西交大微电子考研半导体物理课件chapter

1、1主要内容：半导体的光学常数；光吸收；光电导；（光敏器件，半导体感受光传感器）光生伏特效应；（光电池光生电）半导体发光；（LED电生光）半导体激光；（电生光）半导体光能电能2第十章 半导体光学性质光电与发光现象光与半导体相互作用的一般规律；利用光子与晶体中电子、原子的相互作用来研究半导体的光学过程。光学性质：1)光学常数，物理量光吸收性质（光电导，光生伏特）发光性质吸收光光与半导体相互作用光辐射（发光）121 i0v20 0 rc由于媒质中的光速等于c/N，v N c为真空中光速，N为复折射率所以：N 2 c2 i r 0 00 真空中，N 1, r 1, 0c 100N 2 ir0电导率不为

2、零时N n ik4半导体的光学常数一、折射率和吸收系数1、折射率“N”：根据电动力学知识，利用方程组推得电磁波在不带电的各向同性的均匀介质中时满足如下方程：2E2 EE 0 t 0 r0 t2 0设沿x方向的平面电磁波，其电场E的y分量具有如下形式：E E exp i t x y0v 代入上述方程得：电磁波沿x方向的速度1 i0v20 0 r3折射率 消光系数吸收系数32.=1Hx x SemiconductorIoPhoton flux inPhoton flux outI(x) I(x) # IYZo LM,-F 6E2) LM! PQFdI I dxl;oFI I exQ_1H06v c

3、E E exp i t x n iky0v ,-Ey?+oFE E exp kx exp i t nx cy0c c v nA5p&L)BCDEFH H exp kx exp t nx z0c i c FG3pq)3HLIpHLJK ekx/c LM 45_NO3PQ53HLIpHLRSTUVFI I exp 2kx 0c5k! )L M)XY23RSW43.光学常数n、k与电学常数的关系：即：n2 k 2 r 2nk N 2 ir N n ik0 c 100解得：1 20 1 /2 n 2 1 1 2 r 2 0 21 /2 k 2 1 1 1 2 r 2 0 式中n，k是频率的函数，当0时

4、，k0，n r对于非导电材料，没有吸收，材料对电磁波为透明的;对于一般的半导体材料，折射率约为3-4;吸收系数除与材料有关外，还随光波的波长而变，如果吸收系数很大，光吸收集中在晶体表面薄层内。8kI I ex 又 I I exp 2kx 00c与理论衰减规律一致，对比，得：k（:空间光的波长；k:消光系数） 称为吸收系数，与光强无关，与入射波长有关。物理意义：光在媒质中1/ 距离时能量衰减到原来的1/e。75二、反射系数、透射系数入射反射光照射到媒质界面时发生反射和折射界面反射能流透射能流入射能流透射根据波动方程一般表达式和方程：H N E0 c00光波的能流密度可用坡矢量的实数部分表示：22

5、 0c假设反射波电矢量振幅为E0 E 2(n 1)2 k 21.反射系数： R 0 E 2(n 1)2 k 2010小结：导电媒质中平面波的波动方程为：E E exp i t Nx y0c 对于电介质，N为实数，对于导电媒质，N为复数， N n ik其实数部分为一般折射率，其虚数部分为消光系数，决定光的衰减，与吸收系数直接相关： 4 k光在导电媒质中 与在电介质中 的显著区别在于：由于导电媒质中的 电子存在，光波将在其中激起传导电流，光波的部分能量转换为焦耳热，导电媒质的吸收系数决定于电导率。96半导体光吸收光在半导体中时存在衰减，即半导体材料能够强烈吸收光能半导体吸收谱的特点：为连续的吸收带

6、；半导体中存在多种不同的吸收过程。 4 k本征吸收激子吸收载流子吸收杂质吸收晶格振动吸收122.透射系数透射系数和反射系数满足：T 1 R光透射厚度为d的媒质：（假设两个界面反射系数均为R，吸收系数为 ）T 1 R2 ed117*+,-./0123456789:;()*+=14()23./1.*hF30r_t!_tQlRS:;.2.TU=VFh h E 1.24(m)0g0E (eV )gTU=dqV 0TU=paV 0Egt2.42eV13SiFj0t1.1Wm 45 GaAsF 6070.8678m 45CdS9 6070.5138m :;$8直接带隙半导体：导带极小值和价带极大值出现于相

7、同的位置的半导体材料。如：III-V族的GaAs、InSb及一些II-VI族半导体材料等。这些半导体材料在本征吸收时产生电子的直接跃迁。间接带隙半导体：导带底和价带顶的k值不同的半导体材料。Si，Ge对于间接带隙半导体材料，由导带底到价带顶不可能发生直接跃迁。说明对于本征吸收，除了直接跃迁还存在其他跃迁：间接跃迁，为了满足动量守恒，该过程需要声子参与。163.分类：A.直接跃迁（k值不变，直接带隙半导体）电子吸收光子的跃迁过程必须同时满足能量守恒和动量守恒：hk hk 光子动量由于光子动量相对很小，可忽略不计，所以：k k能量E E h（光子能量）电子跃迁的选择定则：电子吸收光子产生跃迁，电子

8、保持不变，能量增加。159吸收系数和光子能量的关系：对应间接跃迁对应直接跃迁研究半导体的吸收光谱可以确定吸收限，进而确定禁带宽度，同时有助于了解能带的复杂结构，并区分直接及间接半导体18B.间接跃迁（间接带隙半导体） 光子、电子、声子相互作用除了吸收光子外，还与晶格(声子)交换能量h 0 Ep 电子能量差E(能量守恒)Ep声子能量，很小，可以忽略，h 0 电子能量差E(hk hk) hq 光子动量(动量守恒)忽略光子动量： k k （q 声子的）正号表示吸收一个声子，负号表示发射一个声子；间接跃迁同时包含电子、光子的相互作用及电子、声子相互作用，是一种二级过程，其发生几率远小于直接跃迁。间接跃

9、迁吸收系数：1103cm-1;直接跃迁吸收系数：104-106cm-1;1710二、其它吸收过程能量小于禁带宽度的光子也可以被吸收1.激子吸收激子系统：光子能量小于禁带宽度，价带电子受激发后跃出价带，但 以进入导带，从而形成相互束缚一个电子和空穴对，这种相互 的电子空穴对称为激子系统，相应的吸收称为激子吸收。特征：激子形成后可在晶体中运动，不是电子和空穴，整体呈电中性，不参与导电，不伴有光电导途径：热激发或其他能量激发,电子、空穴对分离，形成电子和空穴；电子空穴复合，光子或同时光子和声子20移动重掺杂半导体，如n型半导体，本征吸收的长波限向短波方向移动；由于能级进入导带，导带底的电子能级被电子

10、占满，价带电子只能跃迁到能级以 上。-效应在强电场作用下，本征吸收的长波限将向长波方向移动；(光子诱导下的隧道效应)19112.载流子吸收载流子在同一带内跃迁所引起的吸收；载流子吸收特点：吸收强度随波长增大而增加；吸收过程伴随声子的吸收或发足动量守恒；吸收光子能量较小，一般是红外吸收。22D.激子吸收能谱：激子能量可采用类氢模型，由一系列能级组成：nq4*Eex 2 2 2 2 mrm* m* m* /(m* m* )8 0 r h nrp npnn=1对应激子的基态能级；n=无穷大时，激子能量为零，相当于电子跃迁到导带底；第1峰：电子由价带到基态第2峰：电子由价带到n2激发态第3峰：电子由价

11、带到n3激发态，之后，波谱连续，和本征吸收谱合在一起通常激子吸收线密集在本征吸收线上，低温观察21123.杂质吸收在杂质能级上的电子吸收光子跃迁到导带，价带电子吸收光子能量跃迁到空着的杂质能级（空穴吸收能量由杂质能级发射到价带）；EI 为电离能为连续吸收光谱杂质吸收谱长波限：hv0 EI（a,b,c,d）电离杂质吸收谱长波限：hv Eg EI（f,e）24具有带结构的载流子吸收在p型Ge中可观察到三个载流子吸收峰，这是由于Ge的价带具有能带结构a(V2 V1) : 20m b(V3 V2 ) : 4.7m c(V3 V1) : 3.4m2313半导体的光电导一、定义：光照引起半导体电导率增大的

12、现象称为光电导；本征吸收引起的光电导称为本征光电导。二、附加电导率无光照： 0 q(n0n p0 p )光照后： q(nn p p ) q(n0 n p0 p ) q(nn p p ) 0 26杂质中心的激发态吸收杂质中心具有一系列的类氢激发态能级E1，E2， E3，杂质中心由基态到激发态同样引起光吸收，类似于激子吸收4.晶格振动吸收光子能量直接转化为晶格振动动能；晶格振动吸收一般位于远红外区；离子晶体或离子性较强的晶体存在较强的晶格振动吸收带；2514虽然本征光吸收中激发的电子和空穴数相等，但通常是作为多数载流子的光生载流子具有较长的时间，而另一种载流子则往往被一些陷阱所，从而使得：n p或

13、n p则： nnq或 p pq此外还有杂质光电导，不过一般杂质光电导相对本征光电导很小。28相对光电导： nn p p 0n0 n p0 p对于本征光电导：n p (1 b)n其中：bn pb n000p当n0，p0较小时，可获得高的相对光电导，所以光敏电阻一般由高阻材料制成，或低温下使用；2715dI I dx光子的吸收率：时间、体积吸收的光子数 I电子-空穴的产生率：Q I : 量子产额，吸收一个光子产生的电子空穴对数如果每吸收一个光子产生一对电子空穴，则 1定态光电导的大小假设t=0时刻，开始以强度为I的光照射半导体表面，如果不考虑复合，经过时间t后：n p It30三、定态光电导及其弛

14、豫过程定义：在一定的光照下，达到平衡时的光生载流子的数量；光子吸收率设：I为时间通过面积的光子数（用光子数计算光强）时间流过A（面积）的光子数I1时间流过B的光子数I2x体积内吸收的光子数I2I1时间、体积吸收的光子数：lim I1 I2 dIxdxI I e xdI I ex I0dx02916光照下光电导逐渐上升，经过一定时间后达到定态光电导32随着光生载流子浓度的增加，非平衡载流子的复合率也相应增加；最终产生率与复合率达成平衡：R=Q；假设电子和空穴的分别为： n , p则平衡时的定态光生载流子浓度为：ns I n , ps I p定态光电导： s q I (n n p p )、表征光和

15、物质的相互作用，决定光生载流子的激发过程 、表征载流子和物质的相互作用，决定载流子运动和非平衡载流子的复合过程3117（b）光照停止后,Q0d nn dt假设停止光照时光生载流子已达到稳态值即：n(0) ns停止光照后光生载流子n(t) n et /s光电导与光生载流子浓度变化相对应t /上升： s (1 e)t /下降： se：弛豫时间345.光生载流子弛豫过程光照下光电导逐渐上升和光照停止后光电导逐渐的现象称为光电导的驰豫现象光生载流子浓度和光照时间的关系A.小注入：（a）t0开始光照，光强为I，光生载流子为常数n复合率： R dnnn的增加率： Q R I dt利用边界条件：t 0, n

16、 0解得： tnI (1e )当 t n I ns稳态3318B.强注入情况(只考虑直接复合)此时复合率随注入水平变化U r(n)2n 上升和下降的微分方程为：上升： d n / dt I r n2下降： d n / dt r n2初始条件为：U r(n)2 Q I上升： t 0, n 0;下降： t 0, n ns I / r ;1/2 3635194 T3d1. 3#3T3ns Iqi A3W3) 3# 3#3T3 s qnns q IIn* A I 3#4Ij3T34c op|lAu#rNN0 C4dIMNO4c. op|l4dI T3#)PQRO45.3T3I623%&78IXYbc&

17、9Q:;(vw#iI IL IF IL Is (e01)qV / k ToiFV k0T ln IL I 1qIswl3I(It0CF V k0T ln IL 1ocq I s+l3NAV=0CFIsc IL4926半导体发光半导体发光：电子由高能级向低能级跃迁，同时发射光子的过程。半导体发光的条件：半导体因某种激发过程而处于非平衡状态非平衡载流子（电子、空穴）的复合半导体因激发过程不同而分为：电致发光：电场激发载流子，电能转换为光能光致发光：紫外线、光或普通灯光照射后，具有的发光性能（荧光体） 阴极发光：物质表面在高能的轰击下发光的现象称为阴极发光 （宝石矿物质）52四、应用能电池：大面积p

18、n结组成,2010-2020年，10,000- 20,000兆瓦功率电池辐射探测器（光辐射及其它粒子辐射）不用外接电源，测光生电压，探测辐射粒子强度51273.辐射跃迁分类1)本征跃迁：带间电子跃迁（本征吸收逆过程）直接跃迁直接带隙半导体，电子空穴及光子参与辐射效率高，II-VI族化合物III-V族化合物间接跃迁间接带隙半导体，声子参与几率小直接跃迁hv Ec Ev Eg间接跃迁hv Ec Ev Ep54一、辐射跃迁定义：电子由高能态向低能态的跃迁过程，一定能量，若跃迁伴随放出光子，则称辐射跃迁跃迁过程：1)杂质或缺陷参与的跃迁： a导带电子到未电离受主b未电离施主上电子到价带c未电离施主上电

19、子到未电离受主 2)带与带之间的跃迁：d导带底电子到价带顶 e导带热电子到价带顶导带底电子到价带热空穴3)热载流子的带内跃迁f5328二、发光效率载流子复合时，其能量可以多种形式 ，可以辐射形式 能量，也可以非辐射形式（俄歇过程，发射声子） 能量；发光效率决定于辐射复合所占比例；发光效率用“量子效率”和 “外部量子效率”表示：1)量子效率时间内产生的光子数内时间内注入的电子 空穴对数562)非本征跃迁杂质能级参与的跃迁为非本征跃迁，对于间接带隙半导体材料，由于本征跃迁很弱，非本征跃迁起主要作用；施主与受主之间的跃迁是一种重要的非本征跃迁，因为其发光效率高，是多数发光二极管的跃迁机理；能量关系为

20、：2hv Eg (E5529|L0Za?;D_M) 01_)*Bi#$|I_F?;D_M) 02)*2/#$( R=IB$/(R;5#$.U=吸收率6333达到分布反转时应该满足： Wr Wa即应该满足：fc (E)1 fv (E hv) fv (E hv)1 fc (E) fc (E) fv (E hv)11exp E EFn 1exp E hv EFp 1k Tk T00 E EFn E hv EFp所以达到分布反转必须满足：EFn EFp hv激发光子还要满足：hv Eg66一般情况下分布反转的条件：非平衡态下能级E上电子占据几率f (E) 1; f (E) 1c E Ev E Eexp

21、 Fn 1exp Fp 1k0Tk0T用能量为hv、能流密度为I(hv)的光照射系统，则总的受激辐射辐射率为：Wr Nc (E) fc (E)Nv (E hv)1 fv (E hv)I (hv)dE类似的，总吸收率为：Wa Nv (E hv) fv (E hv)Nc (E)1 fc (E)I (hv)dE6534激光产生：激活区：开始大量非平衡载流子自发辐射发出光子，相位、 方向随机，一些沿水平方向（pn结平面内）引起受激辐射产生相同光子注入电流增加受激辐射占优，集中在pn结面单色性好、强度大，但相位杂乱。腔：垂直于结面两个严格平行晶体解理面。两列相反传播方向的波叠加形成驻波，相位固定，成为相

22、干光m( ) l2n68三、p-n结激光器原理（受激辐射）1.注入机构：n区和p区均需重掺杂（1018/cm3）， 平衡时EFn和EFp分别进入导带和价带；施加正向电压V时，准能级差为qV，n区向p区注入电子，p区向n区注入空激活区（电子空穴浓度穴。由于平衡时的势垒高度都很高）大于Eg，所以即使qV Eg势垒仍然不结面附近满足：EFn EFp hv外界注入能量使粒子数反转，电子处于高能级载流子的“抽运”（泵）6735激光光谱分布自发辐射：谱线较宽；GaAs，77K电流增大，受激辐射逐渐增 强，谱线变窄；接近阈值时，谱线出现一系列峰值，随着注入电流的增大，峰值不断增 强。峰值对应于满足腔驻波条件的那些波长。随着注入电流的