半導體的光學性質(zhì)

1、半導體的光學性質(zhì)如果用適當波長的光照射半導體，那么電子在吸收了光子后將由價帶躍遷到導帶，而在價帶上留下一個空穴，這種現(xiàn)象稱為光吸收。半導體材料吸收光子能量轉(zhuǎn)換成電能是光電器件的工作基礎。光垂直入射到半導體表面時，進入到半導體內(nèi)的光強遵照吸收定律：式中，表示距離表面x遠處的光強；為入射光強；為材料表面的反射率；為材料吸收系數(shù)，與材料、入射光波長等因素有關。1 本征吸收半導體吸收光子的能量使價帶中的電子激發(fā)到導帶，在價帶中留下空穴，產(chǎn)生等量的電子與空穴，這種吸收過程叫本征吸收。要發(fā)生本征光吸收必須滿足能量守恒定律，也就是被吸收光子的能量要大于禁帶寬度，即，從而有：其中h是普朗克常量，是光的頻率c是

2、光速，0：材料的頻率閾值，0：材料的波長閾值，下表列出了常見半導體材料的波長閥值。幾種重要半導體材料的波長閾值電子被光激發(fā)到導帶而在價帶中留下一個空穴，這種狀態(tài)是不穩(wěn)定的，由此產(chǎn)生的電子、空穴稱為非平衡載流子。隔了一定時間后，電子將會從導帶躍遷回價帶，同時發(fā)射出一個光子，光子的能量也由上式?jīng)Q定，這種現(xiàn)象稱為光發(fā)射。光發(fā)射現(xiàn)象有許多的應用，如半導體發(fā)光管、半導體激光器都是利用光發(fā)射原理制成的，只不過其中非平衡載流子不是由光激發(fā)產(chǎn)生，而是由電注入產(chǎn)生的。發(fā)光管、激光器發(fā)射光的波長主要由所用材料的禁帶寬度決定，如半導體紅色發(fā)光管是由GaP晶體制成，而光纖通訊用的長波長（1.5m）激光器則是由GaxI

3、n1-xAs或GaxIn1-xAsyP1-y合金制成的。2 非本征吸收非本征吸收包括雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收、激子吸收和晶格吸收等。2.1 雜質(zhì)吸收雜質(zhì)能級上的電子（或空穴）吸收光子能量從雜質(zhì)能級躍遷到導帶（空穴躍遷到價帶），這種吸收稱為雜質(zhì)吸收。雜質(zhì)吸收的波長閾值多在紅外區(qū)或遠紅外區(qū)。2.2 自由載流子吸收導帶內(nèi)的電子或價帶內(nèi)的空穴也能吸收光子能量，使它在本能帶內(nèi)由低能級遷移到高能級，這種吸收稱為自由載流子吸收，表現(xiàn)為紅外吸收。2.3 激子吸收價帶中的電子吸收小于禁帶寬度的光子能量也能離開價帶，但因能量不夠還不能躍遷到導帶成為自由電子。這時，電子實際還與空穴保持著庫侖力的相互作用，形成一個電

4、中性系統(tǒng)，稱為激子。能產(chǎn)生激子的光吸收稱為激子吸收。這種吸收的光譜多密集與本征吸收波長閾值的紅外一側(cè)。2.4 晶格吸收半導體原子能吸收能量較低的光子，并將其能量直接變?yōu)榫Ц竦恼駝幽?，從而在遠紅外區(qū)形成一個連續(xù)的吸收帶，這種吸收稱為晶格吸收。半導體對光的吸收主要是本征吸收。對于硅材料，本征吸收的吸收系數(shù)比非本征吸收的吸收系數(shù)要大幾十倍到幾萬倍。不是所有的半導體都能發(fā)射光例如：最常見的半導體硅和鍺就不能發(fā)射光，這是由它們的能帶性質(zhì)所決定的它們的能帶稱為間接能帶，電子從導帶通過發(fā)射光躍遷到價帶的幾率非常小，而只能通過其它方式，如同時發(fā)射一個聲子躍遷至價帶因此硅和鍺這兩種在微電子器件中已得到廣泛應用的

5、材料，卻不能用作光電子材料其它的-族化合物，如GaAs、InP等的能帶大部分是直接能帶，能發(fā)射光，因此被廣泛用來制作發(fā)光管和激光器目前科學家正在努力尋求能使硅發(fā)光的方法，例如制作硅的納米結(jié)構、超晶格微結(jié)構，如果能夠成功，則將使微電子器件、光電子器件都做在一個硅片上，能大大提高效率，降低成本，這稱為光電集成。3 半導體的光學性質(zhì)有如下特點絕緣體的禁帶寬度大，純凈的離子晶體大致為幾個電子伏特以上，三氧化二鋁為9eV，氯化鈉為8eV，所以從可見光到紅外區(qū)不會發(fā)生光吸收，是透明的，但對紫外光不透明。摻雜后造成部分較低的局域能級，如Cr3有未充滿的電子組態(tài)3d54s1，形成局域能級（1.7eV），可以吸

6、收較高能量的光（藍、綠光），造成氧化鋁顯紅顏色。4 例子4.1 發(fā)光二極管發(fā)光二極管是由-族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導體，其核心是PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-N特性，即正向?qū)?，反向截止、擊穿特性。此外，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進入對方區(qū)域的少（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復合而發(fā)光，如下圖所示：PN結(jié)發(fā)光二極管示意圖假設發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價帶空穴直接復合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕空穴復合發(fā)光。除了這種發(fā)光復合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個中心介于導帶、價帶中間附

7、近而后再與空穴復合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發(fā)光的復合量相對于非發(fā)光復合量的比越大光量子效率越高。由于復合是在少子擴散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在靠近PN結(jié)面數(shù)微米以內(nèi)產(chǎn)生。PN結(jié)的輻射發(fā)光特點：受激發(fā)電子越過能隙（禁帶）與空穴結(jié)合，會發(fā)生半導體發(fā)光；N型半導體導帶中有電子，價帶中無空穴，故不發(fā)光；P型半導體價帶中有空穴，導帶中無自由電子，也不發(fā)光；n與p型半導體結(jié)合成為pn結(jié)處使得電子與空穴復合發(fā)光；一般要在pn結(jié)處施加一個小的正向偏壓。4.2 光導電現(xiàn)象在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導效應。當光照射到半導體材料時，材料

8、吸收光子的能量，使非傳導態(tài)電子變?yōu)閭鲗B(tài)電子，引起載流子濃度增大，因而導致材料電導率增大。具有如下特點由于光激發(fā)造成自由電子和空穴均可成為載流子，對光導電產(chǎn)生貢獻；半導體材料中載流子存在激發(fā)、復合、俘獲等現(xiàn)象；被光激發(fā)的載流子可被復合中心消滅，也會在被消滅前在外電場的作用下運動一段距離；外電場強度越大，則自由電子的漂移距離就增大。當光照射到半導體材料上時，價帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價帶越過禁帶躍入導帶，如圖，使材料中導帶內(nèi)的電子和價帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導率變大。半導體無光照時為暗態(tài)，此時材料具有暗電導；有光照時為亮態(tài)，此時具有亮電導。如果給半導體材料外加

9、電壓，通過的電流有暗電流與亮電流之分。亮電導與暗電導之差稱為光電導，亮電流與暗電流之差稱為光電流。設：在激發(fā)態(tài)停留時間稱為載流子壽命；n：載流子數(shù)量/單位體積暗態(tài)下，單位時間內(nèi)被復合中心消滅的電子數(shù)n/，在平衡狀態(tài)下，產(chǎn)生的載流子密度與被消滅的相等。A：單位體積單位時間熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子數(shù)An0/亮態(tài)下，即存在光照時，Bn/，AB（nn）/；N：單位體積中復合中心的數(shù)目（Nn0+n）；V：載流子的漂移速度；S：載流子漂移的截面積 則對于絕緣體：4.3 光電導弛豫過程光電導材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流是要經(jīng)過一定時間的。同樣光照停止后光電流也是逐漸消失的。這些現(xiàn)象稱為弛豫過程或惰性。對光電導

10、體受矩形脈沖光照時，常有上升時間常數(shù)r和下降時間常數(shù)f來描述弛豫過程的長短。r表示光生載流子濃度從零增長到穩(wěn)態(tài)值63%時所需的時間，f表示從停光前穩(wěn)態(tài)值衰減到37%時所需的時間。圖3-14 矩形脈沖光照弛豫過程圖當輸入光功率按正弦規(guī)律變化時，光生載流子濃度（對應于輸出光電流）與光功率頻率變化的關系，是一個低通特性，說明光電導的弛豫特性限制了器件對調(diào)制頻率高的光功率的響應：其中：n0：中頻時非平衡載流子濃度；：圓頻率，=2f；：非平衡載流子平均壽命，在這里稱時間常數(shù)。圖3-15 正弦光照弛豫過程圖可見n隨增加而減小，當=1/時，n=n0/，稱此時f=1/2為上限截止頻率或帶寬。光電增益與帶寬之積為一常數(shù)，Mf=(n/tn+p/tp)·(1/2)=(1/tn+1/tp)·(1/2)=常數(shù)。表明材料的光電靈敏度與帶寬是矛盾的：材料光電靈敏度高，則帶寬窄；材料帶寬寬，則光電靈敏度低。此結(jié)論對光電效應現(xiàn)象有普遍性?；诠鈱щ娦墓怆娖骷泄饷綦娮?光電導型)和反向工作的光敏二極管、光敏三極管(光電導結(jié)型)。光敏電阻(光導管)：光敏電阻是一種電阻元件,具有靈敏度高,體積小,重量輕,光譜響應范圍寬,機械強度高,耐沖擊和振動,壽命長等優(yōu)點。下圖為光敏電阻的工作原理圖。在黑暗的環(huán)境下,它的阻值很高,當受到光