半导体的光学性质.ppt
第十章 半导体的光学性质,&10.1 半导体的光学常数10.2 半导体的光吸收10.3 半导体的光电导,&10.1 半导体的光学常数,一、折射率和吸收系数 复数折射率：其中n是通常的折射率 k则是表征光能衰减的参量，称为消光系数,称为吸收系数，单位cm-1,&10.1 半导体的光学常数,&10.1 半导体的光学常数,光学常数n,k和电学常数的关系,根据,得,&10.1 半导体的光学常数,二、反射系数和透射系数,反射系数R,透射系数T,光透过厚度为d的样品时，透射系数和反射系数、吸收系数的关系,10.2 半导体的光吸收,一、本征吸收二、直接跃迁和间接跃迁三、激子吸收四、自由载流子的吸收五、杂质吸收,10.2 半导体的光吸收,当一定波长的光照射半导体时，若 则价带电子吸收光子跃迁到导带。这种电子由带与带之间的跃迁所形成的吸收过程，称为本征吸收。本征吸收发生的条件：,一、本征吸收,即：光子的频率下限 当 才能发生本征吸收 光子的波长上限 当 才能发生本征吸收例如：Si Eg=1.12eV 0=1.1m GaAs Eg=1.43eV 0=0.867m CdS Eg=2.42eV 0=0.513m,10.2 半导体的光吸收,光谱与波长和禁带宽度之间的关系,10.2 半导体的光吸收,二、直接跃迁和间接跃迁,1、直接跃迁 电子与光子的相互作用过程中，满足：能量守恒：动量守恒：,10.2 半导体的光吸收,电子吸收光子产生跃迁时波矢保持不变电子跃迁的选择定则,本征吸收为一连续的吸收带,10.2 半导体的光吸收,几种半导体材料的吸收系数与波长的关系,10.2 半导体的光吸收,2.间接跃迁,既有电子与光子的相互作用，同时还有电子和声子的相互作用，其发生的概率比直接跃迁发生的概率小 能量守恒：动量守恒：,10.2 半导体的光吸收,Ep代表声子能量，代表声子的波矢，“+”表示吸收声子，“-”表示发射声子。理论分析得到：时，吸收声子和发射声子的跃迁均可发生,10.2 半导体的光吸收,时，只能发生吸收声子的过程当 时，跃迁不能发生，=0,10.2 半导体的光吸收,间接吸收：1103/cm,直接吸收：104106/cm 研究半导体的本征光吸收，不仅可以获得Eg还有助于了解能带的复杂结构，也可以作为区分直接带隙和间接带隙半导体的重要依据。,10.2 半导体的光吸收,三.激子的吸收,激子：半导体中相互束缚而结合在一起的一对电子-空穴对，这一系统称为激子。激子在晶体中某一部位产生后，并不停留在该处，可以在整个晶体中运动。但由于它作为一个整体是电中性的，因此不形成电流。激子是一对束缚的电子-空穴对，类似于氢原子。,10.2 半导体的光吸收,激子形成一系列的能级,10.2 半导体的光吸收,电子和空穴的折合质量,激子吸收：光子能量hvEg时，价带电子受激发后虽然跃出了价带，但还不足以进入导带而形成自由电子，仍然受到空穴的库仑场作用，受激的电子-空穴形成束缚在一起的激子。激子可以在半导体中运动，但不形成电流。激子在运动过程中可以通过两种途径消失，一种通过热激发成为自由的电子-空穴，另一种电子-空穴复合。,10.2 半导体的光吸收,四.自由载流子的吸收,自由载流子在同一带内的跃迁所引起的，称为自由载流子的吸收。满足：能量守恒：动量守恒：,10.2 半导体的光吸收,同时伴随有声子的吸收和发射过程。在P区半导体中，价带有三个带，可观察到三条吸收谱线，吸收谱线的精细结构研究半导体有重要意义，是确定价带具有重叠结构的重要依据。,10.2 半导体的光吸收,五.杂质吸收,束缚在杂质能级上的电子、空穴也能引起光的吸收。束缚态的电子不具有准动量。,10.2 半导体的光吸收,10.3 半导体的光电导,半导体被光照射之后，产生非平衡过剩载流子，载流子浓度增加使半导体电导率增大。由光照引起半导体电导率增加的现象称为光电导。,一.附加电导率,无光照（暗电导）：光照后：产生非平衡载流子,10.3 半导体的光电导,附加光电导,10.3 半导体的光电导,光电导：,电导率的改变量,10.3 半导体的光电导,利用半导体材料的电阻率（电导率）随光照不同而改变的现象制成的电阻叫光敏电阻。大，对光敏感，灵敏度高，no,po小，高阻材料制成，低温下使用。实践证明，有一些半导体材料中，光生少数过剩载流子被陷阱俘获，只有过剩多子对附加光电导有贡献。,如：p型CdO2中本征光电导主要是空穴的贡 献，少子被陷阱俘获 n型CdS中本征光电导主要是电子的贡 献，少子处于被陷阱俘获 杂质吸收和杂质光电导是研究杂质能级 的一种重要方法。,10.3 半导体的光电导,二、定态光电导及其驰豫过程,定态光电导：在恒定光照下产生的光电导。分析与哪些因素有关I光强：单位时间通过单位面积的光子数吸收系数：,10.3 半导体的光电导,吸收率：单位时间单位体积内吸收的光子I量子产额：吸收一个光子能产生一对电子-空穴对的几率，1电子-空穴对的产生率：Q=I设某一时刻开始 t=0，光照半导体,10.3 半导体的光电导,复合过程：产生和复合过程达到稳定，Ud=G-R恒定半导体中的n,p达到恒定值，ns,ps s定态光电导电子、空穴寿命：n、p,10.3 半导体的光电导,、表征光和物质的相互作用，决定着光生载流子的激发过程、表征载流子与物质的相互作用，I外部条件,10.3 半导体的光电导,驰豫过程：光照下光电导逐渐上升和光照停止后光电导逐渐下降的过程，称为光电导的驰豫过程。小注入：大注入：,10.3 半导体的光电导,10.3 半导体的光电导,10.3 半导体的光电导,初始条件：t=0,n(0)=0n(0)=A+In,A=-In当tn 时，达到稳定，ns=In,10.3 半导体的光电导,光照停止后：停止作为计时起点，t=0,n(0)=In,光电导上升过程,光电导下降过程,10.3 半导体的光电导,大注入：,在强注入的情况下，光电导驰豫过程比较复杂。,寿命不再是定值，而是光照强度和时间的函数,三、光电导的灵敏度及光电导增益,灵敏度：单位光照度引起的光电导,10.3 半导体的光电导,越长，可以得到较大的ns，灵敏度高但长，光电导 驰豫过程长，上升缓慢，短，反应快对高频光信号，要小才能跟得上变化,10.3 半导体的光电导,四、复合和陷阱对光电导的影响,研究光电导光生载流子的复合过程陷阱、复合中心寿命 杂质能级具有积累非平衡载流子的作用 光注入的载流子不一定是小注入，可以是大注入（会发生陷阱作用）,10.3 半导体的光电导,1。少数载流子的陷阱作用,N型半导体中，存在复合中心和空穴陷阱，则光生的大部分空穴被陷阱俘获，大大降低了电子-空穴复合率，陷阱中的空穴先被激发到价带，然后被复合中心俘获，再与光生电子复合。这样延长了过剩载流子的寿命，使光电导灵敏度增大 少数载流子陷阱有增加定态光电导灵敏度的作用。,2多数载流子陷阱作用,N型半导体中，存在复合中心，还存在浓度很大的电子陷阱，于是在光照下，光生的电子大部分被陷阱俘获，使被陷电子浓度大于非平衡电子浓度陷阱填充将大大增长光电导上升的驰预时间光照停止后，光电导衰减时间将大大增长多数载流子陷阱增长了光电导上升和下降的驰豫过程。,5 本征光电导的光谱分析,
