半导体物理 第10章 半导体的光学性质ppt课件

1、整理课件第第1010章章 半导体的光学性质半导体的光学性质和光电与发电现象和光电与发电现象 10.1 10.1 半导体的光吸收半导体的光吸收 10.210.2 半导体的光电导半导体的光电导 10.310.3 半导体的光生伏特效应半导体的光生伏特效应 10.410.4 半导体发光及半导体激光半导体发光及半导体激光整理课件10.1 10.1 半导体的光吸收半导体的光吸收10.1.110.1.1吸收系数，反射系数和透射系数吸收系数，反射系数和透射系数n1 1 半导体的光吸收系数半导体的光吸收系数用透射法测定光在媒质（半导体）中的用透射法测定光在媒质（半导体）中的衰减时发现，光的衰减与光强成正比，衰减

2、时发现，光的衰减与光强成正比，若引入正比例系数若引入正比例系数（光吸收系数）（光吸收系数） dII xdx 光强在半导体媒质中的衰减规律光强在半导体媒质中的衰减规律 0expI xIxI I0 0表示在表面（表示在表面（x=0 x=0）处入射光的强度）处入射光的强度的物理意义的物理意义：光入射导半导体内被吸收，使光强减小到原值的：光入射导半导体内被吸收，使光强减小到原值的1/e1/e时，时，光波在半导体中所传播的距离即是吸收系数的倒数。光波在半导体中所传播的距离即是吸收系数的倒数。整理课件n由电磁场理论，光波在媒质（半导体）中传播，由电磁场理论，光波在媒质（半导体）中传播，光强光强I I随传播

3、距离随传播距离x x的变化的变化式中，式中，为光波角频率；为光波角频率；c c为光速；为光速；k k为消光系数为消光系数 吸收系数表示式吸收系数表示式为入射光在自由空间的波长为入射光在自由空间的波长 02expkxI xIc24kkxc整理课件n2 2 反射系数和透射系数反射系数和透射系数反射系数：指界面反射能流密度和入射能反射系数：指界面反射能流密度和入射能流密度之比，用流密度之比，用R R表示（表示（n n为媒质折射率）为媒质折射率）透射系数：指透射能流密度和入射能流密透射系数：指透射能流密度和入射能流密度之比值，用度之比值，用T T表示（表示（d d是半导体样品厚度）是半导体样品厚度）2

4、22211nkRnk21expTRd整理课件10.1.2 10.1.2 本征吸收本征吸收光吸收光吸收: :光在电介质中传播时强度衰减的现象光在电介质中传播时强度衰减的现象。禁带中能级与能带之间禁带中能级与能带之间间；间；同一能带的不同状态之同一能带的不同状态之不同能带的状态之间；不同能带的状态之间；.321电子吸收光子能量后电子吸收光子能量后将跃迁（即能量状态将跃迁（即能量状态密度）密度）1.1.本征吸收本征吸收：电子由价带向导带的跃迁所引起的光吸收。它：电子由价带向导带的跃迁所引起的光吸收。它是最重要的吸收，又叫基本吸收。是最重要的吸收，又叫基本吸收。本征吸收产生电子本征吸收产生电子- -空

5、穴对，从而引起光电导。空穴对，从而引起光电导。整理课件2.2.本征吸收限本征吸收限)(24. 1:000000meVEeVEhcEhhggg ：本征吸收长波限：本征吸收长波限率限；率限；引起本征吸收的最低频引起本征吸收的最低频为本征吸收限。为本征吸收限。，3.3.吸收谱吸收谱 。强强衰衰减减为为原原来来的的长长度度时时，光光中中传传播播为为吸吸收收系系数数，光光在在介介质质；的的关关系系或或与与吸吸收收系系数数eeIxIhx/1/10 04816122550751001cm 的吸收谱的吸收谱InSb整理课件n电子跃迁要求电子跃迁要求 能量守恒，准动量守恒。能量守恒，准动量守恒。能量守恒和动量守

6、恒能量守恒和动量守恒上式近似写成上式近似写成EhEaEhhEhkhqhk光子动量hkhqhk整理课件4. 4. 直接跃迁（竖直跃迁）直接跃迁（竖直跃迁） 概念：在本征吸收过程中，价带中的一个电子仅仅只概念：在本征吸收过程中，价带中的一个电子仅仅只吸收一个光子，而不涉及与晶格振动交换能量，便被激吸收一个光子，而不涉及与晶格振动交换能量，便被激发到导带中去的跃迁过程。发到导带中去的跃迁过程。 跃迁前后能量改变为跃迁前后能量改变为跃迁前后动量没有改变跃迁前后动量没有改变EEEhhkhkkk整理课件n直接带隙材料：导带极小直接带隙材料：导带极小值和价带极大值都处于同值和价带极大值都处于同一波失一波失k

7、的半导体材料的半导体材料（GaAs, GaSb）整理课件n5. 5. 间接跃迁（非竖直跃迁）间接跃迁（非竖直跃迁） 概念：在半导体本征吸收过程中电子激发，不但吸概念：在半导体本征吸收过程中电子激发，不但吸收光子的能量而且还与晶格热振动交换能量的跃迁收光子的能量而且还与晶格热振动交换能量的跃迁过程。过程。跃迁前后能量改变为跃迁前后能量改变为跃迁前后动量没改变跃迁前后动量没改变EEEhhkhkhqkkq整理课件n间接带隙材料：导带间接带隙材料：导带极小值和价带极大值极小值和价带极大值不在同一波失不在同一波失k的半导的半导体材料（体材料（Si, Ge）整理课件10.1.310.1.3 其它吸收过程其

8、它吸收过程 比本征吸收限波长还长的光子也能被吸收：激子吸收、自比本征吸收限波长还长的光子也能被吸收：激子吸收、自由载流子吸收和杂质吸收。由载流子吸收和杂质吸收。1. 1. 激子吸收激子吸收 某些半导体掺有某些杂质，其能带结构在禁带中存在一系列的某些半导体掺有某些杂质，其能带结构在禁带中存在一系列的类氢的受激状态，价带中的电子吸收光子的能量之后被激发到这类氢的受激状态，价带中的电子吸收光子的能量之后被激发到这些类氢的受激状态中去，形成所谓激子的光吸收过程。些类氢的受激状态中去，形成所谓激子的光吸收过程。 实验证明，在低温下某些晶体在本征连续吸收光谱出现之前，实验证明，在低温下某些晶体在本征连续吸

9、收光谱出现之前，即即h0 稳定值，稳定值，时时，则有，则有时时，设设变化过程变化过程光照后非平衡载流子的光照后非平衡载流子的t tnU ，由连续性方程得由连续性方程得复合率为复合率为1000（1 1）小注入（直线性光电导）小注入（直线性光电导）整理课件 t tt t t ttstsseentnnntndtnd 所以所以，停止光照后停止光照后0012 3 4 012 3 4 t tt s 光照光照停止光照停止光照snnppqIb t t定态光电导：整理课件（2 2）强注入（抛物线性光电导）强注入（抛物线性光电导） nU2g g形形，直接复合情直接复合情 tIItnnntndtndInnttIIn

10、ntnIdtndss21212212121211000g gbbg gbbg gg gbbg gbbg gbbg gbb，时，时，tanh1/2snpIqbg定态光电导：整理课件n（3 3）光电导灵敏度）光电导灵敏度 一般指单位光照度引起的光电导。在一定光照下，定态一般指单位光照度引起的光电导。在一定光照下，定态光电导光电导s s（对应（对应n ns s）越大，其灵敏度也越高。无论）越大，其灵敏度也越高。无论单分子复合过程或是双分子复合过程都可表示单分子复合过程或是双分子复合过程都可表示即即光电导的弛豫时间越短，光电导的定态值也越小（即灵敏光电导的弛豫时间越短，光电导的定态值也越小（即灵敏度越

11、低）度越低）弛豫时间产生率sn2/12/11rIIIInsbbtbttb整理课件10.2.3 10.2.3 复合中心和陷阱对光电复合中心和陷阱对光电导的影响导的影响n高阻光电材料中典型的高阻光电材料中典型的复合中心对光电导的影响。复合中心对光电导的影响。这样的材料对光电导起决定这样的材料对光电导起决定作用的是非平衡多数载流作用的是非平衡多数载流子，因为非平衡少数载流子子，因为非平衡少数载流子被陷在复合中心上，等待与被陷在复合中心上，等待与多数载流子的复合。多数载流子的复合。整理课件n复合中心和多数载复合中心和多数载流子陷阱作用。延流子陷阱作用。延长了光电导的上升长了光电导的上升和下降的驰豫时间

12、，和下降的驰豫时间，降低了定态光电导降低了定态光电导灵敏度。灵敏度。整理课件n少数载流子陷阱作少数载流子陷阱作用，增加了定态光用，增加了定态光电导的灵敏度。电导的灵敏度。整理课件10.3 10.3 半导体的光生伏特效应半导体的光生伏特效应 用适当波长的光照射非均匀半导体，例如用适当波长的光照射非均匀半导体，例如P-NP-N结和金属结和金属- -半导体接触等，由于势垒区中内建电场半导体接触等，由于势垒区中内建电场（也称为自建电场）的作用，依据外回路电阻的（也称为自建电场）的作用，依据外回路电阻的大小，可以检测出光生电流，或者得到光生电压。大小，可以检测出光生电流，或者得到光生电压。这种由内建电场

13、引起的光电效应，称为这种由内建电场引起的光电效应，称为光生伏特光生伏特效应。效应。整理课件n1 1 光生伏特效应产生机理光生伏特效应产生机理当一定频率范围的光照射在当一定频率范围的光照射在P P型半导体型半导体阻挡层，阻挡层中的本征吸收产生光生非阻挡层，阻挡层中的本征吸收产生光生非平衡载流子，导带的光生非平衡电子在接平衡载流子，导带的光生非平衡电子在接触电场触电场E0E0作用下被拉向金属一边，而价带作用下被拉向金属一边，而价带光生非平衡空穴被光生非平衡空穴被E0E0拉向半导体一边，形拉向半导体一边，形成一股由金属流向半导体的光致电流。光成一股由金属流向半导体的光致电流。光致电流使半导体一边带上

14、正电荷而金属一致电流使半导体一边带上正电荷而金属一边带上负电荷，相当于在阻挡层两边加上边带上负电荷，相当于在阻挡层两边加上正向电压而使势垒降低，形成一股与光致正向电压而使势垒降低，形成一股与光致电流相反的漂移电流。当光致电流与漂移电流相反的漂移电流。当光致电流与漂移电流恰好抵消时，达到平衡状态。此时在电流恰好抵消时，达到平衡状态。此时在金属和半导体之间建立起一定的光生伏特金属和半导体之间建立起一定的光生伏特电势差。电势差。整理课件n2 2 光电池的电流光电池的电流- -电压特性电压特性 金属和金属和p p型半导体接触阻挡层的光致电流为型半导体接触阻挡层的光致电流为式中：式中：A A为接触面积；

15、为接触面积；N0N0为在单位时间内单位接触面为在单位时间内单位接触面积从表面到扩散区内产生的电子积从表面到扩散区内产生的电子- -空穴对数；空穴对数；为入为入射光平均深入的距离；射光平均深入的距离；d d为耗尽宽度为耗尽宽度dLqANInLexp10整理课件nP-nP-n结光致电流表示结光致电流表示式中：式中：A A为为p-np-n结面积；结面积； 为扩散长度为扩散长度(L(Ln n+L+Lp p) )内内电子电子- -空穴对的平均产生率；空穴对的平均产生率；L Ln n和和L Lp p分别为电子和分别为电子和空穴的扩散长度。空穴的扩散长度。npLLLAQqIQ整理课件n当特定频率的稳定光照射

16、光电池时，假设光电当特定频率的稳定光照射光电池时，假设光电池两端的电压为池两端的电压为V V，这个电压就相当于加在阻，这个电压就相当于加在阻挡层（或挡层（或p-np-n结）上的正向偏压，通过阻挡层结）上的正向偏压，通过阻挡层的正向电流的正向电流n式中：式中：V V为光电池的光生电压；为光电池的光生电压；IsIs为反向饱和为反向饱和电流。电流。1exp0TkqVIIsF整理课件n光电池与负载相连，负载上电流光电池与负载相连，负载上电流I I上式是光电池的伏安特性。另外可得上式是光电池的伏安特性。另外可得1exp0TkqVIIIIIsLFL1ln0sLIIIqTkV整理课件n光电池开路电压（光电池

17、开路电压（I=0I=0）n光电池短路电流（光电池短路电流（V=0V=0）1ln0sLOCIIqTkVLSCII整理课件n例题例题 已知由金属和已知由金属和p p型半导体为理想接触阻型半导体为理想接触阻挡层而制成的一种光电池，室温下无光照时挡层而制成的一种光电池，室温下无光照时反向饱和电流为反向饱和电流为10108 8mAmA，当光电池在特定光，当光电池在特定光波照射下，开路电压为波照射下，开路电压为0.52V0.52V，若已知接上负，若已知接上负载时，流过负载的电流为载时，流过负载的电流为4.5mA4.5mA，求光电池输，求光电池输出负载的功率。出负载的功率。整理课件10.4 10.4 半导体

18、发光及半导体激光半导体发光及半导体激光10.4.1 10.4.1 辐射跃迁与半导体发光辐射跃迁与半导体发光n电子的跃迁伴随着发射光子，电子的跃迁伴随着发射光子，称为称为辐射跃迁辐射跃迁n跃迁过程不发射光子，称为跃迁过程不发射光子，称为无辐射跃迁无辐射跃迁n半导体中电子产生有辐射跃半导体中电子产生有辐射跃迁未必就能向外发射光子，迁未必就能向外发射光子，只有在辐射跃迁占优势，发只有在辐射跃迁占优势，发射的光子数大于被吸收及其射的光子数大于被吸收及其它损耗的光子数时，半导体它损耗的光子数时，半导体才能向外发射光子才能向外发射光子整理课件辐射跃迁可分为两种情形辐射跃迁可分为两种情形n导带电子跃迁到价带

19、与空穴复合伴随着发射光导带电子跃迁到价带与空穴复合伴随着发射光子，这种情形称为本征跃迁子，这种情形称为本征跃迁n非能带之间的电子跃迁，归为非本征跃迁。非能带之间的电子跃迁，归为非本征跃迁。n电子跃迁发射光子的能量近似为电子跃迁前后电子跃迁发射光子的能量近似为电子跃迁前后所具有的能量之差。所具有的能量之差。整理课件n半导体发光机理：光致发光，电致发光半导体发光机理：光致发光，电致发光和阴极射线发光和阴极射线发光n电致发光：电致发光：p-np-n结发光，异质结发光，雪结发光，异质结发光，雪崩击穿发光和隧道效应发光。崩击穿发光和隧道效应发光。n实际应用最普遍最广泛的就是半导体实际应用最普遍最广泛的就

20、是半导体p-np-n结正向注入的电致发光结正向注入的电致发光整理课件热平衡：热平衡：n n型半导体一边形成电子势垒，型半导体一边形成电子势垒，p p型半导体一边形成空穴势垒型半导体一边形成空穴势垒p-np-n结加正压：结加正压：外加电势与内建电势方向相反，接触势垒下降，导带电子和价外加电势与内建电势方向相反，接触势垒下降，导带电子和价带空穴复合形成带空穴复合形成p-np-n结正向电流，同时以发射光子形式释放多余能量。结正向电流，同时以发射光子形式释放多余能量。整理课件10.4.2 10.4.2 受激辐射跃迁与半导体激光受激辐射跃迁与半导体激光激光激光辐射受激发射光量子放大辐射受激发射光量子放大

21、n亮度极高（光能量高度集中）亮度极高（光能量高度集中）n方向性好，几乎是一束平行光方向性好，几乎是一束平行光n单色性好，几乎是同一波频的光单色性好，几乎是同一波频的光整理课件n受光的激发作用，使原子从受光的激发作用，使原子从E E1 1基态激发到基态激发到E E2 2的激发态中去，处于激发的激发态中去，处于激发态的原子始终要跃迁回到基态。那么，原子跃迁回基态的过程可以态的原子始终要跃迁回到基态。那么，原子跃迁回基态的过程可以由两种不同的情况。由两种不同的情况。 原子在跃迁过程中不受外界原子在跃迁过程中不受外界因素的作用，自动地从激发因素的作用，自动地从激发态跃迁回基态，从而放出电态跃迁回基态，

22、从而放出电子，称之为子，称之为自发辐射跃迁自发辐射跃迁 在外来光子在外来光子hvhv的诱发下，原子的诱发下，原子才从激发态跃迁回基态，同时才从激发态跃迁回基态，同时放出光子，称之为放出光子，称之为受激辐射跃受激辐射跃迁迁 整理课件n自发辐射跃迁中各原子的跃迁都是随机的，所产生的自发辐射跃迁中各原子的跃迁都是随机的，所产生的光子虽然可以有相同的能量光子虽然可以有相同的能量hvhv，因而可以有相同的频，因而可以有相同的频率，但这种光辐射的相位和传播方向等都不一样率，但这种光辐射的相位和传播方向等都不一样 n受激辐射跃迁的诱发光子频率恰好与原子从受激态跃受激辐射跃迁的诱发光子频率恰好与原子从受激态跃

23、迁回基态时所放出的光子频率相同，那么受激发射的迁回基态时所放出的光子频率相同，那么受激发射的光子不但是频率，而且连同光波的相位、偏振方向、光子不但是频率，而且连同光波的相位、偏振方向、传播方向等性质都和诱发光子的性质完全一样。很明传播方向等性质都和诱发光子的性质完全一样。很明显这种受激辐射跃迁使光子数增加，或者说获得了光显这种受激辐射跃迁使光子数增加，或者说获得了光子数的放大作用子数的放大作用 整理课件n产生激光必须使原子的受激辐射跃迁占主导地位。产生激光必须使原子的受激辐射跃迁占主导地位。n通常情况下，由于基态的原子数总是大于受激状态的原子数，通常情况下，由于基态的原子数总是大于受激状态的原子数，受激辐射跃迁不可能占主要的地位受激辐射跃迁不可能占主要的地位n在足够的外来能量激发下，有可能使处于受激状态的原子数在足够的外来能量激发下，有可能使处于受激状态的原子数多于基态的原子数，称这种状态下的物质系统处于粒子数反多于基态的原子数，称这种状态下的物质系统处于粒子数反转的状态（或称为转的状态（或称为分布反转分布反转）n如果有频率为如果有频率为的一束光通过粒子数反转状态下的物质系统，的一束光通过粒子数反转状态下的物质系统，而且光子的频率恰好等于原子从受激状态跃迁回基态所放