半导体物理吉林大学半物第十章

1、1第十章第十章 半导体的光学性质半导体的光学性质 半导体的光学性质是半导体物理性质的最主半导体的光学性质是半导体物理性质的最主要的方面之一。要的方面之一。 半导体光电效应是各种光电器件的基础。半导体光电效应是各种光电器件的基础。 光学方法是研究半导体的能带结构和检测材光学方法是研究半导体的能带结构和检测材料参数的一种重要手段。料参数的一种重要手段。2第十章第十章 半导体的光学性质半导体的光学性质 10.2 本征吸收本征吸收 10.3 激子吸收和其它吸收过程激子吸收和其它吸收过程 10.4 光电导光电导 10.5 丹倍效应和光磁效应丹倍效应和光磁效应 10.6 光生伏特效应光生伏特效应3光电效应

2、：光电器件的基础；光电效应：光电器件的基础；光学方法：研究能带结构及特性参数的手段。光学方法：研究能带结构及特性参数的手段。 cxexpcnxtiexpEE0y (10.11)x(0eI)x(I (10.12)c2 称为吸收系数：称为吸收系数： 的物理意义：光在介质中传播距离为的物理意义：光在介质中传播距离为 时，光的强度时，光的强度 衰减到原来的衰减到原来的 。 1e1半导体吸收系数：半导体吸收系数：p.293 角频率为角频率为 的平面电磁波，沿固体中的平面电磁波，沿固体中x方向传播时，电场强度：方向传播时，电场强度： 光强：光强：4(10.11)R-1T 反射率与透射率的关系：反射率与透射

3、率的关系：R：反射率：反射率T：透射率：透射率510.2本征吸收本征吸收一、光在电介质中传播时强度衰减的现象，称一、光在电介质中传播时强度衰减的现象，称为光吸收为光吸收。禁禁带带中中能能级级与与能能带带之之间间间间；同同一一能能带带的的不不同同状状态态之之不不同同能能带带的的状状态态之之间间；.321电子吸收光子能量后电子吸收光子能量后将跃迁将跃迁（即能量状态改变）（即能量状态改变）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-空穴对，从而引起

4、光电导。空穴对，从而引起光电导。62、本征吸收限：、本征吸收限：24. 1:000000mEEhcEhhggg ：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、吸收谱：、吸收谱： 。强衰减为原来的强衰减为原来的长度时，光长度时，光中传播中传播为吸收系数，光在介质为吸收系数，光在介质；的关系的关系或或与与吸收系数吸收系数eeIxIhx/1/10 4、吸收边：吸收限附近的吸收谱。、吸收边：吸收限附近的吸收谱。0481612255075100 1cm 图图10.2 InSb的吸收谱的吸收谱)m( 吸收曲线在短波段陡峭上升，是半导体

5、吸收谱的一个突出特点吸收曲线在短波段陡峭上升，是半导体吸收谱的一个突出特点,标志着本征吸收的开始。标志着本征吸收的开始。75、本征吸收：、本征吸收：直接跃迁直接跃迁 间接跃迁间接跃迁8二、直接跃迁二、直接跃迁 /hckE kEk/hk k kk, ，则，则，光子波长为，光子波长为和和分别为分别为当电子的初、末态波矢当电子的初、末态波矢电子的跃迁有光子参与电子的跃迁有光子参与对于典型半导体（假定对于典型半导体（假定Eg1eV），引起本征吸收的光子波长为：），引起本征吸收的光子波长为：迁或竖直跃迁。迁或竖直跃迁。波矢不变，称为直接跃波矢不变，称为直接跃迁时，电子跃迁前后的迁时，电子跃迁前后的，即只

6、有光子参与跃，即只有光子参与跃电子准动量；所以电子准动量；所以光子准动量光子准动量，可见：，可见：区中，线度为：区中，线度为：电子的波矢在电子的波矢在光子波矢为：光子波矢为：kkcmaBrillioumcmkm 18140010/2105224. 1 光子的动量光子的动量原子间距原子间距电子跃迁要求满足两个守恒：能量守恒，准动量守恒。电子跃迁要求满足两个守恒：能量守恒，准动量守恒。9电子吸收光子产生跃迁时波矢保持不变（电子电子吸收光子产生跃迁时波矢保持不变（电子能量增加）。这就是能量增加）。这就是电子跃迁的选择定则电子跃迁的选择定则。为。为了满足选择定则，以使电子在跃迁的过程中波了满足选择定则

7、，以使电子在跃迁的过程中波矢保持不变，则原来在价带中的状态矢保持不变，则原来在价带中的状态A的电子的电子只能跃迁到导带中的状态只能跃迁到导带中的状态B。A与与B在在E(k)曲线曲线上位于同一垂线上，因而这种跃迁称为直接跃上位于同一垂线上，因而这种跃迁称为直接跃迁。在迁。在A到到B直接跃迁中所吸收光子的能量与图直接跃迁中所吸收光子的能量与图24. 10mEEhcgg 因而从光吸收的测量，也可求得禁带宽度。因而从光吸收的测量，也可求得禁带宽度。EBA0kgE h中垂直距离中垂直距离AB相对应。显然，对应于不同的相对应。显然，对应于不同的k，垂直距离各不相，垂直距离各不相等。即，相当于任何一个等。即

8、，相当于任何一个k值的不同能量的光子都有可能被吸收，值的不同能量的光子都有可能被吸收，而吸收的光子最小能量应等于禁带宽度而吸收的光子最小能量应等于禁带宽度Eg。由此可见，。由此可见，本征吸收本征吸收形成一个连续吸收带，并具有一个长波吸收限：形成一个连续吸收带，并具有一个长波吸收限：10EBA0kgE h理论计算可得：在直接跃迁中，对任何理论计算可得：在直接跃迁中，对任何k值的跃迁都是允许的，则吸收系数与光子值的跃迁都是允许的，则吸收系数与光子能量关系为：能量关系为：基本为一常数。基本为一常数。，AEhEhEhAhggg 021/ 23gEhhk0k0k 直直接接跃跃迁迁允允许许，这这时时值值处

9、处禁禁戒戒跃跃迁迁，但但其其它它的的跃跃迁迁几几率率为为零零，称称为为某某些些材材料料，跃跃迁迁，称称为为允允许许跃跃迁迁。处处的的跃跃迁迁几几率率不不为为零零的的 hgE 或或gE2 2 h22 或或gE外外推推可可确确定定直接跃迁吸收直接跃迁吸收系数与光子能系数与光子能量的关系：量的关系：直线直线0（10.42）(图图10.4，p300)11三、间接跃迁三、间接跃迁 电子、光子和声子共同参与跃迁过程。电子、光子和声子共同参与跃迁过程。141715pp13pifgifpcm10/2cm10a/qEHz10/c2EHz10kkq/hEEEEh ：，：，： E0 0iE000111a gESfE

10、的能带的能带Ge ifgpkkqEhqhhE ，则则有有，所所以以/间接带隙半导体：间接带隙半导体：Si, Ge, GaP能量守恒：能量守恒：动量守恒：动量守恒：间接带间跃迁所涉及的光子能量仍然接近禁带宽度间接带间跃迁所涉及的光子能量仍然接近禁带宽度声子角频率：声子角频率：光子角频率：光子角频率：声子波矢：声子波矢：光子波矢：光子波矢：12间接跃迁为一个二级过程（电子与光子作用，电子与声子作间接跃迁为一个二级过程（电子与光子作用，电子与声子作用），因此其发生概率比直接跃迁小得多，相应的吸收系数也用），因此其发生概率比直接跃迁小得多，相应的吸收系数也小。小。164131010101cmcm直直间

11、间； 吸收系数的理论表达式为：吸收系数的理论表达式为： pgpgpgp2pgpgp2pgp2pgEEh0EEhEE1kTEexpEEhAEEhkTEexp1EEh1kTEexpEEhAh 13四、四、补充补充1.直接带隙半导体中，涉及声子发射和吸收的间接跃迁直接带隙半导体中，涉及声子发射和吸收的间接跃迁也可能发生。主要是涉及光学声子，发射声子过程，吸收应发也可能发生。主要是涉及光学声子，发射声子过程，吸收应发生在直接跃迁吸收限短波一侧。吸收声子过程发生在吸收限长生在直接跃迁吸收限短波一侧。吸收声子过程发生在吸收限长波一侧，可使直接跃迁吸收边不是陡峭地下降为零。波一侧，可使直接跃迁吸收边不是陡峭

12、地下降为零。2.间接禁带半导体中，仍可能发生直接跃迁。间接禁带半导体中，仍可能发生直接跃迁。Ge吸收谱吸收谱的肩形结构的解释，的肩形结构的解释，P306，图，图10.8。3.重掺杂半导体（如重掺杂半导体（如n型），型），Ef进入导带，低温时，进入导带，低温时，Ef以以下能级被电子占据，价带电子只能跃迁到下能级被电子占据，价带电子只能跃迁到Ef以上的状态，因而以上的状态，因而本征吸收长波限蓝移，即本征吸收长波限蓝移，即伯斯坦移动伯斯坦移动(Burstein-Moss效应效应)。4.强电场作用下，能带倾斜，小于强电场作用下，能带倾斜，小于Eg的光子可通过光子的光子可通过光子诱导的隧道效应发生本征跃

13、迁，既本征吸收长波限红移，即诱导的隧道效应发生本征跃迁，既本征吸收长波限红移，即弗弗朗兹朗兹-克尔德什（克尔德什（Franz-Keldysh）效应。）效应。14研究本征吸收的意义：研究本征吸收的意义： 研究半导体的本征吸收光谱，不仅可以根据吸收限决研究半导体的本征吸收光谱，不仅可以根据吸收限决定禁带宽度定禁带宽度Eg，还有助于了解能带的复杂结构，也可作为，还有助于了解能带的复杂结构，也可作为区分直接带隙和间接带隙半导体的重要依据。区分直接带隙和间接带隙半导体的重要依据。 15光吸收光吸收：光在电介质中传播时强度衰减的现象，称为光吸收：光在电介质中传播时强度衰减的现象，称为光吸收上节课内容回顾上

14、节课内容回顾直接跃迁直接跃迁：只有电子与光子的作用，一级过程，电子跃迁前后：只有电子与光子的作用，一级过程，电子跃迁前后波矢改变很小，可以忽略，所以又称为波矢改变很小，可以忽略，所以又称为垂直跃迁垂直跃迁。间接跃迁间接跃迁：电子和光子作用，电子和声子作用，二级过程，电：电子和光子作用，电子和声子作用，二级过程，电子跃迁前后波矢改变较大。子跃迁前后波矢改变较大。光子和声子的动能与动量之比较：光子和声子的动能与动量之比较： 光子：动能光子：动能 大，动量大，动量 极小；极小； 声子：动能声子：动能 极小，动量极小，动量 大。大。 h h/p q无论是直接跃迁还是间接跃迁，都需要满足：无论是直接跃迁

15、还是间接跃迁，都需要满足：能量守恒能量守恒动量守恒动量守恒本征吸收：分为本征吸收：分为直接跃迁直接跃迁和和间接跃迁。间接跃迁。本征吸收限本征吸收限：Eg24. 1Eghc0 直接带隙半导体中，也存在间接跃迁，直接带隙半导体中，也存在间接跃迁，间接带隙半导体中，也存在直接跃迁。间接带隙半导体中，也存在直接跃迁。1610.3 激子吸收和其它吸收过程激子吸收和其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、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。自由载流子吸收和杂质吸收。一、激子吸收一、激子吸收 (exciton)1、光子能量、光子能量hvEI(SL)，

16、则：，则：23 dEcEvE c aEcEvE d2.电离杂质吸收电离杂质吸收: 电离施主上的空穴或电离受主上的电子，电离施主上的空穴或电离受主上的电子，可以吸收光子跃迁到价带或导带。可以吸收光子跃迁到价带或导带。 特征：对于浅施主或浅受主，这种跃迁对特征：对于浅施主或浅受主，这种跃迁对应的光子能量与禁带宽度接近，将在本征吸收应的光子能量与禁带宽度接近，将在本征吸收限的低能一侧引起光吸收，形成连续谱。限的低能一侧引起光吸收，形成连续谱。（图图10.16)吸收阈值：吸收阈值：IgEE 对于浅杂质，通常对于浅杂质，通常Eg-EIEI，则：，则：电离杂质吸收谱在中性杂质吸收谱高能侧。电离杂质吸收谱在

17、中性杂质吸收谱高能侧。24四、晶格振动吸收四、晶格振动吸收 远红外区，光子与晶格振动的相互作用引起的光吸收。远红外区，光子与晶格振动的相互作用引起的光吸收。吸收机理：红外高频光波电场，使离子晶体的正负离子沿相吸收机理：红外高频光波电场，使离子晶体的正负离子沿相反方向移动反方向移动 激发长光学波振动激发长光学波振动 交变的电偶极矩交变的电偶极矩 其与其与电磁场相互作用，导致光吸收。电磁场相互作用，导致光吸收。 晶格振动吸收，在离子晶体、极性半导体中较显著；在元素晶格振动吸收，在离子晶体、极性半导体中较显著；在元素半导体中，不存在固有电极矩偶，但也能观察到晶格振动吸半导体中，不存在固有电极矩偶，但

18、也能观察到晶格振动吸收较弱。实际上，这是一种二级效应，即，红外光的电场感收较弱。实际上，这是一种二级效应，即，红外光的电场感应产生电偶极矩，它反过来又与电场耦合，引起光吸收。应产生电偶极矩，它反过来又与电场耦合，引起光吸收。25五种光吸收过程：五种光吸收过程： 1、本征吸收、本征吸收 2、激子吸收、激子吸收 3、自由载流子吸收、自由载流子吸收 4、杂质吸收、杂质吸收 5、晶格振动吸收、晶格振动吸收上节课内容回顾上节课内容回顾261、本征吸收本征吸收：电子带带跃迁引起的光吸收。：电子带带跃迁引起的光吸收。 分为直接跃迁和间接跃迁分为直接跃迁和间接跃迁上节课内容回顾上节课内容回顾直接跃迁直接跃迁：

19、只有电子与光子的作用，一级过程，电子跃迁：只有电子与光子的作用，一级过程，电子跃迁前后波矢改变很小，可以忽略，所以又称为前后波矢改变很小，可以忽略，所以又称为垂直跃迁垂直跃迁。间接跃迁间接跃迁：电子和光子作用，电子和声子作用，二级过程，：电子和光子作用，电子和声子作用，二级过程，电子跃迁前后波矢改变较大。电子跃迁前后波矢改变较大。引起吸收的能量阈值：引起吸收的能量阈值：Eg吸收谱吸收谱：为连续谱，在吸收谱高能侧（短波侧）。：为连续谱，在吸收谱高能侧（短波侧）。272、激子吸收激子吸收： 电子吸收小于电子吸收小于Eg的光子，形成激子，引起光吸收。的光子，形成激子，引起光吸收。激子能级：为激子中电

20、子能量位置，激子能级：为激子中电子能量位置，n个，个，n=1为基态能级。为基态能级。激子束缚能：激子基态能级与导带底之间的能量差激子束缚能：激子基态能级与导带底之间的能量差 。上节课内容回顾上节课内容回顾1exEexciton吸收谱吸收谱：为分立谱（线状谱），能量分布略低于本征吸收谱，：为分立谱（线状谱），能量分布略低于本征吸收谱，在本征吸收限长波一侧，在低温可以测到。在本征吸收限长波一侧，在低温可以测到。引起吸收的能量阈值：引起吸收的能量阈值：1exEEg283、自由载流子吸收自由载流子吸收： 自由载流子吸收小于自由载流子吸收小于Eg的光子的光子，在同一能带内跃迁，在同一能带内跃迁，引起光吸

21、收。引起光吸收。吸收过程：吸收光子吸收或释放声子。吸收过程：吸收光子吸收或释放声子。（存在子带间跃迁：基态激发态跃迁，形成线状谱）（存在子带间跃迁：基态激发态跃迁，形成线状谱）上节课内容回顾上节课内容回顾吸收谱吸收谱：在本征吸收限长波一侧，吸收系数随波长的增加：在本征吸收限长波一侧，吸收系数随波长的增加而增大。吸收系数与散射机制有关。而增大。吸收系数与散射机制有关。294、杂质吸收杂质吸收： 占据杂质能级的电子或空穴的跃迁所引起的光吸收。占据杂质能级的电子或空穴的跃迁所引起的光吸收。上节课内容回顾上节课内容回顾a.中性杂质吸收：光吸收使杂质电离；吸收能量阈值为中性杂质吸收：光吸收使杂质电离；吸

22、收能量阈值为EIb.电离杂质吸收：光吸收使电离杂质恢复中性状态；电离杂质吸收：光吸收使电离杂质恢复中性状态； 吸收能量阈值为吸收能量阈值为EgEI吸收谱吸收谱：在本征吸收限长波一侧，均形成连续谱。：在本征吸收限长波一侧，均形成连续谱。对于浅杂质，通常对于浅杂质，通常Eg-EIEI，则：，则：电离杂质吸收谱在中性杂质吸收谱高能侧电离杂质吸收谱在中性杂质吸收谱高能侧.深能级中性杂质吸收谱在浅能级中性杂质吸收谱高能侧深能级中性杂质吸收谱在浅能级中性杂质吸收谱高能侧.深能级杂质深能级杂质EI(DL)EI(SL)，则：，则：30上节课内容回顾上节课内容回顾5、晶格振动吸收：晶格振动吸收： 光子与晶格振动

23、的相互作用引起的光吸收。光子与晶格振动的相互作用引起的光吸收。吸收过程：吸收光子吸收或释放声子。吸收过程：吸收光子吸收或释放声子。吸收谱吸收谱：远红外区。：远红外区。31一、附加电导率：光电导一、附加电导率：光电导10.4 光电导光电导1. 光照射半导体，使其电导率改变的现象为光照射半导体，使其电导率改变的现象为光电导效应光电导效应。包括以下过程信息：光吸收；载流子激发与迁移；复合包括以下过程信息：光吸收；载流子激发与迁移；复合与陷阱效应与陷阱效应。 p0n0p0n00ppnne2,pne1 光光照照后后总总电电导导率率：无无光光照照，热热平平衡衡时时暗暗电电导导率率： 认为认为n是一致的，是

24、一致的， p也是一致的。也是一致的。（1）本征光电导：本征吸收引起载流子数目变化。）本征光电导：本征吸收引起载流子数目变化。（2）杂质光电导：杂质吸收引起载流子数目变化。）杂质光电导：杂质吸收引起载流子数目变化。（3）带内光电导：载流子吸收引起载流子迁移率变化，但不）带内光电导：载流子吸收引起载流子迁移率变化，但不引起载流子数目变化。引起载流子数目变化。32 光照产生的非平衡载流子，开始时它们的能量比平衡载流光照产生的非平衡载流子，开始时它们的能量比平衡载流子的平均能量高，或者说这些载流子的分布不同于平衡分布。子的平均能量高，或者说这些载流子的分布不同于平衡分布。但经过极短的时间，通过和晶格的

25、碰撞，它们把多余的能量传但经过极短的时间，通过和晶格的碰撞，它们把多余的能量传递给晶格，使本身的能量相应于平衡分布。因此，非平衡载流递给晶格，使本身的能量相应于平衡分布。因此，非平衡载流子在其存在的大部分时间内，与平衡载流子的迁移率相同。子在其存在的大部分时间内，与平衡载流子的迁移率相同。认为认为n是一致的，是一致的， p也是一致的。也是一致的。WHY?33 np2000pn00p0n0pn0pn0neCdSNpeOCuP,np,pn5pn/pnbpbnnb1pnpn4pne3 ：；：献。献。载流子对附加电导有贡载流子对附加电导有贡某些材料中主要有一种某些材料中主要有一种或或一种载流子的情况下

26、，一种载流子的情况下，由于陷阱效应，束缚了由于陷阱效应，束缚了制成。制成。光敏电阻要由高阻材料光敏电阻要由高阻材料，必有，必有要使要使；光电导的相对值：光电导的相对值：加电导率加电导率光电导：光照引起的附光电导：光照引起的附本征光电导34二、定态光电导及其弛豫过程二、定态光电导及其弛豫过程 1.定态光电导：恒定光照下，达到稳定态的光电导；定态光电导：恒定光照下，达到稳定态的光电导；2.光电导的弛豫：光照光电导的弛豫：光照 光电导率逐渐增加光电导率逐渐增加 稳定；稳定； 停止光照后停止光照后 光电导率逐渐下降光电导率逐渐下降 消失。消失。光电导的弛豫反映了光生载流子的积累和消失过程。光电导的弛豫

27、反映了光生载流子的积累和消失过程。012 3 4 012 3 4 t s 光照光照停止光照停止光照353. I：光强（单位时间，通过单位面积的光子数），：光强（单位时间，通过单位面积的光子数）， 设强度为设强度为I的光均匀地垂直照射到样品表面，的光均匀地垂直照射到样品表面，为吸收系数，为吸收系数， , 则则 nsststssst0neeentnnn0tndtnd).2Innte1Itn0n0tnIdtnd).1nU11IGIdxdI: 所所以以，停停止止光光照照后后稳稳定定值值，时时，则则有有时时，设设变变化化过过程程光光照照后后非非平平衡衡载载流流子子的的，由由连连续续性性方方程程，得得小小

28、注注入入时时，复复合合率率为为为为量量子子产产额额空空穴穴对对的的产产生生率率电电子子吸吸收收的的光光能能量量单单位位时时间间、单单位位体体积积内内)xexp(II0 吸收一个光吸收一个光子产生载流子产生载流子的数目子的数目如果如果I是以光子数表示的光强是以光子数表示的光强(即单位时间通过单位即单位时间通过单位面积的光子数面积的光子数)，则单位时间，在单位体积中吸收，则单位时间，在单位体积中吸收的光子数为的光子数为)x(I .对应于上升曲线对应于上升曲线对应于下降曲线对应于下降曲线36 tI11Itnnn0tndtndInnttItanhIn0n0tnIdtndnnU22121s221s212

29、122 ，时，时，成反比成反比寿命与寿命与形，形，对强注入，直接复合情对强注入，直接复合情（图（图10.17）（有光照：）（有光照：）（停止光照：）（停止光照：）012 3 4 012 3 4 t s 光照光照停止光照停止光照37 光电导的驰豫代表光电导对于光强变化反应的快慢。光电导的驰豫代表光电导对于光强变化反应的快慢。 通常引入驰豫时间来表征光电导上升和下降所需时间的长通常引入驰豫时间来表征光电导上升和下降所需时间的长短，弛豫时间定义为短，弛豫时间定义为 上升和下降到定态值的一半所用时间，上升和下降到定态值的一半所用时间，对于小注入，为对于小注入，为 ；对于大注入，为；对于大注入，为 。讨

30、论：讨论：定态光电导定态光电导 线性光电导：线性光电导： (与光强成正比与光强成正比) 抛物线性光电导：抛物线性光电导： (与光强平方根成正比与光强平方根成正比) 定态光电导越大，光敏电阻的灵敏度越高。定态光电导越大，光敏电阻的灵敏度越高。 线性光电导中，线性光电导中， 越大，定态值越大，定态值 越大，则光敏电阻灵越大，则光敏电阻灵敏度越高。但对于高频信号，驰豫时间必须足够短，光电导才敏度越高。但对于高频信号，驰豫时间必须足够短，光电导才能跟上光信号的变化。所以，实际应用中，既要灵敏度高，又能跟上光信号的变化。所以，实际应用中，既要灵敏度高，又要驰豫时间短，则需要选择适当材料来制作器件。要驰豫

31、时间短，则需要选择适当材料来制作器件。s )I(enensns 2/1nsns)I(ene sn n 2ln 2/1)I( 38四、陷阱效应及其对光电导的影响四、陷阱效应及其对光电导的影响半导体中的杂质和缺陷在禁带中形成能级，它们的作用半导体中的杂质和缺陷在禁带中形成能级，它们的作用除了起施主、受主和复合中心作用外，还能引起陷阱效应。除了起施主、受主和复合中心作用外，还能引起陷阱效应。在热平衡情况下，每种杂质能级上都有一定数目的电子，在热平衡情况下，每种杂质能级上都有一定数目的电子，通过电子的俘获和激发过程与能带之间保持平衡。当半导体通过电子的俘获和激发过程与能带之间保持平衡。当半导体处于非平

32、衡态时，这种平衡遭到破坏，引起杂质能级上电子处于非平衡态时，这种平衡遭到破坏，引起杂质能级上电子数目的变化。数目的变化。若电子增加了，则说明该能级能收容一部分电子；若电若电子增加了，则说明该能级能收容一部分电子；若电子减少了，则可以看成该能级收容了空穴。子减少了，则可以看成该能级收容了空穴。非平衡载流子注入将使非平衡载流子注入将使Nt上电子数变化上电子数变化391. 陷阱效应陷阱效应：杂质或缺陷能级对某一种非平衡载流子的：杂质或缺陷能级对某一种非平衡载流子的显著积累作用。显著积累作用。 （所俘获的非平衡载流子数目可以与（所俘获的非平衡载流子数目可以与导带或价带中非平衡载流子数目相比拟）导带或价

33、带中非平衡载流子数目相比拟）具有显著陷阱效应的杂质能级，称为具有显著陷阱效应的杂质能级，称为陷阱陷阱，相应，相应的杂质或缺陷称为陷阱中心。的杂质或缺陷称为陷阱中心。 影影响响与与之之类类似似：的的的的影影响响，实实际际上上值值。只只考考虑虑表表示示热热平平衡衡时时的的偏偏微微分分陷陷阱阱电电子子积积累累，陷陷阱阱中中pn0pnnnnnnpnnn. 20t0tttt 40考虑到陷阱能级对电子和空穴的俘获与激发过程，稳定时由电考虑到陷阱能级对电子和空穴的俘获与激发过程，稳定时由电子的净复合率子的净复合率=空穴的净复合率可得：空穴的净复合率可得： nnpnNccnppnnpnppnnNnccnppc

34、nncpcncNcnppcnncpcncNcnnppcnncpcncNnttpnttpnpnpntntpnpntntpnpntt 时，可得时，可得，当当，有，有若若则：则：；00101001101021010012111111可见，此时杂质对非平衡载流子没有显著的陷阱效应。而实际可见，此时杂质对非平衡载流子没有显著的陷阱效应。而实际上，有时上，有时cn，cp常常相差很大。常常相差很大。（P214, 7.198式）(10.90)41若若 ，陷阱俘获一个电子后，很难再俘获，陷阱俘获一个电子后，很难再俘获一个空穴引起复合，这种陷阱就是一个空穴引起复合，这种陷阱就是电子陷阱电子陷阱。pnCC 则若则若

35、 ，陷阱为，陷阱为空穴陷阱空穴陷阱。npCC (1)、pnCC (2)、设、设 ，(10.90)式中略去含式中略去含Cp的项，有：的项，有：n)nn(nNn2101tt 42 效效应应最最显显著著。时时，陷陷阱阱，即即：时时令令ftctccfc0tmaxt10410101t210t1tEEkTEEexpNkTEEexpNnn4Nnnn0nnnnnN2nnNdnnd n0若为多子，通常若为多子，通常Nt n0，陷阱效应显著。陷阱效应显著。实际的陷阱问题大都是少数载流子的陷阱效应。实际的陷阱问题大都是少数载流子的陷阱效应。43设半导体为设半导体为N型，在禁带中除了复合中心能级型，在禁带中除了复合中

36、心能级 以外，还存以外，还存在少数载流子的陷阱能级在少数载流子的陷阱能级 。cEdE EtEvE 型型N间。间。在陷阱中的平均存在时在陷阱中的平均存在时为空穴为空穴；陷阱俘获前的平均寿命陷阱俘获前的平均寿命为空穴被为空穴被为少子空穴寿命；为少子空穴寿命；设设21 p3. 陷阱对稳态光电导的影响：陷阱对稳态光电导的影响： EtEpp 1p 2tp 4421 tptpppGdtpdGpp 则：则：假定是均匀的。假定是均匀的。，：光激发产生率：光激发产生率度；度；穴浓穴浓：陷阱能级上的过剩空：陷阱能级上的过剩空度；度；：价带中的过剩空穴浓：价带中的过剩空穴浓价带的速率价带的速率陷阱中空穴重新激发到陷

37、阱中空穴重新激发到俘获率俘获率陷阱对价带过剩空穴的陷阱对价带过剩空穴的穴的复合率穴的复合率复合中心对价带过剩空复合中心对价带过剩空:p:p:p2t1p 0dtpd0dtpdppdtpdt2t1t ，稳稳态态时时：，陷阱中的空穴：陷阱中的空穴：45pn1pppnGppp1212tp12t ，则，则若陷阱效应显著，必有若陷阱效应显著，必有电中性条件：电中性条件：过剩空穴浓度）过剩空穴浓度）（陷阱没有改变价带中（陷阱没有改变价带中所以所以 陷阱作用陷阱作用1： 陷阱的作用使得过剩多子浓度比无陷阱时高出许多倍陷阱的作用使得过剩多子浓度比无陷阱时高出许多倍46 pn12p12npn12nppnpn12p

38、pnp1pn2eGpe1eGnepe ，则，则因为因为稳态时，稳态时，导的灵敏度。导的灵敏度。：陷阱可显著增加光电：陷阱可显著增加光电陷阱作用陷阱作用，时，时，（无陷阱）（无陷阱）（有陷阱）（有陷阱）陷阱作用陷阱作用3：陷阱使多子的稳态寿命比少子的大得多。：陷阱使多子的稳态寿命比少子的大得多。47陷阱的存在增大了光电导的上升和下降的弛豫时间，陷阱的存在增大了光电导的上升和下降的弛豫时间，光电导上升（要填充陷阱能级）；光电导上升（要填充陷阱能级）；光电导衰减（陷阱中的载流子缓慢释放）。光电导衰减（陷阱中的载流子缓慢释放）。 陷阱作用陷阱作用4：对光电导衰减的影响：对光电导衰减的影响：以电子陷阱为

39、例：电子被陷阱俘获后，基本上不能直接与空穴以电子陷阱为例：电子被陷阱俘获后，基本上不能直接与空穴复合，它们必须先被激发到导带，然后才能通过复合中心复合。复合，它们必须先被激发到导带，然后才能通过复合中心复合。电子被激发到导带之前在陷阱中的平均存在时间，一般比导带电子被激发到导带之前在陷阱中的平均存在时间，一般比导带电子的寿命要长得多，因此：电子的寿命要长得多，因此：48图图10.20 具体分析具体分析P型硅的光电导衰减型硅的光电导衰减在在P型硅中存在深、浅两种陷阱，开始时两种陷阱都基本饱和，型硅中存在深、浅两种陷阱，开始时两种陷阱都基本饱和，即陷阱基本上被电子填满，导带中尚有相当数量的非平衡电

40、子。即陷阱基本上被电子填满，导带中尚有相当数量的非平衡电子。610 410 210 121041013101300129012801270123 阻阻电电）时间（时间（s型硅的光电导衰减型硅的光电导衰减P图中图中1，2，3三部分三部分分别对应于导带中电分别对应于导带中电子、浅陷阱中电子和子、浅陷阱中电子和深陷阱中电子的衰减。深陷阱中电子的衰减。49红外淬灭红外淬灭：在激发本征光电导的同时，用适当波长的红外光：在激发本征光电导的同时，用适当波长的红外光照射半导体样品，可能导致光电导显著下降，这种现象称为照射半导体样品，可能导致光电导显著下降，这种现象称为红外淬灭红外淬灭。陷阱效应陷阱效应原因原因

41、：在无长波长的光照射时，陷阱中的载流子只能依靠热：在无长波长的光照射时，陷阱中的载流子只能依靠热激发回到相应的能带，其几率通常是很小的。用长波长的光激发回到相应的能带，其几率通常是很小的。用长波长的光照射样品，被陷的载流子可以由光激发脱离陷阱，因而增大照射样品，被陷的载流子可以由光激发脱离陷阱，因而增大了被激发回能带的几率（了被激发回能带的几率（ ），大大减小了在陷阱中的平），大大减小了在陷阱中的平均自由时间（均自由时间（ ），导致光电导显著下降（），导致光电导显著下降（(10.101)式式）。）。2/1 因此，在相同的本征激发条件下，用自然光激发比用单色光因此，在相同的本征激发条件下，用自然光激发比用单色光有较小的灵敏度。有较小的灵敏度。2 5010.5丹倍效应和光磁效应丹倍效应和光磁效应(p.326)1.由于光激发非平衡载流子的扩散，在光照面与背面之由于光激发非平衡载流子的扩散，在光照面与背面之间产生的电势差，称为丹倍电势差，有时也称为光扩散电势差。间产生的电势差，称为丹倍电势差，有时也称为光扩散电势差。这个效应称为这个效应称为丹倍效应丹倍效应（Dember effe