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1、第第1010章章 半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì) 10.110.1 半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收 10.210.2 半導(dǎo)體的光電導(dǎo)半導(dǎo)體的光電導(dǎo) 10.310.3 半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng) 10.410.4 半導(dǎo)體發(fā)光及半導(dǎo)體激光半導(dǎo)體發(fā)光及半導(dǎo)體激光 本章重點(diǎn)討論光與半導(dǎo)體相互作用的一般規(guī)律本章重點(diǎn)討論光與半導(dǎo)體相互作用的一般規(guī)律, , 以光子與半導(dǎo)體中的電子、原子的相互作用來研究以光子與半導(dǎo)體中的電子、原子的相互作用來研究 半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì),主要講解以下四個(gè)方面:半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì),主要講解以下四個(gè)方面: 10.1 半導(dǎo)體的光吸收 10.1.1 吸收系數(shù),反射系數(shù)和透射系數(shù)

2、 l1 1 半導(dǎo)體的光吸收系數(shù)半導(dǎo)體的光吸收系數(shù) 用透射法測(cè)定光在媒質(zhì)(半導(dǎo)體)用透射法測(cè)定光在媒質(zhì)(半導(dǎo)體) 中的衰減時(shí)發(fā)現(xiàn),光的衰減與光中的衰減時(shí)發(fā)現(xiàn),光的衰減與光 強(qiáng)成正比,若引入正比例系數(shù)強(qiáng)成正比,若引入正比例系數(shù) (光吸收系數(shù))(光吸收系數(shù)) dI I x dx 光強(qiáng)在半導(dǎo)體媒質(zhì)中的衰減規(guī)律光強(qiáng)在半導(dǎo)體媒質(zhì)中的衰減規(guī)律 0 expI xIx I I0 0表示在表面(表示在表面(x=0 x=0)處入射光的強(qiáng)度)處入射光的強(qiáng)度 的物理意義的物理意義:光入射導(dǎo)半導(dǎo)體內(nèi)被吸收,使光強(qiáng)減小到原值:光入射導(dǎo)半導(dǎo)體內(nèi)被吸收,使光強(qiáng)減小到原值 的的1/e1/e時(shí),光波在半導(dǎo)體中所傳播的距離即是吸收系

3、數(shù)的倒數(shù)。時(shí),光波在半導(dǎo)體中所傳播的距離即是吸收系數(shù)的倒數(shù)。 l由電磁場(chǎng)理論,光波在媒質(zhì)(半導(dǎo)體)中傳播,光強(qiáng)由電磁場(chǎng)理論,光波在媒質(zhì)(半導(dǎo)體)中傳播,光強(qiáng)I I隨傳隨傳 播距離播距離x x的變化的變化 式中,式中,為光波角頻率;為光波角頻率;c c為光速;為光速;k k為消光系數(shù)為消光系數(shù) 吸收系數(shù)表示式吸收系數(shù)表示式 為入射光在自由空間的波長(zhǎng)為入射光在自由空間的波長(zhǎng),k,k為媒質(zhì)的消光系數(shù)。為媒質(zhì)的消光系數(shù)。對(duì)于對(duì)于 吸收系數(shù)很大的情況吸收系數(shù)很大的情況(例如(例如 ),),光的吸收實(shí)際上光的吸收實(shí)際上 集中在晶體很薄的表面層里。集中在晶體很薄的表面層里。 0 2 exp kx I xI

4、c 10.1 半導(dǎo)體的光吸收 10.1.1 吸收系數(shù),反射系數(shù)和透射系數(shù) 15 10 cm l2 2 反射系數(shù)和透射系數(shù)反射系數(shù)和透射系數(shù) 當(dāng)光波(電磁波)照射到導(dǎo)電媒質(zhì)界面時(shí),必然發(fā)生反當(dāng)光波(電磁波)照射到導(dǎo)電媒質(zhì)界面時(shí),必然發(fā)生反 射和折射。考慮光從空氣垂直入射于折射率射和折射??紤]光從空氣垂直入射于折射率N=n-ikN=n-ik的媒質(zhì)的媒質(zhì) 界面時(shí):界面時(shí): 反射系數(shù)反射系數(shù):指界面反射能流密度和入射能流密度之比,:指界面反射能流密度和入射能流密度之比, 用用R R表示(表示(n n為媒質(zhì)折射率)為媒質(zhì)折射率) 透射系數(shù)透射系數(shù):指透射能流密度和入射能流密度之比值,:指透射能流密度和入

5、射能流密度之比值, 用用T T表示(表示(d d是半導(dǎo)體樣品厚度)是半導(dǎo)體樣品厚度) 2 2 2 2 1 1 nk R nk 2 1expTRd 10.1 半導(dǎo)體的光吸收 10.1.1 吸收系數(shù),反射系數(shù)和透射系數(shù) 光吸收光吸收: :光在電介質(zhì)中傳播時(shí)強(qiáng)度衰減的現(xiàn)象,即產(chǎn)生光的吸光在電介質(zhì)中傳播時(shí)強(qiáng)度衰減的現(xiàn)象,即產(chǎn)生光的吸 收。收。 電子吸收光子能量后電子吸收光子能量后 將發(fā)生不同的躍遷將發(fā)生不同的躍遷 (即能量狀態(tài)密度)(即能量狀態(tài)密度) 1.1.本征吸收本征吸收:電子由價(jià)帶向?qū)У能S遷所引起的光吸收,它:電子由價(jià)帶向?qū)У能S遷所引起的光吸收,它 是最重要的吸收,又叫基本吸收。是最重要的吸

6、收,又叫基本吸收。 本征吸收的特點(diǎn)是產(chǎn)生電子本征吸收的特點(diǎn)是產(chǎn)生電子- -空穴對(duì),從而引起光電導(dǎo)??昭▽?duì),從而引起光電導(dǎo)。 10.1 半導(dǎo)體的光吸收 10.1.2 本征吸收 不同能帶的狀態(tài)之間;不同能帶的狀態(tài)之間; 同一能帶的不同狀態(tài)之間;同一能帶的不同狀態(tài)之間; 禁帶中能級(jí)與能帶之間禁帶中能級(jí)與能帶之間 2.2.本征吸收長(zhǎng)波限本征吸收長(zhǎng)波限 )( 24. 1 : 0 0 0 000 m eVE eV E hc Ehh gg g :本征吸收長(zhǎng)波限:本征吸收長(zhǎng)波限 率限;率限;引起本征吸收的最低頻引起本征吸收的最低頻 為本征吸收限。為本征吸收限。, 3.3.吸收譜吸收譜 。強(qiáng)衰減為原來的強(qiáng)衰減為

7、原來的 長(zhǎng)度時(shí),光長(zhǎng)度時(shí),光中傳播中傳播為吸收系數(shù),光在介質(zhì)為吸收系數(shù),光在介質(zhì); 的關(guān)系的關(guān)系或或與與吸收系數(shù)吸收系數(shù) e eIxI h x /1 /1 0 0481612 25 50 75 100 1 cm 的吸收譜的吸收譜InSb 10.1 半導(dǎo)體的光吸收 10.1.2 本征吸收 m 本征吸收本征吸收 l光吸收時(shí)半導(dǎo)體中電子的躍遷要求光吸收時(shí)半導(dǎo)體中電子的躍遷要求 能量守恒,準(zhǔn)動(dòng)量守恒。能量守恒,準(zhǔn)動(dòng)量守恒。 能量守恒和動(dòng)量守恒能量守恒和動(dòng)量守恒 上式近似寫成上式近似寫成 EhE a EhhE hkhqhk光子動(dòng)量 hkhqhk 10.1 半導(dǎo)體的光吸收 10.1.2 本征吸收 很小很小

8、 很小很小 4 4. . 直接躍遷(豎直躍遷)直接躍遷(豎直躍遷) 概念:概念:在本征吸收過程中,價(jià)帶中的一個(gè)電子僅僅只吸在本征吸收過程中,價(jià)帶中的一個(gè)電子僅僅只吸 收一個(gè)光子,而不涉及與晶格振動(dòng)交換能量,便被激發(fā)到收一個(gè)光子,而不涉及與晶格振動(dòng)交換能量,便被激發(fā)到 導(dǎo)帶中去的躍遷過程。導(dǎo)帶中去的躍遷過程。 躍遷前后能量改變?yōu)檐S遷前后能量改變?yōu)?躍遷前后動(dòng)量沒有改變躍遷前后動(dòng)量沒有改變 電子躍遷前后波矢電子躍遷前后波矢k沒有發(fā)生改變沒有發(fā)生改變 EEEh hkhkkk 10.1 半導(dǎo)體的光吸收 10.1.2 本征吸收 l直接帶隙材料直接帶隙材料:導(dǎo)帶極小值:導(dǎo)帶極小值 和價(jià)帶極大值都處于同一波

9、和價(jià)帶極大值都處于同一波 矢矢k的半導(dǎo)體材料(的半導(dǎo)體材料(GaAs, GaSb等)等) l直接躍遷的吸收光譜是連續(xù)直接躍遷的吸收光譜是連續(xù) 的吸收帶,對(duì)于直接帶隙半的吸收帶,對(duì)于直接帶隙半 導(dǎo)體可以從光吸收的測(cè)量來導(dǎo)體可以從光吸收的測(cè)量來 求得禁帶寬度的數(shù)值。求得禁帶寬度的數(shù)值。 10.1 半導(dǎo)體的光吸收 10.1.2 本征吸收 l5. 5. 間接躍遷(非豎直躍遷)間接躍遷(非豎直躍遷) 概念:概念:在半導(dǎo)體本征吸收過程中電子激發(fā),不但吸收光在半導(dǎo)體本征吸收過程中電子激發(fā),不但吸收光 子的能量而且還與晶格熱振動(dòng)交換能量的躍遷過程。子的能量而且還與晶格熱振動(dòng)交換能量的躍遷過程。 躍遷前后能量改

10、變?yōu)檐S遷前后能量改變?yōu)?躍遷前后動(dòng)量沒改變躍遷前后動(dòng)量沒改變 EEEh hkhkhqkkq 10.1 半導(dǎo)體的光吸收 10.1.2 本征吸收 l間接帶隙材料間接帶隙材料:導(dǎo)帶極小值:導(dǎo)帶極小值 和價(jià)帶極大值不在同一波矢和價(jià)帶極大值不在同一波矢 k的半導(dǎo)體材料(的半導(dǎo)體材料(Si, Ge) 10.1 半導(dǎo)體的光吸收 10.1.2 本征吸收 比本征吸收限波長(zhǎng)還長(zhǎng)的光子也能被吸收,因?yàn)檫€存在比本征吸收限波長(zhǎng)還長(zhǎng)的光子也能被吸收,因?yàn)檫€存在 其他吸收過程,如:其他吸收過程,如:激子吸收、自由載流子吸收、雜質(zhì)吸收激子吸收、自由載流子吸收、雜質(zhì)吸收 及及晶格振動(dòng)吸收晶格振動(dòng)吸收。 1. 1. 激子吸收激子

11、吸收 如果光子能量如果光子能量h小于小于Eg,價(jià)帶電子受激發(fā)后雖然躍出,價(jià)帶電子受激發(fā)后雖然躍出 了價(jià)帶,但還不足以進(jìn)入導(dǎo)帶成為自由電子,仍然受到價(jià)了價(jià)帶,但還不足以進(jìn)入導(dǎo)帶成為自由電子,仍然受到價(jià) 帶空穴的庫侖作用。受激電子和空穴互相束縛而結(jié)合在一帶空穴的庫侖作用。受激電子和空穴互相束縛而結(jié)合在一 起成為一個(gè)新的系統(tǒng),稱為起成為一個(gè)新的系統(tǒng),稱為激子激子。這樣的光吸收稱為激子。這樣的光吸收稱為激子 吸收。吸收。 實(shí)驗(yàn)證明,在低溫下某些晶體在本征連續(xù)吸收光譜出實(shí)驗(yàn)證明,在低溫下某些晶體在本征連續(xù)吸收光譜出 現(xiàn)之前,即現(xiàn)之前,即h0 穩(wěn)定值,穩(wěn)定值,時(shí)時(shí), ,則有,則有時(shí)時(shí),設(shè)設(shè) 變化過程變化過

12、程光照后非平衡載流子的光照后非平衡載流子的 t tnU ,由連續(xù)性方程得由連續(xù)性方程得復(fù)合率為復(fù)合率為 1 00 0 小注入(直線性光電導(dǎo))小注入(直線性光電導(dǎo)) 10.2 半導(dǎo)體的光電導(dǎo) 10.2.2 定態(tài)光電導(dǎo)及其弛豫過程 下面以下面以nn起主要光電導(dǎo)作用為例來討論,只考慮起主要光電導(dǎo)作用為例來討論,只考慮 均勻摻雜半導(dǎo)體中均勻產(chǎn)生非平衡載流子的情況均勻摻雜半導(dǎo)體中均勻產(chǎn)生非平衡載流子的情況: ns Iqtb 光電導(dǎo)上升過程中:光電導(dǎo)上升過程中:)1 ()1 ( /tt tb t s t n eeIq t t t t t t t s t s s e entn nnt n dt nd 所以所

13、以 , 停止光照后停止光照后 0 012 3 4 012 3 4 t tt s 光照光照 停止光照停止光照 10.2 半導(dǎo)體的光電導(dǎo) 10.2.2 定態(tài)光電導(dǎo)及其弛豫過程 由光電導(dǎo)的上升由光電導(dǎo)的上升 和衰減的表達(dá)式和衰減的表達(dá)式 可以看出,載流可以看出,載流 子的壽命子的壽命的大的大 小直接影響著光小直接影響著光 電導(dǎo)變化的快和電導(dǎo)變化的快和 慢,也即壽命影慢,也即壽命影 響著光電導(dǎo)的弛響著光電導(dǎo)的弛 豫過程的快慢。豫過程的快慢。 強(qiáng)注入(拋物線性光電導(dǎo))強(qiáng)注入(拋物線性光電導(dǎo)) nnU 2 g g成反比成反比壽命與壽命與直接復(fù)合情況直接復(fù)合情況 tI I tnnntn dt nd I nn

14、t tI I nnt nI dt nd s s 21 21 2 21 21 21 2 1 1 0 00 g gbbg g bb g g g g bb g gbb g g bb g gbb , 時(shí),時(shí), , , tanh 10.2 半導(dǎo)體的光電導(dǎo) 10.2.2 定態(tài)光電導(dǎo)及其弛豫過程 n g t 1 )tanh()( 2/ 12/ 1 tIr r I nb b )( r I nn s b )(1 1 )( 2/1 2/1 tIrr I n b b 光電導(dǎo)靈敏度及光電導(dǎo)增益光電導(dǎo)靈敏度及光電導(dǎo)增益 光電導(dǎo)一般指單位光照度引起的光電導(dǎo)光電導(dǎo)一般指單位光照度引起的光電導(dǎo)。在。在 一定光照下,定態(tài)光電導(dǎo)

15、一定光照下,定態(tài)光電導(dǎo)s s(對(duì)應(yīng)(對(duì)應(yīng)n ns s)越大,)越大, 其靈敏度也越高。其靈敏度也越高。 前面推導(dǎo)的小注入時(shí)的前面推導(dǎo)的小注入時(shí)的n ns s公式為:公式為: 可以看出,如果考慮到光電導(dǎo)靈敏度的話,材料可以看出,如果考慮到光電導(dǎo)靈敏度的話,材料 光電導(dǎo)的弛豫時(shí)間(由壽命光電導(dǎo)的弛豫時(shí)間(由壽命來體現(xiàn))越大,光來體現(xiàn))越大,光 電導(dǎo)的定態(tài)值也越大(即靈敏度越高)。電導(dǎo)的定態(tài)值也越大(即靈敏度越高)。 btIns 10.2 半導(dǎo)體的光電導(dǎo) 10.2.2 定態(tài)光電導(dǎo)及其弛豫過程 但另一方面,壽命但另一方面,壽命大,意味著弛豫時(shí)間長(zhǎng),大,意味著弛豫時(shí)間長(zhǎng), 也就是光敏材料對(duì)光信號(hào)的反應(yīng)慢

16、。所以在實(shí)際應(yīng)也就是光敏材料對(duì)光信號(hào)的反應(yīng)慢。所以在實(shí)際應(yīng) 用中,常希望得到較大的光電導(dǎo)靈敏度(即要求大用中,常希望得到較大的光電導(dǎo)靈敏度(即要求大 的弛豫時(shí)間的弛豫時(shí)間),又希望能有較好的高頻信號(hào)響應(yīng)),又希望能有較好的高頻信號(hào)響應(yīng) (反應(yīng)快,即小的弛豫時(shí)間(反應(yīng)快,即小的弛豫時(shí)間),二者是相互矛盾),二者是相互矛盾 的,需要根據(jù)實(shí)際情況來選用適當(dāng)?shù)牟牧稀5模枰鶕?jù)實(shí)際情況來選用適當(dāng)?shù)牟牧稀?此外,即使由同一種材料制成的光敏電阻,當(dāng)此外,即使由同一種材料制成的光敏電阻,當(dāng) 結(jié)構(gòu)不同時(shí),可以產(chǎn)生不同的光電導(dǎo)效果,通常用結(jié)構(gòu)不同時(shí),可以產(chǎn)生不同的光電導(dǎo)效果,通常用 “光電導(dǎo)增益因子光電導(dǎo)增益因

17、子G G”表示光電導(dǎo)效應(yīng)的增強(qiáng)。表示光電導(dǎo)效應(yīng)的增強(qiáng)。 10.2 半導(dǎo)體的光電導(dǎo) 10.2.2 定態(tài)光電導(dǎo)及其弛豫過程 以下圖為例,光敏電阻兩端接電壓以下圖為例,光敏電阻兩端接電壓V V。在外電。在外電 場(chǎng)作下,光生載流子(以光生電子為例)在兩電極場(chǎng)作下,光生載流子(以光生電子為例)在兩電極 間的定向運(yùn)動(dòng)形成電路中的光電流。間的定向運(yùn)動(dòng)形成電路中的光電流。 10.2 半導(dǎo)體的光電導(dǎo) 10.2.2 定態(tài)光電導(dǎo)及其弛豫過程 設(shè)光生電子壽命為設(shè)光生電子壽命為 n n,電子從一個(gè)電極漂,電子從一個(gè)電極漂 移到另一個(gè)電極的渡越時(shí)移到另一個(gè)電極的渡越時(shí) 間為間為t t。 10.2 10.2 半導(dǎo)體的光電導(dǎo)

18、半導(dǎo)體的光電導(dǎo) 10.2.2 10.2.2 定態(tài)光電導(dǎo)及其弛豫過程定態(tài)光電導(dǎo)及其弛豫過程 若若n nt t,則表示該樣品每吸收一個(gè)光子產(chǎn),則表示該樣品每吸收一個(gè)光子產(chǎn) 生光生載流子的過程中,會(huì)有多個(gè)電子從負(fù)極流向生光生載流子的過程中,會(huì)有多個(gè)電子從負(fù)極流向 正極,這樣,電極較靠近時(shí)光電流會(huì)大于電極遠(yuǎn)離正極,這樣,電極較靠近時(shí)光電流會(huì)大于電極遠(yuǎn)離 時(shí)的光電流。用光電導(dǎo)增益因子時(shí)的光電流。用光電導(dǎo)增益因子G G表示這種光電導(dǎo)表示這種光電導(dǎo) 效應(yīng)的增強(qiáng),數(shù)值上:效應(yīng)的增強(qiáng),數(shù)值上: 2 l V l V l E l v l G nn n n n n d n t n t t tt t t 10.2 10

19、.2 半導(dǎo)體的光電導(dǎo)半導(dǎo)體的光電導(dǎo) 10.2.3 10.2.3 復(fù)合中心和陷阱對(duì)光電導(dǎo)的影響復(fù)合中心和陷阱對(duì)光電導(dǎo)的影響 l高阻光電材料中典型高阻光電材料中典型 的復(fù)合中心對(duì)光電導(dǎo)的復(fù)合中心對(duì)光電導(dǎo) 的影響的影響: :這樣的材料對(duì)這樣的材料對(duì) 光電導(dǎo)起決定作用的光電導(dǎo)起決定作用的 是非平衡多數(shù)載流子,是非平衡多數(shù)載流子, 因?yàn)榉瞧胶馍贁?shù)載流因?yàn)榉瞧胶馍贁?shù)載流 子被陷在復(fù)合中心上,子被陷在復(fù)合中心上, 等待與多數(shù)載流子的等待與多數(shù)載流子的 復(fù)合。復(fù)合。 l少數(shù)載流子陷阱作少數(shù)載流子陷阱作 用用: :主要是延長(zhǎng)了主要是延長(zhǎng)了 自由的非平衡多子自由的非平衡多子 的壽命,因而增加的壽命,因而增加 了定

20、態(tài)光電導(dǎo)的靈了定態(tài)光電導(dǎo)的靈 敏度。敏度。 10.2 半導(dǎo)體的光電導(dǎo) 10.2.3 復(fù)合中心和陷阱對(duì)光電導(dǎo)的影響 l多數(shù)載流子陷阱作用多數(shù)載流子陷阱作用: : 延長(zhǎng)了光電導(dǎo)的上升延長(zhǎng)了光電導(dǎo)的上升 和下降的馳豫時(shí)間和下降的馳豫時(shí)間, 同時(shí)使復(fù)合中心上的同時(shí)使復(fù)合中心上的 非平衡少子濃度相應(yīng)非平衡少子濃度相應(yīng) 的增加,于是的增加,于是增加了增加了 導(dǎo)帶中非平衡電子的導(dǎo)帶中非平衡電子的 復(fù)合概率,即減少了復(fù)合概率,即減少了 光生電子的壽命,降光生電子的壽命,降 低了定態(tài)光電導(dǎo)靈敏低了定態(tài)光電導(dǎo)靈敏 度。度。 10.2 10.2 半導(dǎo)體的光電導(dǎo)半導(dǎo)體的光電導(dǎo) 10.2.3 10.2.3 復(fù)合中心和陷

21、阱對(duì)光電導(dǎo)的影響復(fù)合中心和陷阱對(duì)光電導(dǎo)的影響 10.3 10.3 半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng) 用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射非均勻半導(dǎo)體,如用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射非均勻半導(dǎo)體,如pnpn 結(jié)結(jié)( (或金屬或金屬- -半導(dǎo)體接觸半導(dǎo)體接觸) )等,由于勢(shì)壘區(qū)中內(nèi)建等,由于勢(shì)壘區(qū)中內(nèi)建 電場(chǎng)(也稱為自建電場(chǎng))的作用,半導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)(也稱為自建電場(chǎng))的作用,半導(dǎo)體內(nèi)部 產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)(光生電壓);如將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)(光生電壓);如將pnpn結(jié)短路,則結(jié)短路,則 會(huì)出現(xiàn)電流(光生電流)。這種由內(nèi)建電場(chǎng)引會(huì)出現(xiàn)電流(光生電流)。這種由內(nèi)建電場(chǎng)引 起的光電效應(yīng),稱為光生伏特效應(yīng)。起的光電效應(yīng),稱為光生伏特效應(yīng)。 l

22、pnpn結(jié)中的光生伏特效應(yīng)結(jié)中的光生伏特效應(yīng) 10.3 10.3 半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng) 一、光生伏特效應(yīng)的產(chǎn)生原理一、光生伏特效應(yīng)的產(chǎn)生原理 pnpn結(jié)的光生伏特效應(yīng)原理示意圖結(jié)的光生伏特效應(yīng)原理示意圖 RL I 由于由于pnpn結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)E E0 0的作用,結(jié)兩邊的光生的作用,結(jié)兩邊的光生 少數(shù)載流子發(fā)生定向移動(dòng)。少數(shù)載流子發(fā)生定向移動(dòng)。P P區(qū)光生電子穿過區(qū)光生電子穿過pnpn 結(jié)進(jìn)入結(jié)進(jìn)入n n區(qū),而區(qū),而n n區(qū)光生空穴穿過區(qū)光生空穴穿過pnpn結(jié)進(jìn)入結(jié)進(jìn)入p p區(qū),區(qū), 使使p p端電勢(shì)升高,端電勢(shì)升高,n n端電勢(shì)降低,于是端電勢(shì)降低,于是pnpn結(jié)兩

23、端形結(jié)兩端形 成了光生電動(dòng)勢(shì),即成了光生電動(dòng)勢(shì),即pnpn結(jié)的光生伏特效應(yīng)。結(jié)的光生伏特效應(yīng)。 由于光照產(chǎn)生的載流子的定向移動(dòng)在由于光照產(chǎn)生的載流子的定向移動(dòng)在pnpn結(jié)內(nèi)結(jié)內(nèi) 部形成由部形成由n n區(qū)流向區(qū)流向p p區(qū)的光生電流區(qū)的光生電流I IL L,同時(shí)光生電,同時(shí)光生電 壓產(chǎn)生后相當(dāng)于在壓產(chǎn)生后相當(dāng)于在p p區(qū)加正向電壓,產(chǎn)生正向電區(qū)加正向電壓,產(chǎn)生正向電 流流I IF F。隨著。隨著I IF F的增大,當(dāng)?shù)脑龃?,?dāng)I IF F和和I IL L相等時(shí),相等時(shí),pnpn結(jié)兩端結(jié)兩端 建立穩(wěn)定的電勢(shì)差建立穩(wěn)定的電勢(shì)差V V,稱為開路電壓。若將,稱為開路電壓。若將pnpn結(jié)結(jié) 與外電路連接起

24、來,會(huì)有電流通過電路,與外電路連接起來,會(huì)有電流通過電路,pnpn結(jié)起結(jié)起 到電源的作用,這也是光電池的工作原理。到電源的作用,這也是光電池的工作原理。 10.3 10.3 半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng) l金屬金屬- -半導(dǎo)體接觸結(jié)構(gòu)中的光生伏特效應(yīng)半導(dǎo)體接觸結(jié)構(gòu)中的光生伏特效應(yīng) 當(dāng)一定頻率范圍的光照射在當(dāng)一定頻率范圍的光照射在P P型半導(dǎo)型半導(dǎo) 體阻擋層,阻擋層中的本征吸收產(chǎn)生體阻擋層,阻擋層中的本征吸收產(chǎn)生 光生非平衡載流子對(duì),導(dǎo)帶的光生非光生非平衡載流子對(duì),導(dǎo)帶的光生非 平衡電子在內(nèi)電場(chǎng)平衡電子在內(nèi)電場(chǎng)E0E0作用下被拉向金作用下被拉向金 屬一邊,而價(jià)帶光生非平衡空穴被屬一邊

25、,而價(jià)帶光生非平衡空穴被E0E0 拉向半導(dǎo)體一邊,形成一股由金屬流拉向半導(dǎo)體一邊,形成一股由金屬流 向半導(dǎo)體的光生電流向半導(dǎo)體的光生電流I IL L。光生電流使。光生電流使 半導(dǎo)體一邊帶上正電荷而金屬一邊帶半導(dǎo)體一邊帶上正電荷而金屬一邊帶 上負(fù)電荷,相當(dāng)于在阻擋層兩邊加上上負(fù)電荷,相當(dāng)于在阻擋層兩邊加上 正向電壓而使勢(shì)壘降低,形成一股與正向電壓而使勢(shì)壘降低,形成一股與 光生電流相反的正向電流光生電流相反的正向電流I IF F 。當(dāng)光。當(dāng)光 生電流與正向電流達(dá)到平衡狀時(shí),金生電流與正向電流達(dá)到平衡狀時(shí),金 屬和半導(dǎo)體之間建立起穩(wěn)定的光生伏屬和半導(dǎo)體之間建立起穩(wěn)定的光生伏 特電勢(shì)差。特電勢(shì)差。 1

26、0.3 10.3 半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng) + _ _ IL IF lP-nP-n結(jié)光生電流表示結(jié)光生電流表示 式中:式中:A A為為pnpn結(jié)面積;結(jié)面積; 為兩側(cè)擴(kuò)散長(zhǎng)度為兩側(cè)擴(kuò)散長(zhǎng)度(L(Ln n+L+Lp p) )內(nèi)內(nèi) 電子電子- -空穴對(duì)的平均產(chǎn)生率;空穴對(duì)的平均產(chǎn)生率;L Ln n和和L Lp p分別為電子和分別為電子和 空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度??昭ǖ臄U(kuò)散長(zhǎng)度。 npL LLAQqI Q 10.3 10.3 半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng) 二、光電池的電流電壓關(guān)系二、光電池的電流電壓關(guān)系 l現(xiàn)在考慮現(xiàn)在考慮pnpn結(jié)型光電池的電流電壓特性:結(jié)型光電池的電流電壓特性

27、: 當(dāng)特定頻率的穩(wěn)定光照射光電池時(shí),假設(shè)光電池當(dāng)特定頻率的穩(wěn)定光照射光電池時(shí),假設(shè)光電池 兩端的光生電壓為兩端的光生電壓為V V,這個(gè)電壓就相當(dāng)于加在阻,這個(gè)電壓就相當(dāng)于加在阻 擋層(或擋層(或pnpn結(jié))上的正向偏壓,通過阻擋層的正結(jié))上的正向偏壓,通過阻擋層的正 向電流向電流 式中:式中:V V為光電池的光生電壓;為光電池的光生電壓;IsIs為反向飽和電流。為反向飽和電流。 1exp 0T k qV II sF 10.3 10.3 半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng) l光電池與負(fù)載相連后,負(fù)載上流過的光電池與負(fù)載相連后,負(fù)載上流過的電流電流I I 上式是光電池的伏安特性。由此可得上式

28、是光電池的伏安特性。由此可得 1exp 0T k qV IIIII sLFL 1ln 0 s L I II q Tk V 10.3 10.3 半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng) l光電池開路電壓(光電池開路電壓(I=0I=0) l光電池短路電流(光電池短路電流(V=0V=0) 1ln 0 s L OC I I q Tk V LSC II 10.3 10.3 半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng) 無無 光光 照照 有有 光光 照照 10.4 半導(dǎo)體發(fā)光及半導(dǎo)體激光 10.4.1 輻射躍遷與半導(dǎo)體發(fā)光 l電子的躍遷伴隨著發(fā)射電子的躍遷伴隨著發(fā)射 光子,稱為光子,稱為輻射躍遷輻射躍遷 l躍

29、遷過程不發(fā)射光子,躍遷過程不發(fā)射光子, 稱為稱為無輻射躍遷無輻射躍遷 l半導(dǎo)體中電子產(chǎn)生有輻半導(dǎo)體中電子產(chǎn)生有輻 射躍遷未必就能向外發(fā)射躍遷未必就能向外發(fā) 射光子,只有在輻射躍射光子,只有在輻射躍 遷占優(yōu)勢(shì),發(fā)射的光子遷占優(yōu)勢(shì),發(fā)射的光子 數(shù)大于被吸收及其它損數(shù)大于被吸收及其它損 耗的光子數(shù)時(shí),半導(dǎo)體耗的光子數(shù)時(shí),半導(dǎo)體 才能向外發(fā)射光子才能向外發(fā)射光子 輻射躍遷可分為兩種情形輻射躍遷可分為兩種情形 l導(dǎo)帶電子躍遷到價(jià)帶與空穴復(fù)合伴隨著發(fā)射光子,導(dǎo)帶電子躍遷到價(jià)帶與空穴復(fù)合伴隨著發(fā)射光子, 這種情形稱為本征輻射躍遷這種情形稱為本征輻射躍遷 l非能帶之間的電子躍遷,歸為非本征躍遷。非能帶之間的電

30、子躍遷,歸為非本征躍遷。 l電子躍遷發(fā)射光子的能量近似為電子躍遷前后所電子躍遷發(fā)射光子的能量近似為電子躍遷前后所 具有的能量之差。具有的能量之差。 10.4 半導(dǎo)體發(fā)光及半導(dǎo)體激光 10.4.1 輻射躍遷與半導(dǎo)體發(fā)光 l半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)理:光致發(fā)光,電致發(fā)光和陰極射半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)理:光致發(fā)光,電致發(fā)光和陰極射 線發(fā)光線發(fā)光 l電致發(fā)光:電致發(fā)光:p-np-n結(jié)發(fā)光,異質(zhì)結(jié)發(fā)光,雪崩擊穿發(fā)結(jié)發(fā)光,異質(zhì)結(jié)發(fā)光,雪崩擊穿發(fā) 光和隧道效應(yīng)發(fā)光。光和隧道效應(yīng)發(fā)光。 l實(shí)際應(yīng)用最普遍最廣泛的就是半導(dǎo)體實(shí)際應(yīng)用最普遍最廣泛的就是半導(dǎo)體p-np-n結(jié)正向注結(jié)正向注 入的電致發(fā)光入的電致發(fā)光 10.4 半導(dǎo)體發(fā)光及半

31、導(dǎo)體激光 10.4.1 輻射躍遷與半導(dǎo)體發(fā)光 熱平衡:熱平衡:n n型半導(dǎo)體一邊形成電子勢(shì)壘,型半導(dǎo)體一邊形成電子勢(shì)壘,p p型半導(dǎo)體一型半導(dǎo)體一 邊形成空穴勢(shì)壘邊形成空穴勢(shì)壘 p-np-n結(jié)加正壓:結(jié)加正壓:外加電勢(shì)與內(nèi)建電勢(shì)方向相反,接觸勢(shì)外加電勢(shì)與內(nèi)建電勢(shì)方向相反,接觸勢(shì) 壘下降,非平衡少子和多數(shù)載流子復(fù)合形成壘下降,非平衡少子和多數(shù)載流子復(fù)合形成p-np-n結(jié)正向結(jié)正向 電流,同時(shí)以發(fā)射光子形式釋放多余能量。電流,同時(shí)以發(fā)射光子形式釋放多余能量。 10.4.2 10.4.2 受激輻射躍遷與半導(dǎo)體激光受激輻射躍遷與半導(dǎo)體激光 激光激光輻射受激發(fā)射光量子放大輻射受激發(fā)射光量子放大 l亮度極

32、高(光能量高度集中)亮度極高(光能量高度集中) l方向性好,幾乎是一束平行光方向性好,幾乎是一束平行光 l單色性好,幾乎是同一波頻的光單色性好,幾乎是同一波頻的光 l受光的激發(fā)作用,使原子從受光的激發(fā)作用,使原子從E E1 1基態(tài)激發(fā)到基態(tài)激發(fā)到E E2 2的激的激 發(fā)態(tài)中去,處于激發(fā)態(tài)的原子始終要躍遷回到基發(fā)態(tài)中去,處于激發(fā)態(tài)的原子始終要躍遷回到基 態(tài)。那么,原子躍遷回基態(tài)的過程可以由兩種不態(tài)。那么,原子躍遷回基態(tài)的過程可以由兩種不 同的情況同的情況, ,如下圖所示。如下圖所示。 原子在躍遷過程中不受原子在躍遷過程中不受 外界因素的作用,自動(dòng)外界因素的作用,自動(dòng) 地從激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài),地從激

33、發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài), 從而放出電子,稱之為從而放出電子,稱之為 自發(fā)輻射躍遷自發(fā)輻射躍遷 在外來光子在外來光子hvhv的誘發(fā)下,的誘發(fā)下, 原子才從激發(fā)態(tài)躍遷回原子才從激發(fā)態(tài)躍遷回 基態(tài),同時(shí)放出光子,基態(tài),同時(shí)放出光子, 稱之為稱之為受激輻射躍遷受激輻射躍遷 10.4.2 10.4.2 受激輻射躍遷與半導(dǎo)體激光受激輻射躍遷與半導(dǎo)體激光 12 EEhv l自發(fā)輻射躍遷中各原子的躍遷都是隨機(jī)的,所產(chǎn)生的光子自發(fā)輻射躍遷中各原子的躍遷都是隨機(jī)的,所產(chǎn)生的光子 雖然可以有相同的能量雖然可以有相同的能量hvhv,因而可以有相同的頻率,但這,因而可以有相同的頻率,但這 種光輻射的相位和傳播方向等都不一樣種光

34、輻射的相位和傳播方向等都不一樣 l受激輻射躍遷的誘發(fā)光子頻率恰好與原子從受激態(tài)躍遷回受激輻射躍遷的誘發(fā)光子頻率恰好與原子從受激態(tài)躍遷回 基態(tài)時(shí)所放出的光子頻率相同,那么受激發(fā)射的光子不但基態(tài)時(shí)所放出的光子頻率相同,那么受激發(fā)射的光子不但 是頻率,而且連同光波的相位、偏振方向、傳播方向等性是頻率,而且連同光波的相位、偏振方向、傳播方向等性 質(zhì)都和誘發(fā)光子的性質(zhì)完全一樣。很明顯這種受激輻射躍質(zhì)都和誘發(fā)光子的性質(zhì)完全一樣。很明顯這種受激輻射躍 遷使光子數(shù)增加,或者說獲得了光子數(shù)的放大作用遷使光子數(shù)增加,或者說獲得了光子數(shù)的放大作用 10.4.2 10.4.2 受激輻射躍遷與半導(dǎo)體激光受激輻射躍遷與半

35、導(dǎo)體激光 l產(chǎn)生激光必須使原子的受激輻射躍遷占主導(dǎo)地位。產(chǎn)生激光必須使原子的受激輻射躍遷占主導(dǎo)地位。 l通常情況下,由于基態(tài)的原子數(shù)總是大于受激狀態(tài)的原子通常情況下,由于基態(tài)的原子數(shù)總是大于受激狀態(tài)的原子 數(shù),受激輻射躍遷不可能占主要的地位數(shù),受激輻射躍遷不可能占主要的地位 l在足夠的外來能量激發(fā)下,有可能使處于受激狀態(tài)的原子在足夠的外來能量激發(fā)下,有可能使處于受激狀態(tài)的原子 數(shù)多于基態(tài)的原子數(shù),稱這種狀態(tài)下的物質(zhì)系統(tǒng)處于數(shù)多于基態(tài)的原子數(shù),稱這種狀態(tài)下的物質(zhì)系統(tǒng)處于粒子粒子 數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)(或稱為分布反轉(zhuǎn))數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)(或稱為分布反轉(zhuǎn)) l如果有頻率為如果有頻率為的一束光通過粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)下的物質(zhì)系的一束光通過粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)下的物質(zhì)系 統(tǒng),而且光子的頻率恰好等于原子從受激狀態(tài)躍遷回基態(tài)統(tǒng),而且光子的頻率恰好等于原子

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