半导体光电的性质和应用

1、半导体光电的性质和应用 半导体的光电性质是半导体材料最重要性质之一。半导体的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料参数的一种重要手段。本章：讨论半导体的光吸收、光生伏特效应等半导体材料基本的光电性质和应用。 半导体的光学常数 设均匀不带电的介质的复折射为 ，磁导率m=m0（对于光学中所讨论的大多数固体材料，相对磁导率mr=1)，介电常数e=ere0，电导率s，则光（频率为w）在中传播时，有以下关系：以上公式中n0为折射率，k为消光系数。反射率当光照射到介质的界面时，或多或少会发生反射。反射光强与入射光强之比称为反射率。当光从空气垂直人射到介质表面时，可以得出反射

2、率R为对于吸收很弱的材料，k很小，反射率R比纯电介质的稍大。对于金属，由于k很大，R很接近于1。 透射率在介质的界面上，除了光的反对外，还有光的透射，透射光强与入射光强之比称为透射率。若不考虑光的吸收，则在界面上透射率T与反射率满足下式： T=1-R一般情况下，光透过一定厚度的介质时，透射率与反射率之间有以下的关系： 吸收系数上式中的a称为吸收系数，它与消光系数的关系为吸收系数的物理意义：光在介质中传播距离1/a时，光的强度衰减到原来的1/e。对于电介质材料，消光系数趋于，光在这类材料中没有被吸收，因此材料是透明的。在金属和半导体中，消光系数不为0，即存在光吸收，光的强度随着透入深度的增加按指

3、数规律衰减，即 半导体的光吸收吸收 半导体材料中的电子吸收光子的能量，从能量较低的状态跃迁到能量较高的状态。这种跃迁可以发生在：1、不同的能带之间；2、同一能带的不同状态之间；3、禁带中的分立能级之间；4、禁带中的分立能级和能带之间。以上各种吸收引起不同的吸收过程。本征吸收在半导体中。最主要的吸收过程是电子由价带向导带的跃迁所引起的光吸收，称为本征吸收或基本吸收这种吸收伴随着电子-空穴对的产生，使半导体的电导率增加，即产生光电导。显然，引起本征吸收的光子能量必须等于或大于禁带宽度，即对应的波长称为本征吸收限。根据上式，可得出本征吸收长波限的公式为Burstein-Moss effect吸收谱与

4、吸收边吸收系数对光子能量（或波长）的依赖关系称为吸收谱。本征吸收限可在吸收谱中明显地表现出来。吸收系数曲线在短波端陡峭地上升，是半导体吸收谱突出的一个特点。它标志着本征吸收的开始。通常把吸收限附近的吸收谱称为吸收边。它相应于电子由价带顶附近到导带底附近的跃迁。直接跃迁电子在跃迁过程中，除了能量必须守恒外，还必须满足准动量守恒。设电子的初态和末态的波矢分别为k和k，则应有若电子在跃迁前后的波矢可以认为保持不变，则这种跃迁称为直接跃迁。这种跃迁过程相当于电子由价带竖直地跃迁到导带，所以也称为垂直跃迁。对下图那样的能带结构，直接跃迁的吸收系数为这种能带结构称为直接能隙半导体材料。 直接跃迁-由吸收谱

5、求能隙宽度a2与的关系为一直线，将此直线外推到a=0处，可得出禁带宽度Eg。ZnO filmZnO film间接跃迁若导带底和价带顶位于k空间的不同位置，例如在Si和Ge中，那么任何竖直跃迁所吸收的光子能量都应该比禁带宽度大。但实验指出，引起本征吸收的最低光子能量还是约等于Eg。推论：除了竖直跃迁之外，还存在另一类跃迁过程：由价带顶向具有不同值的导带底的跃迁。 在这种跃迁过程中，电子的准动量变化很大。由于光子的动量很小，所以必须吸收或发射声子才能满足准动量守恒。设声子的波矢为，略去光子的动量，准动量守恒由下式给出：如果用表示声子的能量，则能量守恒可表示为 光子波矢电子波矢吸收系数在以上二式中，

6、正号和负号分别对应于吸收和发射声子的过程。这种除了吸收光子之外还要吸收或发射声于的跃迁，称为间接跃迁或非竖直跃迁。相应的材料称为间接能隙半导体材料。由于声子的能量很小，一般不超过百分之几电子伏特，所以间接带间跃迁所涉及的光子能量仍然接近禁带宽度。 吸收谱线不难看出，如果以 为纵坐标，以光子能量为横坐标，则吸收谱线应为两条直线对应横坐标上的两个截距，分别为Eg-Ep和Eg+Ep。由此可以求出禁带宽度和声子的能量。 间接跃迁材料的缺点实际上在直接禁带半导体中，涉及声子发射和吸收的间接跃迁也可能发生，即直接禁带半导体中也会发生间接跃迁。同样，在间接禁带半导体中，也可能发生直接跃迁。但它们不是能量最低

7、的带间跃迁。间接跃迁要求同时有光子和声子参加，是一个二级过程，跃迁几率要比直接跃迁的跃迁几率小得多，相应的吸收系数也较小。因为光电器件一般均涉及电子的跃迁，因此间接能隙半导体材料一般不适宜作为光电材料，尤其不能作为发光材料。激子吸收在低温时发现，某些晶体在本征吸收连续光谱区的低能侧靠近吸收限附近存在一系列吸收线，并且对应于这些吸收线不伴随有光电导。起因：激子吸收电子空穴对）自由载流子吸收当入射光的波长较长，不足以引起带间跃迁或形成激子时，半导体中仍然存在光吸收，而且吸收系数随着波长的增加而增加。这种吸收是自由载流子在同一能带内的跃迁引起的，称为自由截流子吸收。 载流子对电磁能量的吸收显著地依赖

8、于频率（或波长）。可以证明，自由载流子的吸收系数 。自由载流子吸收也需要声子参与，因此也是二级过程，与接跃迁过程类似。但这里所涉及的是载流子在同一带内的跃迁。 子带间的跃迁电子在价带或导带中子带（sub-band）之间的跃迁。在这种情况下，吸收曲线有明显的精细结构，而不同于由自由载流子吸收系数随波长单调增加的变化规律。多半导体的价带在价带顶附近由三个子带组成，不同子带间可以发生三种引起光吸收的跃迁过程。（a）从轻空穴带到重空穴带的跃迁（）从分裂的带到重空穴带的跃迁（c）从分裂的带到轻空穴带的跃迁。杂质吸收杂质可以在半导体的禁带中引入杂质能级，例如Ge和Si中的III族和V族杂质。占据杂质能级的

9、电子或空穴的跃迁可以引起光吸收，这种吸收称为杂质吸收，可以分为下面三种类型： 吸收光子可以引起中性施主上的电子从基态到激发态或导带的跃迁； 中性受主上的空穴从基态到激发态或价带的跃迁； 电离受主到电离施主间的跃迁；由于杂质能级是束缚态，因而动量没有确定的值，所以不必 满足动量守恒的要求，因此跃迁几率较大。电子在杂质能级及杂质能级与带间的跃迁杂质能级吸收示意图晶格振动吸收由于光子和晶格振动的相互作用引起的光吸收称为晶格振动吸收。晶格振动能量一般在红外区。对于离子晶体或具有离子性的化合物半导体，红外光的高频电场能使正负离子沿相反的方向位移，即激发长光学波振动，这种振动造成交变的电偶极矩，导致光的吸

10、收。 在元素半导体Ge和Si中，虽然不存在固有电偶极矩，但仍能观察到晶格振动吸收。实际上，这是一种二级效应，由于红外光产生的电场感应出电偶极矩，此电偶极矩反过来又与电场耦合引起光吸收。光生伏特效应-Photovoltaic 用适当波长的光照射非均匀半导体，例如P-N结和金属-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，电子和空穴被分开，产生光生电流或者光生电压。这种由内建电场引起的光-电效应，称为光生伏特效应。利用光电效应可以制成太阳能电池，直接把光能转换成电能，这是它最重要的实际应用。另外，光生伏特效应也广泛应用于光电探测器。下面以P-N结为例介绍这种效应。 P-N结中光生伏

11、特效应的物理过程光子能量大于禁带宽度，结较浅，因而光激发在结两边都能产生电子-空穴对。P-N结的势垒区内存在较强的内建电场，结区附近的少子很容易在这个电场的作用下进入另一区，成为多数载流子，从而在P区形成空穴的积累，在N区形成电子的积累。这时如果把P-N的两端接上负载，就会有电流通过，这时PN结就成为光电池，在其内部形成由N区流向P区的光生电流。如果外回路开路，则上述的电荷积累将导致PN结两端形成电势差，使势垒高度降低为，产生正向电流。当光生电流和正向电流相等时，PN两端建立起稳定的电势差Voc（P区相对N区是正的），这也就是光电池的开路电压。 几种光伏结构的能带图光照前后情况光电池的I-V特

12、性光电池的电流电压特性 光电池的伏安特性为其中Iph为光电流，I为流过负载的电流，Is为反向饱和电流。太阳能电池的4个参数开路电压：如果外电路开路，则称为光电池的开路电压。短路电流：如果将外电路短路，则V=0填充因子F：光照时I-V曲线IV象限所围面积中最大的矩形面积与Voc、Isc所围的矩形面积之比。转换效率：光照时I-V曲线IV象限所围面积中最大的矩形面积与光功率之比半导体发光 发光是光吸收的逆过程。它起源于电子在能级之间的跃迁。发光反映了：电子在相关能级的分布激发态的寿命载流子弛豫途径能级密度及占有等情况。发光的五个特征参量 光谱：发光强度随波长变化的规律。它反映了发光的来源、跃迁中的始

13、态及未态、跃迁几率等。效率：光致发光中有量子效率、光度效率及能量效率三种表示方法。实用中光度效率（流明/瓦）比较流行。这是因为用流明来表示发光强度时计及了眼睛的灵敏度。发光强度既和发光效率有关，又和输入能量有关。发光期间或激发态寿命：它表示从激发停止起，发光在多长的期间内衰减下来。对于分立中心而言，发光的衰减符合指数规律，但很多情况并非如此。对于复合发光，情况更复杂。衰减曲线对了解发光动力学是十分重要的。偏振：它说明发光是各向同性的，还是各向异性的。这反映发光中心的结构，它与基质晶体的对称性有关。相干性：一般情况下，发光是非相干的，而激光则是相干的。因为发光是自发发射，而激光是感生发射。从相干

14、性能可以估计受激发射的成分。 发光的种类名 称光致发光阴极射线发光电致发光韧致辐射黑体辐射化学发光生物发光闪 电起 因吸收入射光的能量吸收电子束的能量真空放电或电场激发带电粒子加速运动发热化学反应热生物组织中的化学反应正负电荷碰撞绝缘体与半导体发光的异同 绝缘体及半导体都可产生发光。绝缘体的发光：发光中心，即靠掺进合适的杂质。半导体发光：主要依靠能带中载流子的复合，但也可依靠分立发光中心。绝缘体的发光更多地反映发光中心的性质，而半导体的发光既可反映杂质的性质，又可反映能带的性质。 发光中心发光-色心发光中心是杂质和缺陷引起的位于禁带中的局域电子态。因为跃迁时不需要遵守动量守恒规则，因而发光效率

15、较高。在发光材料中常常要掺进少量杂质，其目的有：1、形成发光中心，提高发光中心浓度2、形成淬灭中心，缩短发光余辉，提高器件工作速度。3、改变半导体的导电类型。常用的杂质：1、过渡族金属离子；2、稀土离子；3、施主或受主；4、等电子杂质：和基质原子（或离子）的外层电子数 相同的杂质，但电负性相差较大的杂质；5、类汞离子。*主要用于绝缘体，但也可由于半导体材料，如硅中掺铒等。复合发光 半导体发光主要依靠复合发光。复合过程包括：1、导带电子和价带空穴复合发光；2、导带电子和杂质上的空位复合发光；3、杂质上的电子和价带空穴复合发光。 间接能带半导体的发光如果是间接能带半导体，那么电子从高能级跃迁到低能

16、级时除了满足能量守恒外，还必需满足动量守恒，因此跃迁几率较低，即发光效率很低。因为硅是间接能带半导体，因此直接用硅作为发光器件效率很低。这就是硅在光电方面应用时遇到的最大困难。改进措施：1、掺杂形成发光中心，如掺Er；构成超晶格，如Si-SiO2，GeSi，硅量子点等。边缘发射 在激发能量和禁带宽度接近时，可以看到能量接近禁带宽度的辐射。它们在低温下是线光谱，包括：1、激子和束缚激子2、等电子陷阱3、施主-受主对的发光等。激子复合发光激子是电子-空穴对，在一定的条件下电子和空穴复合发射出能量接近禁带宽度的光。施主-受主对的发光 当施主与受主靠得很近，以致它们的波函数重叠时，电子可以通过隧道效应

17、和空穴复合发光。这一现象是1956年Prener 及Williams 为解释ZnS的发光而发现的。后来证实它在很多半导体的发光中都是存在的。它的发光的光子的能量是：e：介电常数，R是施主与受主之间所有可能的晶格距。 等电子杂质与束缚激子和基质原子（或离子）的外层电子数相同的杂质，但电负性相差较大的杂质称。如 ZnTe中的O，GaP中的N，CdS电Te，GaP中Bi。俘获了电子（成空穴）的等电子陷阱又通过库仑相互作用吸引一个空穴（或电子）形成束缚激子。掺入等电子杂质对提高间接带材料的发光效率十分有效，这是提高发光效率的一种有实用价值的方法。 等电子杂质提高发光效率的物理本质测不准关系DPDqh。

18、如果一个粒子的空间位置受到约束，那么它的动量就测量不准，即动量没有确定的值。载流子被等电子杂质束缚在很小范围，因此其动量可以在较大范围里变化，从而可以比较容易地满足跃迁中的动量守恒的要求而无需声子的参加，因而提高了跃迁几率。因为等电子陷阶的作用是短程的，它对载流子的束缚能很小。因此它引起的发光的波长就较短。短波长对提高存储密度有很大的好处。 量子点光电器件测不准关系DPDqh。如果一个粒子的空间位置受到约束，那么它的动量就测量不准，即动量没有确定的值。载流子被等电子杂质束缚在很小范围，因此其动量可以在较大范围里变化，从而可以比较容易地满足跃迁中的动量守恒的要求而无需声子的参加，因而提高了跃迁几

19、率。通过量子约束效应，可以改变光子能量（蓝移） 多孔硅、纳米硅、NCS量子阱，B位错环 Under sunlight Under UV lightPorous silicon made in 1992 in SKLSM场致发光 场致发光：固体在电场的作用下将电能直接转换为光能的发光现象，也称为电致发光。场致发光的种类：按结构分类：粉末（II-VI族化合物）簿膜（II-VI族化合物）结型（III-V族）按激发方分类：交流电场激发直流电场激发交流粉末场致发光光源 交流粉末场致发光光源的结构如右图所示。该器件的发光材料（通常为ZnS:Cu）悬浮在介电系数很高、透明而又绝缘的胶合介质中，并被两电极所挟

20、持。背电极由金属导电膜制作，透明的SnO导电膜作为另一电极，高介电系数的TiO反射层不仅能有效地反射光，而且还有防止击穿作用。当在两电极间加上交变电场时，粉未就会产生场致发光。 交流场致发光光源的性能亮度与所加的交流电压幅度和频率有关。在较低频率下，亮度随频率线性增加。频率高到一定范围，亮度就出现饱和趋势。饱和频率的高低随具体发光材料的种类而变。对同一种发光材料，电压越高，饱和频率也越高。频率一定时，发光强度与电压的关系为发光亮度随时间而变化，即发光波形。场致发光的余辉极短，电压一去掉，发光马上消失。脉冲激发下，场致发光的反应速度很快，上升时间常数比衰减时间小得多。交流场致发光光源的优缺点优点

21、： 可固体化、平板化；工作可靠、安全、寿命长；占地小、易于安装；面积与形状几乎不受限制，可以通过光刻、掩膜制成任意发光图形；是冷光源，无红外辐射，隐蔽性好；视角大，光线柔和，易于观察；功耗低，约几毫瓦厘米2；发光易于电控。缺点： 亮度较低（一般使用亮度为50cd/m2左右）、驱动电压高（通常需上百伏）、老化快。 直流粉未场致发光光源结构：与交流粉未场致发光光源类似。但其发光涂层是导电的CuxS，而不是大量分布在中间的绝缘胶合介质。激发：前者依靠交变电场激发，而直流场致发光吸收的能量等于通过发光体的传导电流与实际施加在发光体上电压的乘积。要求：发光体与电极有良好的接触。使用要求：使用前需在两电极

22、上施加短暂的高压脉冲，使铜离子从紧挨着阳极的发光体表面上失落，形成一高阻的薄ZnS层。工作电压较低，但由于大部分电压降落在高阻层上，因此ZnS也能发光。 直流粉末场致发光源的优缺点优点：亮度高，在约100V的直流电压激发下，发光亮度高达300cd/m2，且亮度随电压上升而迅速上升。制造工艺简单，成本低，外部驱动方便。缺点：效率低，功率转换效率只有0.1%，而且寿命较短（约1000小时）。 薄膜场致发光将固体发光材料制成薄膜的形式，在电场作用下出现的发光现象，称为薄膜场致发光。薄膜场致发光光源与粉未场致发光光源在形式上极其相似，发光层夹在两个平板电极之间，如同一个平板电容器。两个电极中，至少有一

23、个是透明的或半透明的，如导电玻璃等，当在两电极上加电压时，薄膜发光并通过它透射出来。 薄膜场致发光也有直流和交流两种。交流薄膜场致发光大源是在发光膜层与电极之间增加一层绝缘层，因此只在交流电压激发下才发光。 薄膜场致发光的特点差别：薄膜场致发光的突出特点是没有介质，它仅仅由ZnS多晶掺Mn后彼此联接而成。薄膜发光体可与电极直接接触，加上膜很薄（约1mm左右），因而可获得低压直流场致发光，一般工作电压只要十几伏至几十伏。 由于膜的厚度很薄，又没有介质，颗粒均匀细密，因此薄膜场致发光有很高的分辨率，成象质量高。发光亮度随电压变化迅速，显示对比度好。直流簿膜发光器件的驱动电压低，可直接用集成电路驱动

24、。 器件厚度对分辨率的影响发光二极管发光二极管就是一个由p型和N型半导体组合成的二极管。少数载流子在PN结区的注入与复合引起发光。发光二极管也称作注入式场致发光光源。当加上正向偏压时，在外电场作用下，p区的空穴和n区的电子就向对方扩散运动，构成少数载流子的注入，从而在PN结附近产主导带电子和价带空穴的复合。电子和空穴的每一次复合，将释放出与材料性质有关的能量（Eg），这个能量会以热能、光能、或部分热能和部分光能的形式辐射出来。发光二极管的结构发光二极管的特性参数 量子效率：输入和输出能量之间的比值。1、注入的载流子不见得都复合；可能通过结区的隧道效应和其他的形式流走。2、复合后也不定都发光。可

25、能以晶格振动（热能）或其他形式的能量（如俄歇跃迁），即所谓的无辐射复合。内量子效率：发光复合在整个过程中占的比例。外量子效率：产生的光子数并不能全部射出器件之外。向外界发射的光子能量占输入能量的比例就是外量子效率。 提高外量子效率的途径某些发光二极管材料的内量子效率很高，接近100，但外量子效率却很低。主要原因：所用半导体材料的折射率较高，如GaAs的折射率为，因此发生全内反射的临界角很小，大部辐射到材料与空气界面上光几乎全部被反射回去，故光能损失很大。为了减少全反射损失，通常采用两种方法：1、把半导体与空气的交界面做成半球形，以便让绝大部分的光线以小于临界角的方向射出表面。2、把PN结密封在

26、透明的高折射率的塑料中。这种结构与半导体空气界面相比，光输出约增大三倍。3、采用铸塑方法把塑料做成半球形，进一步减少光能损失。提高外量子效率的实用方法发光与电流的关系发光二极管的电流-电压特性和普通的二板管大体一样。对于正向特性，存在一个开启电压。电压小于开启以前几乎没有电流，电压一超过开启点就显示出欧姆导通特性，工作电流一般为550mA。反向击穿电压一般在5V以上。发光二极管的光出射度与电流密度近似成正比。发光二极管的光出射度还强烈地依赖于工作温度。当环境温度较高或工作电流过大时，由于热损耗，使光出射度不再继续随着电流成比例提高，出现饱和现象。 光谱特性发光二极管的发光光谱直接决定著它的发光

27、颜色。目前能制造出红、绿、黄、橙、蓝、红外等各种颜色的发光二极管，发光光谱半宽度约为2030nm。随着结温的上升，峰值波长将随温度增加漂向长波方向漂移，即发射波长具有正的温度系数。 为什么？响应时间发光二极管的响应时间是表示反应速度的一个重要参数，尤其在脉冲驱动或电光调制时显得十分重要。响应时间是指接通或断开电源时发光二极管启亮或熄灭的时间。直接跃迁的材料的响应时间仅几个纳秒，而间接跃迁材料的响应时间约为100纳秒。为什么？发光二级管可利用交流供电或脉冲供电获得调制光或脉冲光，调制频率可达几十兆赫。这种直接调制技术使发光二极管在相位测距仪、能见度仪及短距离通讯中获得应用。 工作寿命发光二极管的

28、寿命一般是很长的，在电流密度小于1A/cm2的情况下，寿命可达106小时。即可连续工作一百余年，这是任何光源均无法与之竞争的。发光二极管的亮度随着工作时间的增加而衰减，这就是老化。老化的快慢与电流密度有关。 其他光电器件光电导光敏二极管光敏三极管光耦合器件光波导光存储光放大光调制逻辑功能增益光电导型光探测器光敏二极管光敏二极管的原理基本上和光电池相同，当光照射到PN结上时，流过PN结的电流会发生变化。因此，通过测量流过PN结的电流即可测量出入射光的强度。光敏三极管光敏三极管是一个有基区但没有基极的三极管。基区留有窗口让光通过。当有光照射到基区上时，有构成be的PN结上有光生电流产生，此电流经三

29、极管放大后流过负载。光耦合器件 光耦合器件是将发光二极管和光电接收元件组合而构成的一种器件，它是以光子作为传输媒介，将输入端的电信号耦合到输出端，但输入端和输出端在电路上是隔离的。光电耦合器件具有体积小、寿命长、抗干扰能力强和输入输出间绝缘性能好，单向传输等特点，因而在工业控制等方面得到广泛的应用。 负阻发光器件负阻发光二极管的结构及伏安特性如下图所示，它相当于两个PN结串在一起，但可以等效为两个三极管。其伏安特性曲线呈S型。工作原理当加上如图所示的电压时，由于PN结J2反向，故几乎无电流流过，当偏压提高到J2的击穿电压时，电流开始上升。由于P1N1P2和N1P2N2具有晶体管放大作用，整个体

30、系的电流倍增率大于1，于是电流急增，同时压降迅速降低。实际工作时，在负阻发光管上预先加上直流偏压，它低于负阻的闭锁电压。当要选通时，只需在控制极上加一幅度较大的脉冲电压，负阻发光管就可以呈“通”状态，负阻发光管上的电压降为V0。负阻发光管此时可以发出很明亮的光，并且一直保持着，即能把电信号用发光的形式“记住”。要擦除这记住的信号，除非电压低于维持电压。也可在控制极上加反向脉冲来擦除，其幅度应大于所加的正向电压。当有光照时，脉冲开启电压可以降低，甚至直接用光照就可使负阻发光管开启。这样可以用一种波长的光把信号写入，使负阻光管“记住”，并通过负阻发光器件发出另一波长和强度的光进行读出。这一性能可用于光存储、光放大、光波长转换等。半导体激光器在异质结应用中已经提到。 1962年，从由液氮冷却的正向偏置的GaAs 的PN结得到了8100埃的脉冲辐射。不久之后，又有人宣称在GaAs1-XPx混合晶体的结中取得了7100埃的激光作用。目前由半导体激光器发出的相干幅射的波长已经从红外进入紫外范围。 产生激光的条件和过程 激光器一般是由工作物质、谐振腔和泵浦源组成。利用泵浦源能量将工作物质中的粒子从低能态激发到高能态，使处于高能态的粒子数多于处于低能态的粒子数，构成粒于