半导体光电器件半导体光电器件的物理基础教学课件PPT.ppt

1 第2章半导体光电器件的物理基础 2 主要内容 2 2半导体与光的相互作用 2 3半导体的光吸收 2 4半导体的光发射 2 5光电效应 2 1光学基础 3 光谱与光子能量 2 1光学基础 光具有波粒二象性 既是电磁波 又是光子流 麦克斯韦 1831 1879 1860年麦克斯韦提出光是电磁波的理论 光在传播时表现出波动性 如光的干涉 衍射 偏振 反射 折射 波动光学 以光的电磁波本性为基础 研究传播规律 特别是干涉 衍射 偏振的理论和应用 4 1900年 普朗克提出了辐射的量子论 普朗克 1858 1947 量子光学 以光的量子理论为基础 研究光与物质相互作用的规律 1905年 爱因斯坦将量子论用于光电效应 提出光子理论 光与物质作用时表现出粒子性 如光的发射 吸收 色散 散射 爱因斯坦 1879 1955 20世纪60年代激光问世后 光学有了飞速的发展 形成了非线性光学等现代光学 5 图1电磁辐射波谱 6 光波 波长为10 106nm的电磁波可见光 波长380 780nm紫外线 波长10 380nm 波长300 380nm称为近紫外线波长200 300nm称为远紫外线波长10 200nm称为极远紫外线红外线 波长780 106nm波长3 m 即3000nm 以下的称近红外线波长超过3 m的红外线称为中红外线波长超过14 m的红外线称为远红外线 7 h 普郎克常数 光子能量公式 光子动量公式 光子的波长 c 光速 两公式等号左边表示光为微粒性质 光子能量与动量 等号右边表示光为波动性质 电磁波频率和波长 光电转换一般使用固体材料 利用其量子效应 从固体能级来说 具有从0 1ev到几个ev能量的转换比较容易 即比较容易在十几微米的红外到200nm左右的紫外范围内进行高效率的能量转换 8 辐射度学与光度学 辐射度学 是一门量度电磁辐射能的科学技术 它不受人眼主观视觉限制 建立在物理测量基础上 辐射度量适用于整个电磁波谱范围 光度量 以人眼对入射辐射刺激所产生的视觉为基础 反映人眼视觉特性的光辐射量 只适用于可见光部分 9 1 辐射度的基本物理量 辐射通量 e radiantflux 又称 辐射功率pe radiantpower 定义 单位时间内通过一定面积发射 传播或接受的能量 定义式 单位 瓦特 或焦耳 秒 j s 辐射能 e radiantenergy 定义 以辐射的形式发射 传播或接受的能量 主要指紫外 可见光和红外辐射 单位 焦耳 10 辐射强度 ie radiantintensity 点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量 即 单位 瓦特 球面度 w sr 定义 从辐射源表面单位面积发射的辐射通量 定义式 单位 w m2 辐射出射度 me radiantexitance 11 定义 投射到单位接收面积的辐射通量 单位 w m2 辐射照度 ee irradiance 定义 面辐射源在某方向上单位投影面积单位立体角发出的辐射通量 式中 是给定方向和辐射源面元法线间的夹角 单位 w sr m2 辐射亮度 le radiance 12 辐射一般由各种波长组成 每种波长的辐通量各不相同 总的辐通量为各个组成波长的辐通量的总和 给定波长 0处极小波长间隔d 内的辐通量d e称为光谱辐射量 又称辐射量的光谱密度 光谱辐射量 辐射源的总辐射通量 e为 13 光谱辐射照度 光谱辐射出射度 光谱辐射亮度 相应的 对于其他辐射量 也有类似的关系 14 2 光度的基本物理量 由于人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应 故用辐射度单位描述的光辐射不能正确反应人的亮暗感觉 光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位 在光频区域光度学的物理量可以用与辐度学的基本物理量对应的来表示 光度学中以光强的单位 坎德拉 作为基本单位 其他光度量的单位作为导出单位 15 光谱光视效能k 接收器对不同波长电磁辐射的响应程度 反应灵敏度 称为光谱响应度或光谱灵敏度 对人眼来说采用光谱光视效能来表征不同波长辐射下的响应能力 光谱光视效能k 反映了同一波长下光谱光通量与光谱辐通量之比 即k v e 人眼在波长 m 555nm时 k 最大 记km 683lm w 1 m 555nm称为峰值波长 对于某给定波长下的k 定义光谱光视效率v 为 v k kmv 又称为视见函数 16 各种波长的平均v 如图所示 图中实线为在视场较亮时测得的 称为明视觉v 曲线 虚线为在视场较暗时测得的 称为暗视觉v 曲线 所有光度计量均以明视觉的v 为基础 明视觉 555nm暗视觉 507nmv 555 1 17 人眼对等量的不同波长的可见光辐射能所产生的光感觉是不同的 定义光谱辐射通量为 e 的可见光辐射 所产生的视觉刺激值为光通量 km 683lm w v 555 1 当 e 555 1w时 v 555 683lm 对含有不同光谱的辐射通量的辐射量 它所产生的光通量为 对于其它光度量也有类似的关系 用一般的函数表示为 18 辐射能qe 光通量 v 19 常用辐射度量和光度量之间的对应关系 注 20 2 2半导体与光的相互作用 光子和固体内的电子之间有三种主要的相互作用过程 a 受激吸收 b 自发辐射 c 受激辐射 当能量为的外来光入射时 将会引起低能态的电子跃迁到高能态 这一过程称为吸收 e2 e1 hv e1 e2 a 吸收 hv 21 设n1 n2分别为单位体积中处于e1 e2能级的电子数 则单位体积中单位时间内因吸收光子而从e1 e2的电子数为 w12 单个电子在单位时间内发生吸收过程的概率 b12 吸收系数 w12 12 t 则有 间隔内外来辐射的能量密度 设 t 是温度为t时 频率 e2 e1 h附近单位频率 22 处于高能态的电子自发地跃迁回低能态 并放出一个能量为hv的光子 这个过程即称为自发辐射 各原子自发辐射的光是独立的 无关的非相干光 e1 e2 b 自发辐射 hv 23 设n1 n2为单位体积中处于e1 e2能级的电子数 则在单位体积中单位时间内从e2 e1自发辐射的电子数为 自发辐射系数 单个电子在单位时间内发生自发辐射的概率 21 自发辐射系数 24 当能量为的外来光入射时 会引起高能态的电子跃迁到低能态 同时放出一个与入射辐射同相位 能量为的光子 这个过程即称为受激辐射 受激辐射光与外来光的频率 偏振方向 相位及传播方向均相同 全同光子 的相干光 有光放大作用 e1 e2 c 受激辐射 hv hv hv 25 单位体积中单位时间内从e2 e1的受激辐射的电子数为 w21 b21 t 单个电子在单位时间内发生受激辐射过程的概率 b21 受激辐射系数 间隔内外来辐射的能量密度 t 是温度为t时 频率 e2 e1 h附近单位频率 26 a21 b21 b12统称为爱因斯坦系数 1 三个系数a21 b12 b21 均是粒子能级结构的特征量 和外电磁场 t 无关 2 三种几率 a21和外电磁场无关 而w12 w21与外电磁场 t 有关 爱因斯坦三系数的相互关系 27 若对应于同一个辐射场 v t 有 w12 b12 v t b21 v t w21 推出重要结论 w12 w21而 对相同的dt w12 w21 而n1 n2则 dn21 dn12 单位时间内受激辐射的电子数 爱因斯坦从理论上得出 b21 b12 a21大 则b12也大 28 结论 1 其他条件相同时 受激辐射和受激吸收具有相同几率 2 热平衡状态下 高能级上电子数少于低能级上电子数 故正常情况下 吸收比受激辐射更频繁 其差额由自发辐射补偿 3 自发辐射的出现随而增大 故波长越短 自发辐射几率越大 29 2 3半导体的光吸收 当光子在半导体中传播时 在距表面x处单位时间 单位距离上被吸收的光子数应当正比于该处的光子通量 式中比例系数 叫做吸收系数与材料及入射光波长有关 30 在半导体的另一端 图b x w处 光子通量为 的物理意义 相当于光在半导体中传播1 距离时能量减弱到原来能量的1 e 当x 0时 x 0 方程 2 1 的解为 对于吸收系数很大的情况 光的吸收实际上集中在晶体很薄的表面层内 31 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 形成电子 空穴对 这种吸收过程叫本征吸收 本征吸收 光吸收在截止波长 0处急剧下降 本征吸收的长波限 产生本征吸收的条件 入射光子的能量至少要等于材料的禁带宽度eg 32 直接跃迁 导带的最低位置位于价带最高位置的正上方 这种直接带隙半导体在本征吸收过程中 产生电子的直接跃迁 如gaas insb及 族等材料等 间接跃迁 导带的最低位置不位于价带最高位置的正上方 在这种半导体中 除了直接跃迁外 还存在着非直接跃迁过程 在非直接跃迁过程中 电子不仅吸收光子 同时还有声子的参与 33 34 非本征吸收波长比本征吸收限长的光波在半导体中往往也能被吸收 为非本征吸收 非本征吸收主要包括如下几种类型 激子吸收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于本征吸收波长阈值的红外一侧 激子能级图 激子吸收光谱 35 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 36 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 杂质吸收中的电子跃迁 杂质吸收曲线 37 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 一般情况下只考虑本征吸收 可认为硅对波长大于1 15 m的光透明 38 2 4半导体的光发射 电子从高能级向较低能级跃迁时 必然释放一定的能量 如果跃迁过程伴随着发出光子 这种跃迁称为辐射跃迁 电子的辐射跃迁 2 4 1辐射跃迁 39 1 有杂质或缺陷参与的跃迁 导带电子跃迁到未电离的受主能级 与受主能级上的空穴复合 如过程a 中性施主能级上的电子跃迁到价带 与价带中空穴复合 如过程b 中性施主能级上的电子跃迁到中性受主能级 与受主能级上的空穴复合 如过程c 2 带与带之间的跃迁 导带底的电子直接跃迁到价带顶部 与空穴复合 如过程d 导带热电子跃迁到价带顶与空穴复合 或导带底的电子跃迁到价带与热空穴复合 如过程e 3 热载流子在带内跃迁 如过程f 4 激子复合 在一定条件下 激子中的电子和空穴复合发光 而且效率可以相当高 激子复合所产生的光子的能量小于禁带宽度 5 等电子陷阱复合 在一些间接带隙半导体中 等电子杂质替代晶格基质原子 因其原子大小和电负性等性质与基质原子不相同 造成电子和空穴的束缚态 其作用好象陷阱 故通常称之为等电子陷阱 利用等电子陷阱复合 可以使间接带隙材料的发光效率得到提高 41 本征跃迁 导带的电子跃迁到价带 与价带空穴相复合 伴随着发射光子 称为本征跃迁 是本征吸收的逆过程 直接跃迁 发光效率高 42 间接跃迁 有声子参与 发光效率低 43 非本征跃迁 电子从导带跃迁到杂质能级 或杂质能级上的电子跃迁入价带 或电子在杂质能级之间的跃迁 都可以引起发光 这种跃迁称为非本征跃迁 施主与受主之间的跃迁 施主与受主之间的跃迁效率高 多数发光二极管属于这种跃迁机理 r较小时 得到分裂的谱线 r较大时 发射谱线越来越靠近 最后出现一发射带 r相当大时 发射随杂质间距离增大而减小 44 2 4 2无辐射跃迁 1 多声子跃迁 晶体中的电子与空穴复合时 可以激发多个声子 从而释放出其能量 多声子跃迁是一个概率很低的多级过程 2 俄歇复合 电子 空穴复合时 将其多余的能量传输给第三个载流子 使第三个载流子在原来所在的导带或价带内激发 跳到同一能带中较高的位置上 然后在能带的连续带中进行多声子跃迁 释放掉其多余的能量 再回到其初始的状态 这整个过程称之为俄歇复合 45 3 表面复合与界面态复合 晶体表面的晶格中断 产生悬键 能够产生高浓度的 深的或浅的能级 组成异质结的两种材料的晶格常数总会有所差别 在界面处的晶格失配必然会引进界面态 同样产生高浓度的 深的或浅的能级 表面复合与界面态复合就是通过表面或界面连续的跃迁进行的 因而也是非辐射复合 46 2 4 3发光效率 通常用 内部量子效率 内和外部量子效率 外来表示示发光效率 只有当时 才能获得有效的光子发射 47 辐射复合所产生的光子并不能全部都离开晶体向外发射 原因 再吸收 发生反射而返回到晶体内部 发红光的gap zn o 发光二极管 室温下 外最高可达15 发绿光的gap n 外仅有0 7 晶体的吸收随着温度的升高而增大 因而 发光效率随温度升高而下降 48 带隙合适 如果带隙不合适可采用混晶 改变其元素组分值可将带隙调节到所需要的范围 光电器件对制备芯片材料的要求 晶体质量优良 晶体杂质 缺陷少 可以提高少数载流子寿命 从而提高发光或探测效率 能通过掺杂形成高电导率的 型和 型 以便制成pn结 为了提高发光或探测效率 应尽量采用电子跃迁几率大的直接带隙半导体 如gaas 对间接带隙半导体要掺入等电子陷阱杂质 以形成发光几率大的高浓度发光中心 49 例1 一0 25 m厚的单晶硅样品被一能量为3ev的单色光照射 其入射功率为10mw 试求此半导体每秒所吸收的总能量 多余热能耗散到晶格的速率以及通过本征跃迁的复合作用每秒所放出的光子数 解 根据资料图知单晶硅的吸收系数为4 104cm 1 则每秒所吸收的能量为 每一光子能量转换成热能的比例为 因此 每秒耗散到晶格的能量为 又因为在1 12ev 光子时 复合辐射需要2 4mw 即6 3mw 3 9mw 的能量 所以每秒通过复合作用放出的光子数目为 62 7 6 3mw 3 9mw 50 光电效应 外光电效应 内光电效应 光电发射效应 光电导效应 光生伏特效应 光照射到物体表面上使物体发射电子 电导率发生变化或产生光电动势等 这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应 2 5光电效应 51 光照变化引起半导体材料电导变化的现象称光电导效应 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 2 5 1光电导效应 52 附加电导率 无光照时 半导体样品的暗电导率应为 设光注入的非平衡载流子的浓度分别为 及 附加光电导率 光电导的相对值 光敏电阻一般由高阻材料制成或者在低温下使用 53 定态光电导及其驰豫过程 定态光电导是指恒定光照下产生的光电导 设在某一时刻开始以强度i的光照射半导体表面 则经过t秒后 光生载流子浓度应为 光生载流子浓度随时间的变化 定态光电导率为 和 表征光和物质的相互作用 决定着光生载流子的激发过程 和 表征载流子与物质之间的相互作用 决定着载流子的运动和非平衡载流子的复合过程 54 光照后经过一定的时间才能达到定态光电导 同样 当光照停止后光电导也是逐渐地消失 这种在光照下光电导率逐渐上升和光照停止后光电导率逐渐下降的现象 称为光电导的弛豫现象或叫做光电导的