此，杂质吸收引起连续的吸收谱。
但它仍要遵守能量守恒，即光子的最低能量hv必须等于杂质能级上电子或空穴的电离能。
IE所以杂质吸收也存在一个长波吸收限，即：
0IghvEE=S=I称小注入时的光电导为线性光电导SSnI，称小注入时的光电导为线性光电导。
二、光电导的弛豫过程二、光电导的弛豫过程2）.大注入2）.大注入（即注入的非平衡载流子浓度远远大于热平衡多子浓度）（即注入的非平衡载流子浓度远远大于热平衡多子浓度）0nn0p2（）Rrn=、，此时载流寿命已不再是定值，复合率为：
2（）（）dnQRQdtrn=在光照过程中，的增加率为：
ndt由边界条件：
t=0时，0n=（）=tndtnd（）=dtnrQ002二、光电导的弛豫过程二、光电导的弛豫过程IQ对上式积分得到：
tIrtghrItQrtghrQn=（）1lim=tIrtght（）Snn=当t时，且所以有：
（）rInns=故：
（）tIrtghs=SSnI，称大注入时的光电导为抛物线型光电导。
二、光电导的弛豫过程二、光电导的弛豫过程1）1）小注入2、下降过程2、下降过程1）1）.小注入t=0时光照停止，所以：
Q=0nnn的变化为（）dnnRdt=sn起始条件为：
t=0时，n=nst0tSnen=方程方程的解为：
te所以有所以有Se=所以有所以有：
ssnI，小注入时下降过程的光电导也为线性光电导。
即即：
ss即即二、光电导的弛豫过程二、光电导的弛豫过程2）.2）.大注入t0时Q0t=0时，Q=02（）（）dnrn=n的变化为初始条件为：
t=0时，（）Inns=0（）dt（）rs解方程得：
In=11=所以：
解方程得tIrrn+1nI，所以大注入时下降过程的光电导也是抛物线型光电导。
1sIrt+ssnI，所以大注入时下降过程的光电导也是抛物线型光电导。
三、弛豫时间和光电导的灵敏度三、弛豫时间和光电导的灵敏度11弛豫时间弛豫时间11、弛豫时间弛豫时间1）.1）.小注入t小注入时，光生载流子的寿命是一个定值。
因此有：
上升过程：
，当t时，有：
（1）tse=s=t0下降过程当t时有se=0=下降过程：
通常把小注入时的非平衡载流子的寿命称为弛豫时间，用T来表示，即小注入时，T=。
三、弛豫时间和光电导的灵敏度三、弛豫时间和光电导的灵敏度2）.2）.大注入大注入时nn和p此时载流子的寿命不再是定值大注入时，nn0和p0，此时载流子的寿命不再是定值。
（）tIrtghs=11sIrt=+下降过程：
定义弛豫时间为：
1IrT=弛豫时间的长短反应了半导体对光照的反应速度。
1Irt+Ir当t=T时，代入上式中，得导体对光照的反应速度。
弛豫时间长，表示反应较迟钝弛豫时间短则表示迟钝；
弛豫时间短则表示反应迅速。
（）0.761SSTtgh=（）ST下降过程（）2ST=下降过程：
三、弛豫时间和光电导的灵敏度三、弛豫时间和光电导的灵敏度2、光电导的灵敏度2、光电导的灵敏度定义：
单位光照度所引起的光电导称为光电导的灵敏度。
对于线性光电导，其灵敏度nIIT=对于线性光电导，其灵敏度ssnIIT=T即灵敏度显然，T越大，灵敏度越高，可以获得较大的ns。
但我们知道，T越大对光信号反应慢因此既要灵敏度高又要反应快这是矛盾的实大，对光信号反应慢。
因此，既要灵敏度高，又要反应快，这是矛盾的。
实际应用中，我们必须根据实际要求选用适当的材料。
以上的讨论是在忽略计陷阱作用的情进行的在实的半导体材以上的讨论是在忽略不计陷阱作用的情况下进行的，在实际的半导体材料中往往都有陷阱存在，陷阱的存在必然对半导体的光电导产生影响。
三、弛豫时间和光电导的灵敏度三、弛豫时间和光电导的灵敏度1）.少子陷阱：
（以n型材料为例，少子是空穴）光注入的非平衡空穴完全被陷阱俘获，使复合过程变慢，等效于非平衡载流子的寿命增大从而使材料的弛豫时间增长即：
少子陷阱的存在使半载流子的寿命增大，从而使材料的弛豫时间增长。
即：
少子陷阱的存在使半导体材料中光电导现象的弛豫时间增长（光电导的灵敏度提高）。
2）.多子陷阱：
（以n型高阻材料为例）设型高阻材料其内部除有大量的复合中心外还存在很大浓度的设：
一n型高阻材料，其内部除有大量的复合中心外，还存在很大浓度的电子陷阱。
光照产生的非平衡少子空穴被复合中心俘获而非平衡多子电子则被电子光照产生的非平衡少子空穴被复合中心俘获，而非平衡多子电子则被电子陷阱俘获，而不能复合，这必然增长了光电导上升的弛豫时间。
三、弛豫时间和光电导的灵敏度三、弛豫时间和光电导的灵敏度光照停止后，导带中的非平衡电子通过复合中心与空穴复合，同时，被陷阱俘获的电子也将逐步释放出来并通过复合中心与空穴复合所以光照停阱俘获的电子也将逐步释放出来，并通过复合中心与空穴复合，所以，光照停止后光电导的衰减时间将大大增长。
特别是对于能级较深的陷阱，所俘获电子的热激发率很小，这时，半导体光电导的衰减过程的长短（即衰减时间的长短）就决定于这个缓慢的释放电子光电导的衰减过程的长短（即衰减时间的长短）就决定于这个缓慢的释放电子过程，可见多数载流子陷阱能级的深度直接影响着半导体光电导弛豫时间的长短。
短。
综上所述，无论是少子陷阱还是多子陷阱，对半导体的光电导都有非常重要的影响。
光生伏特效应光生伏特效应用适当波长的光照射没有外加偏压的非均匀半导体（如pn结）或其它半导体结构时，由于光激发和半导体内建电场的作用，使半导体内部产生电动势，这种现象称为光生伏特效应。
这种现象称为光生伏特效应。
常见的光生伏特效应有：
1、PN结光生伏特效应2、体内光生伏特效应（丹倍效应）光磁电效应3、光磁电效应一、一、pn结光生伏特效应结光生伏特效应1、无光照1、无光照在p区和n区的界面附近形成空间电荷区和内建电场。
电子成空间电荷区和内建电场。
电子和空穴的漂移运动方向与各自的扩散运动方向相反达到一个动扩散运动方向相反，达到一个动态平衡时，即形成了一个保持一定宽度的空间电荷区区和定宽度的空间电荷区，p区和n区具有统一的费米能级，处于热平衡状态。
一、一、pn结光生伏特效应结光生伏特效应2、有光照2、有光照光照射到半导体上时，若光子Eh+能量大于禁带宽度，由于本征吸收使体内产生电子空穴对。
在小注入PN+______情况下，半导体的多数载流子浓度一般变化很小，然而少数载流子浓+__般变化很小，然而少数载流子浓度却变化很大，因此，这里主要考虑少子的运动。
h虑少子的运动。
一、一、pn结光生伏特效应结光生伏特效应在内建电场的作用下，p区的电子穿过pn结进入n区，而n区的空穴则进入p区，使p端电势升高，n端电势降低，于是在pn结两端形成了光生电动势。
这一现象就是pn结的光生伏特效应。
此时，p区和n区没有统一的费米能级，在半导体两端产生了一个光生电动势Vp区为正n区为负动势V，p区为正，n区为负。
ErLIqVqVDqVFIqV一、一、pn结光生伏特效应结光生伏特效应这相当于在pn结上加了一个外加正向电压V，使势垒降低为，DqVqV产生一个正向电流IF，但此时外电路开路，即pn结没有净电流通过，因此在pn结上必定还同时存在一个与IF大小相等、方向相反的电流IL，使通过FLpn结的净电流为：
I=IL+IF=0上式中的电流IL称为光生电流，pn结两端存在的电势差称为开路电压VOC。
如果将pn结的外电路接通且保持光照不停止，外电路中就有不间断的电流I通过，这时pn结起电源的作用，这就是光电池的基本原理。
一、一、pn结光生伏特效应结光生伏特效应3、光电池的伏安特性3、光电池的伏安特性h光电池工作时有三种电流存在：
pnLI+流过pn结的光生电流IL光生电压作用下的结正向电流IpnFIIR光生电压作用下的pn结正向电流IF电池外电路中的电流Ik其中，IL和IF都是流经pn结内部，两者方向相反。
外路中的流一、一、pn结光生伏特效应结光生伏特效应在正向电压作用下，pn结的正向电流为：
p0
（1）qVkTFSIIe=无光照I无光照I（）FS式中的IS是反向饱和电流，V为光生电压。
有光照有光照当外电路接通时，负载电阻R上的电流为：
VOCV路电V路电0
（1）qVkTLFLSIIIIIe=IV开路电压短路电流IV开路电压短路电流（）LFLSI短路电流伏安特性ISC短路电流伏安特性一、一、pn结光生伏特效应结光生伏特效应根据上式求出开路电压，外电路开路时，外电路中的电流等于零，即当VV时I0所以有当V=Voc时，I=0，所以有：
10TkqVocII由上式求出开路电压即=10TksLeII0ln
（1）LOCkTIV=+由上式可求出开路电压Voc，即（）OCSqI在短路状态，即V=0时，可求出短路电流Isc，即00
（1）kTLSLSCIIIeII=一、一、pn结光生伏特效应结光生伏特效应影响光电池开路电压Voc和短路电流Isc大小的因素有两个：
其一是光照能够产生大量的光生载流子；
其二是能够把产生的光生电子和光生空穴分离，能够产生大量的光生载流子；
其二是能够把产生的光生电子和光生空穴分离，即n区Lp以内的空穴能够扩散到达空间电荷区，并被自建电场扫向p区，p区L以内的电子能够扩散到达空间电荷区并被自建电场扫向n区hv区Ln以内的电子能够扩散到达空间电荷区，并被自建电场扫向n区。
设：
pn结的结面积为A，则两个扩散区+_p的体积为：
（L+L）ALnLp+_（Lp+Ln）A光生载流子数=产生率体积上式表示的是单位体积内产生的光生载流子数。
由于光的透入深度各不相同，这里的产生率通常取平均值，即。
QQ一、一、pn结光生伏特效应结光生伏特效应所以：
光生载流子数（）npLLAQ+=则：
（）npLLLAQqI+=（指从n区流向p区的电流，与IF相反）由于光的强度Q从V的表达式可以看到V随光强度的增加而增大但V最所以IL光的强度从VOC的表达式可以看到，VOC随光强度的增加而增大，但VOC最大也只能等于pn结的势垒高度VD。
光生伏特效应最重要的应用之一是太阳能电池。
二、体内光生伏特效应（丹倍效应）二、体内光生伏特效应（丹倍效应）在如图所示的装置中，当与光的照射方向平行的样品其厚度d小于光的透入深度时，在样品表面和内部之间会产生电位差。
入深度时，在样品表面和内部之间会产生电位差。
该效应产生的电动势约为：
00.026kTVq=伏qddd三、光磁电效应三、光磁电效应当在引起丹倍效应的样品上沿着与光垂直的方向施加一个磁场时，由丹倍效应引起的扩散电流受到洛仑兹力的作用而产生霍尔电动势，即在垂直于光和磁场应引起的扩散电流受到洛仑兹力的作用而产生霍尔电动势，即在垂直于光和磁场的方向产生电动势，把该现象称为光磁电效应。
光磁电效应产生的光生电动势比丹倍效应产生的电动势还要小得多光磁电效应产生的光生电动势比丹倍效应产生的电动势还要小得多。
半导体发光半导体发光概述概述由带间吸收及其它吸收过程而激发到半导体能带或局部能级中去的载流子会跃迁回到原来的基态能级而引起复合复合过程包括辐射复合和非辐子，会跃迁回到原来的基态能级而引起复合。
复合过程包括辐射复合和非辐射复合。
在非辐射复合过程中电子从高能态向低能态跃迁的同时向晶格发射声在非辐射复合过程中，电子从高能态向低能态跃迁的同时向晶格发射声子，向晶格传递等于跃迁前后能级差能量的热量。
而在辐射复合过程中，电子从高能级向低能级跃迁，伴随着发射光子。
这种由辐射复合引起的发光现象就称为半导体发光。
显然，半导体发光的过程实质上是一个能量转换的过程。
产生辐射复合的条件为：
半导体体内必须有某种激发过程存在，也就是说有一定数量的电子处于激发态上，通过这些处于激发态上的电子跃迁回基态的辐射复合，才可能实现发光。
概述概述根据激发方式的不同，可将物质的发光分为以下几类：
1、光致发光2、电致发光或场致发光3、阴极射线发光4、热致发光5、摩擦发光、摩擦发光6、化学发光在上述各类发光中，在半导体材料中最常观察到的是光致发光、电致发光和阴极射线发光。
在本节中我们重点讨论半导体中的电致发光。
一、辐射跃迁一、辐射跃迁半导体中电子从高能量状态到较低能量状态的电子跃迁过程，主要有图示的几种。
这些跃迁过程可以分为三类，即：
的几种。
A、有杂质或缺陷参与的跃迁；
B、带间跃迁即本征跃迁；
C、带内跃迁。
cEgEvE一、辐射跃迁一、辐射跃迁然而，上述的这几类跃迁并不一定都是辐射跃迁；
即就是它们全部都是辐射跃迁，也不一定能够在同一半导体材料内、并在相同的条件下同时发生。
作射跃迁，也不定能够在同半导体材料内、并在相同的条件下同时发生。
作为半导体发光材料，要求在半导体内部发生的跃迁必须是辐射跃迁占优势。
1、本征跃迁1、本征跃迁电子从导带跃迁到价带，并伴随着向外发射光子的过程，称为本征跃迁。
电子从导带跃迁到价带并伴随着向外发射光子的过程称为本征跃迁本征跃迁是本征吸收的逆过程。
对于直接禁带半导体，其本征跃迁为直接跃迁，显然，直接跃迁也是直接对于直接禁带半导体，其本征跃迁为直接跃迁，显然，直接跃迁也是直接吸收的逆过程，因此，直接跃迁的发光过程只有光子和电子参与，故其辐射效率较高率较高。
实际中，直接禁带半导体，以及-族、-族化合物半导体都是常用的发光材料如GA等的发光材料，如GaAs等。
一、辐射跃迁一、辐射跃迁对于间接禁带半导体，发生的带间跃迁是间接跃迁，间接跃迁是间接吸收的逆过程，即在间接跃迁过程中，除了有光子和电子参与外，还有声子参与。
因此，间接跃迁的几率比直接跃迁的几率小得多。
常见的Si、Ge材料是间接禁带半导体，它们的发光都比较弱。
22非本征跃迁非本征跃迁22、非本征跃迁非本征跃迁电子从导带跃迁到禁带中的杂质能级，即ECEA，或从禁带中的杂质能级跃迁到价带，即EDEV，或在杂质能级之间的跃迁，即EDEA，称为非本征跃迁。
在间接禁带半导体中，本征跃迁是间接跃迁，其发生的机称为非本征跃迁。
在间接禁带半导体中，本征跃迁是间接跃迁，其发生的机率很小，这时，非本征跃迁起主要作用。
一、辐射跃迁一、辐射跃迁对于某些杂质，在图示的三种跃迁过程中有发光现象存在。
但对于气态些杂质在这三种跃迁过程中则没有发光现象因此在半导体中掺入某些一些杂质在这三种跃迁过程中则没有发光现象。
因此，在半导体中掺入某些特殊的杂质，可以明显地增强半导体的发光，把这些杂质称为激活剂。
例如：
在-族间接禁带半导体GaP中，Zn、Cd、O、N、Te等都起激活剂的作用。
激活剂的作用cEEEDEDEgEAEAEvE二、发光效率二、发光效率在实际的发光过程中，总是同时存在着辐射复合（发射光子）和无辐射复合（发射声子）两个过程。
不同的材料这两种复合过程的几率各不相同，因此不同的材料具有不同的发光效率。
数单位时间内产生的光子空穴对数单位时间内注入的电子数单位时间内产生的光子内=内量子效率通常内值很高，几乎为100%，但此时材料真正发出的光并不多，这是因为材料发出的光又被材料本身吸收掉了为材料发出的光又被材料本身吸收掉了。
“外量子效率”描述材料总的发光效率，即空穴对数单位时间内注入的电子的光子数单位时间内发射到外部外=空穴对数单位时间内注入的电子三、电致发光激发机构三、电致发光激发机构11结注入发光结注入发光11、p-n、p-n结注入发光结注入发光p-n结处于平衡时，存在有一定的势垒区。
当外加正向偏压V时，势垒降低，pp区向n区注入空穴，而n区向p区注入电子。
在p-n结的势垒区和扩散区，这些非平衡少数载流子不断地与多数载流子复合而发光（即辐射复合过程）。
衡少数载流子不断地与多数载流子复合而发光（即辐射复合过程）。
产生发光的跃迁种类包含：
带间跃迁（本征跃迁）的发光h带间跃迁（本征跃迁）的发光hvg;
杂质能级与能带间跃迁产生的发光h和hhvD和hvA;
施主能级与受主能级之间跃迁产生的发光h等的发光hvDA等。
目前广泛使用的GaAs发光二极管和GaP发光二极管就是根据上述机构制造的。
三、电致发光激发机构三、电致发光激发机构22异质结注入发光异质结注入发光22、异质结注入发光异质结注入发光当给异质结施加正向偏压时，由于异质结势垒不对称，电子势垒和空穴势垒降低的程度不同，当施加的偏1gEFE压正好使p区和n区的价带等高时，对于p区的空穴来说不存在势垒，可以2gE平衡时的异质结能带图不断地向n区扩散，保证了少数载流子空穴向发光区的高注入效率。
而对平衡时的异质结能带图于n区的
升级会员 