半導(dǎo)體物理吉林大學(xué) 半物第十章

1、1第十章第十章 半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì) 半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)是半導(dǎo)體物理性質(zhì)的最主半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)是半導(dǎo)體物理性質(zhì)的最主要的方面之一。要的方面之一。 半導(dǎo)體光電效應(yīng)是各種光電器件的基礎(chǔ)。半導(dǎo)體光電效應(yīng)是各種光電器件的基礎(chǔ)。 光學(xué)方法是研究半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)和檢測(cè)材光學(xué)方法是研究半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)和檢測(cè)材料參數(shù)的一種重要手段。料參數(shù)的一種重要手段。2第十章第十章 半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì) 10.2 本征吸收本征吸收 10.3 激子吸收和其它吸收過(guò)程激子吸收和其它吸收過(guò)程 10.4 光電導(dǎo)光電導(dǎo) 10.5 丹倍效應(yīng)和光磁效應(yīng)丹倍效應(yīng)和光磁效應(yīng) 10.6 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)3光電效應(yīng)

2、：光電器件的基礎(chǔ)；光電效應(yīng)：光電器件的基礎(chǔ)；光學(xué)方法：研究能帶結(jié)構(gòu)及特性參數(shù)的手段。光學(xué)方法：研究能帶結(jié)構(gòu)及特性參數(shù)的手段。 cxexpcnxtiexpEE0y (10.11)x(0eI)x(I (10.12)c2 稱(chēng)為吸收系數(shù)：稱(chēng)為吸收系數(shù)： 的物理意義：光在介質(zhì)中傳播距離為的物理意義：光在介質(zhì)中傳播距離為 時(shí)，光的強(qiáng)度時(shí)，光的強(qiáng)度 衰減到原來(lái)的衰減到原來(lái)的 。 1e1半導(dǎo)體吸收系數(shù)：半導(dǎo)體吸收系數(shù)：p.293 角頻率為角頻率為 的平面電磁波，沿固體中的平面電磁波，沿固體中x方向傳播時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度：方向傳播時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度： 光強(qiáng)：光強(qiáng)：4(10.11)R-1T 反射率與透射率的關(guān)系：反射率與透射

3、率的關(guān)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、光在電介質(zhì)中傳播時(shí)強(qiáng)度衰減的現(xiàn)象，稱(chēng)一、光在電介質(zhì)中傳播時(shí)強(qiáng)度衰減的現(xiàn)象，稱(chēng)為光吸收為光吸收。禁禁帶帶中中能能級(jí)級(jí)與與能能帶帶之之間間間間；同同一一能能帶帶的的不不同同狀狀態(tài)態(tài)之之不不同同能能帶帶的的狀狀態(tài)態(tài)之之間間；.321電子吸收光子能量后電子吸收光子能量后將躍遷將躍遷（即能量狀態(tài)改變）（即能量狀態(tài)改變）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。是最重要的吸收，又叫基本吸收。本征吸收產(chǎn)生電子本征吸收產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，從而引起

4、光電導(dǎo)?？昭▽?duì)，從而引起光電導(dǎo)。62、本征吸收限：、本征吸收限：24. 1:000000mEEhcEhhggg ：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、吸收譜：、吸收譜： 。強(qiáng)衰減為原來(lái)的強(qiáng)衰減為原來(lái)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)eeIxIhx/1/10 4、吸收邊：吸收限附近的吸收譜。、吸收邊：吸收限附近的吸收譜。0481612255075100 1cm 圖圖10.2 InSb的吸收譜的吸收譜)m( 吸收曲線在短波段陡峭上升，是半導(dǎo)體

5、吸收譜的一個(gè)突出特點(diǎn)吸收曲線在短波段陡峭上升，是半導(dǎo)體吸收譜的一個(gè)突出特點(diǎn),標(biāo)志著本征吸收的開(kāi)始。標(biāo)志著本征吸收的開(kāi)始。75、本征吸收：、本征吸收：直接躍遷直接躍遷 間接躍遷間接躍遷8二、直接躍遷二、直接躍遷 /hckE kEk/hk k kk, ，則，則，光子波長(zhǎng)為，光子波長(zhǎng)為和和分別為分別為當(dāng)電子的初、末態(tài)波矢當(dāng)電子的初、末態(tài)波矢電子的躍遷有光子參與電子的躍遷有光子參與對(duì)于典型半導(dǎo)體（假定對(duì)于典型半導(dǎo)體（假定Eg1eV），引起本征吸收的光子波長(zhǎng)為：），引起本征吸收的光子波長(zhǎng)為：遷或豎直躍遷。遷或豎直躍遷。波矢不變，稱(chēng)為直接躍波矢不變，稱(chēng)為直接躍遷時(shí)，電子躍遷前后的遷時(shí)，電子躍遷前后的，即只

6、有光子參與躍，即只有光子參與躍電子準(zhǔn)動(dòng)量；所以電子準(zhǔn)動(dòng)量；所以光子準(zhǔn)動(dòng)量光子準(zhǔn)動(dòng)量，可見(jiàn)：，可見(jiàn)：區(qū)中，線度為：區(qū)中，線度為：電子的波矢在電子的波矢在光子波矢為：光子波矢為：kkcmaBrillioumcmkm 18140010/2105224. 1 光子的動(dòng)量光子的動(dòng)量原子間距原子間距電子躍遷要求滿(mǎn)足兩個(gè)守恒：能量守恒，準(zhǔn)動(dòng)量守恒。電子躍遷要求滿(mǎn)足兩個(gè)守恒：能量守恒，準(zhǔn)動(dòng)量守恒。9電子吸收光子產(chǎn)生躍遷時(shí)波矢保持不變（電子電子吸收光子產(chǎn)生躍遷時(shí)波矢保持不變（電子能量增加）。這就是能量增加）。這就是電子躍遷的選擇定則電子躍遷的選擇定則。為。為了滿(mǎn)足選擇定則，以使電子在躍遷的過(guò)程中波了滿(mǎn)足選擇定則

7、，以使電子在躍遷的過(guò)程中波矢保持不變，則原來(lái)在價(jià)帶中的狀態(tài)矢保持不變，則原來(lái)在價(jià)帶中的狀態(tài)A的電子的電子只能躍遷到導(dǎo)帶中的狀態(tài)只能躍遷到導(dǎo)帶中的狀態(tài)B。A與與B在在E(k)曲線曲線上位于同一垂線上，因而這種躍遷稱(chēng)為直接躍上位于同一垂線上，因而這種躍遷稱(chēng)為直接躍遷。在遷。在A到到B直接躍遷中所吸收光子的能量與圖直接躍遷中所吸收光子的能量與圖24. 10mEEhcgg 因而從光吸收的測(cè)量，也可求得禁帶寬度。因而從光吸收的測(cè)量，也可求得禁帶寬度。EBA0kgE h中垂直距離中垂直距離AB相對(duì)應(yīng)。顯然，對(duì)應(yīng)于不同的相對(duì)應(yīng)。顯然，對(duì)應(yīng)于不同的k，垂直距離各不相，垂直距離各不相等。即，相當(dāng)于任何一個(gè)等。即

8、，相當(dāng)于任何一個(gè)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應(yīng)等于禁帶寬度而吸收的光子最小能量應(yīng)等于禁帶寬度Eg。由此可見(jiàn)，。由此可見(jiàn)，本征吸收本征吸收形成一個(gè)連續(xù)吸收帶，并具有一個(gè)長(zhǎng)波吸收限：形成一個(gè)連續(xù)吸收帶，并具有一個(gè)長(zhǎng)波吸收限：10EBA0kgE h理論計(jì)算可得：在直接躍遷中，對(duì)任何理論計(jì)算可得：在直接躍遷中，對(duì)任何k值的躍遷都是允許的，則吸收系數(shù)與光子值的躍遷都是允許的，則吸收系數(shù)與光子能量關(guān)系為：能量關(guān)系為：基本為一常數(shù)?；緸橐怀?shù)。，AEhEhEhAhggg 021/ 23gEhhk0k0k 直直接接躍躍遷遷允允許許，這這時(shí)時(shí)值值處

9、處禁禁戒戒躍躍遷遷，但但其其它它的的躍躍遷遷幾幾率率為為零零，稱(chēng)稱(chēng)為為某某些些材材料料，躍躍遷遷，稱(chēng)稱(chēng)為為允允許許躍躍遷遷。處處的的躍躍遷遷幾幾率率不不為為零零的的 hgE 或或gE2 2 h22 或或gE外外推推可可確確定定直接躍遷吸收直接躍遷吸收系數(shù)與光子能系數(shù)與光子能量的關(guān)系：量的關(guān)系：直線直線0（10.42）(圖圖10.4，p300)11三、間接躍遷三、間接躍遷 電子、光子和聲子共同參與躍遷過(guò)程。電子、光子和聲子共同參與躍遷過(guò)程。141715pp13pifgifpcm10/2cm10a/qEHz10/c2EHz10kkq/hEEEEh ：，：，： E0 0iE000111a gESfE

10、的能帶的能帶Ge ifgpkkqEhqhhE ，則則有有，所所以以/間接帶隙半導(dǎo)體：間接帶隙半導(dǎo)體：Si, Ge, GaP能量守恒：能量守恒：動(dòng)量守恒：動(dòng)量守恒：間接帶間躍遷所涉及的光子能量仍然接近禁帶寬度間接帶間躍遷所涉及的光子能量仍然接近禁帶寬度聲子角頻率：聲子角頻率：光子角頻率：光子角頻率：聲子波矢：聲子波矢：光子波矢：光子波矢：12間接躍遷為一個(gè)二級(jí)過(guò)程（電子與光子作用，電子與聲子作間接躍遷為一個(gè)二級(jí)過(guò)程（電子與光子作用，電子與聲子作用），因此其發(fā)生概率比直接躍遷小得多，相應(yīng)的吸收系數(shù)也用），因此其發(fā)生概率比直接躍遷小得多，相應(yīng)的吸收系數(shù)也小。小。164131010101cmcm直直間

11、間； 吸收系數(shù)的理論表達(dá)式為：吸收系數(shù)的理論表達(dá)式為： pgpgpgp2pgpgp2pgp2pgEEh0EEhEE1kTEexpEEhAEEhkTEexp1EEh1kTEexpEEhAh 13四、四、補(bǔ)充補(bǔ)充1.直接帶隙半導(dǎo)體中，涉及聲子發(fā)射和吸收的間接躍遷直接帶隙半導(dǎo)體中，涉及聲子發(fā)射和吸收的間接躍遷也可能發(fā)生。主要是涉及光學(xué)聲子，發(fā)射聲子過(guò)程，吸收應(yīng)發(fā)也可能發(fā)生。主要是涉及光學(xué)聲子，發(fā)射聲子過(guò)程，吸收應(yīng)發(fā)生在直接躍遷吸收限短波一側(cè)。吸收聲子過(guò)程發(fā)生在吸收限長(zhǎng)生在直接躍遷吸收限短波一側(cè)。吸收聲子過(guò)程發(fā)生在吸收限長(zhǎng)波一側(cè)，可使直接躍遷吸收邊不是陡峭地下降為零。波一側(cè)，可使直接躍遷吸收邊不是陡峭

12、地下降為零。2.間接禁帶半導(dǎo)體中，仍可能發(fā)生直接躍遷。間接禁帶半導(dǎo)體中，仍可能發(fā)生直接躍遷。Ge吸收譜吸收譜的肩形結(jié)構(gòu)的解釋?zhuān)募缧谓Y(jié)構(gòu)的解釋?zhuān)琍306，圖，圖10.8。3.重?fù)诫s半導(dǎo)體（如重?fù)诫s半導(dǎo)體（如n型），型），Ef進(jìn)入導(dǎo)帶，低溫時(shí)，進(jìn)入導(dǎo)帶，低溫時(shí)，Ef以以下能級(jí)被電子占據(jù)，價(jià)帶電子只能躍遷到下能級(jí)被電子占據(jù)，價(jià)帶電子只能躍遷到Ef以上的狀態(tài)，因而以上的狀態(tài)，因而本征吸收長(zhǎng)波限藍(lán)移，即本征吸收長(zhǎng)波限藍(lán)移，即伯斯坦移動(dòng)伯斯坦移動(dòng)(Burstein-Moss效應(yīng)效應(yīng))。4.強(qiáng)電場(chǎng)作用下，能帶傾斜，小于強(qiáng)電場(chǎng)作用下，能帶傾斜，小于Eg的光子可通過(guò)光子的光子可通過(guò)光子誘導(dǎo)的隧道效應(yīng)發(fā)生本征躍

13、遷，既本征吸收長(zhǎng)波限紅移，即誘導(dǎo)的隧道效應(yīng)發(fā)生本征躍遷，既本征吸收長(zhǎng)波限紅移，即弗弗朗茲朗茲-克爾德什（克爾德什（Franz-Keldysh）效應(yīng)。）效應(yīng)。14研究本征吸收的意義：研究本征吸收的意義： 研究半導(dǎo)體的本征吸收光譜，不僅可以根據(jù)吸收限決研究半導(dǎo)體的本征吸收光譜，不僅可以根據(jù)吸收限決定禁帶寬度定禁帶寬度Eg，還有助于了解能帶的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，也可作為，還有助于了解能帶的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，也可作為區(qū)分直接帶隙和間接帶隙半導(dǎo)體的重要依據(jù)。區(qū)分直接帶隙和間接帶隙半導(dǎo)體的重要依據(jù)。 15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，稱(chēng)為光吸收：光在電介質(zhì)中傳播時(shí)強(qiáng)度衰減的現(xiàn)象，稱(chēng)為光吸收上節(jié)課內(nèi)容回顧上

14、節(jié)課內(nèi)容回顧直接躍遷直接躍遷：只有電子與光子的作用，一級(jí)過(guò)程，電子躍遷前后：只有電子與光子的作用，一級(jí)過(guò)程，電子躍遷前后波矢改變很小，可以忽略，所以又稱(chēng)為波矢改變很小，可以忽略，所以又稱(chēng)為垂直躍遷垂直躍遷。間接躍遷間接躍遷：電子和光子作用，電子和聲子作用，二級(jí)過(guò)程，電：電子和光子作用，電子和聲子作用，二級(jí)過(guò)程，電子躍遷前后波矢改變較大。子躍遷前后波矢改變較大。光子和聲子的動(dòng)能與動(dòng)量之比較：光子和聲子的動(dòng)能與動(dòng)量之比較： 光子：動(dòng)能光子：動(dòng)能 大，動(dòng)量大，動(dòng)量 極小；極??； 聲子：動(dòng)能聲子：動(dòng)能 極小，動(dòng)量極小，動(dòng)量 大。大。 h h/p q無(wú)論是直接躍遷還是間接躍遷，都需要滿(mǎn)足：無(wú)論是直接躍遷

15、還是間接躍遷，都需要滿(mǎn)足：能量守恒能量守恒動(dòng)量守恒動(dòng)量守恒本征吸收：分為本征吸收：分為直接躍遷直接躍遷和和間接躍遷。間接躍遷。本征吸收限本征吸收限：Eg24. 1Eghc0 直接帶隙半導(dǎo)體中，也存在間接躍遷，直接帶隙半導(dǎo)體中，也存在間接躍遷，間接帶隙半導(dǎo)體中，也存在直接躍遷。間接帶隙半導(dǎo)體中，也存在直接躍遷。1610.3 激子吸收和其它吸收過(guò)程激子吸收和其它吸收過(guò)程比本征吸收限波長(zhǎng)還長(zhǎng)的光子也能被吸收：激子吸收、比本征吸收限波長(zhǎng)還長(zhǎng)的光子也能被吸收：激子吸收、自由載流子吸收和雜質(zhì)吸收。自由載流子吸收和雜質(zhì)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、則：，則：23 dEcEvE c aEcEvE d2.電離雜質(zhì)吸收電離雜質(zhì)吸收: 電離施主上的空穴或電離受主上的電子，電離施主上的空穴或電離受主上的電子，可以吸收光子躍遷到價(jià)帶或?qū)??？梢晕展庾榆S遷到價(jià)帶或?qū)А?特征：對(duì)于淺施主或淺受主，這種躍遷對(duì)特征：對(duì)于淺施主或淺受主，這種躍遷對(duì)應(yīng)的光子能量與禁帶寬度接近，將在本征吸收應(yīng)的光子能量與禁帶寬度接近，將在本征吸收限的低能一側(cè)引起光吸收，形成連續(xù)譜。限的低能一側(cè)引起光吸收，形成連續(xù)譜。（圖圖10.16)吸收閾值：吸收閾值：IgEE 對(duì)于淺雜質(zhì)，通常對(duì)于淺雜質(zhì)，通常Eg-EIEI，則：，則：電離雜質(zhì)吸收譜在中性雜質(zhì)吸收譜高能側(cè)。電離雜質(zhì)吸收譜在

17、中性雜質(zhì)吸收譜高能側(cè)。24四、晶格振動(dòng)吸收四、晶格振動(dòng)吸收 遠(yuǎn)紅外區(qū)，光子與晶格振動(dòng)的相互作用引起的光吸收。遠(yuǎn)紅外區(qū)，光子與晶格振動(dòng)的相互作用引起的光吸收。吸收機(jī)理：紅外高頻光波電場(chǎng)，使離子晶體的正負(fù)離子沿相吸收機(jī)理：紅外高頻光波電場(chǎng)，使離子晶體的正負(fù)離子沿相反方向移動(dòng)反方向移動(dòng) 激發(fā)長(zhǎng)光學(xué)波振動(dòng)激發(fā)長(zhǎng)光學(xué)波振動(dòng) 交變的電偶極矩交變的電偶極矩 其與其與電磁場(chǎng)相互作用，導(dǎo)致光吸收。電磁場(chǎng)相互作用，導(dǎo)致光吸收。 晶格振動(dòng)吸收，在離子晶體、極性半導(dǎo)體中較顯著；在元素晶格振動(dòng)吸收，在離子晶體、極性半導(dǎo)體中較顯著；在元素半導(dǎo)體中，不存在固有電極矩偶，但也能觀察到晶格振動(dòng)吸半導(dǎo)體中，不存在固有電極矩偶，但

18、也能觀察到晶格振動(dòng)吸收較弱。實(shí)際上，這是一種二級(jí)效應(yīng)，即，紅外光的電場(chǎng)感收較弱。實(shí)際上，這是一種二級(jí)效應(yīng)，即，紅外光的電場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生電偶極矩，它反過(guò)來(lái)又與電場(chǎng)耦合，引起光吸收。應(yīng)產(chǎn)生電偶極矩，它反過(guò)來(lái)又與電場(chǎng)耦合，引起光吸收。25五種光吸收過(guò)程：五種光吸收過(guò)程： 1、本征吸收、本征吸收 2、激子吸收、激子吸收 3、自由載流子吸收、自由載流子吸收 4、雜質(zhì)吸收、雜質(zhì)吸收 5、晶格振動(dòng)吸收、晶格振動(dòng)吸收上節(jié)課內(nèi)容回顧上節(jié)課內(nèi)容回顧261、本征吸收本征吸收：電子帶帶躍遷引起的光吸收。：電子帶帶躍遷引起的光吸收。 分為直接躍遷和間接躍遷分為直接躍遷和間接躍遷上節(jié)課內(nèi)容回顧上節(jié)課內(nèi)容回顧直接躍遷直接躍遷：

19、只有電子與光子的作用，一級(jí)過(guò)程，電子躍遷：只有電子與光子的作用，一級(jí)過(guò)程，電子躍遷前后波矢改變很小，可以忽略，所以又稱(chēng)為前后波矢改變很小，可以忽略，所以又稱(chēng)為垂直躍遷垂直躍遷。間接躍遷間接躍遷：電子和光子作用，電子和聲子作用，二級(jí)過(guò)程，：電子和光子作用，電子和聲子作用，二級(jí)過(guò)程，電子躍遷前后波矢改變較大。電子躍遷前后波矢改變較大。引起吸收的能量閾值：引起吸收的能量閾值：Eg吸收譜吸收譜：為連續(xù)譜，在吸收譜高能側(cè)（短波側(cè)）。：為連續(xù)譜，在吸收譜高能側(cè)（短波側(cè)）。272、激子吸收激子吸收： 電子吸收小于電子吸收小于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。激子能級(jí)：為激子中電

20、子能量位置，激子能級(jí)：為激子中電子能量位置，n個(gè)，個(gè)，n=1為基態(tài)能級(jí)。為基態(tài)能級(jí)。激子束縛能：激子基態(tài)能級(jí)與導(dǎo)帶底之間的能量差激子束縛能：激子基態(tài)能級(jí)與導(dǎo)帶底之間的能量差 。上節(jié)課內(nèi)容回顧上節(jié)課內(nèi)容回顧1exEexciton吸收譜吸收譜：為分立譜（線狀譜），能量分布略低于本征吸收譜，：為分立譜（線狀譜），能量分布略低于本征吸收譜，在本征吸收限長(zhǎng)波一側(cè)，在低溫可以測(cè)到。在本征吸收限長(zhǎng)波一側(cè)，在低溫可以測(cè)到。引起吸收的能量閾值：引起吸收的能量閾值：1exEEg283、自由載流子吸收自由載流子吸收： 自由載流子吸收小于自由載流子吸收小于Eg的光子的光子，在同一能帶內(nèi)躍遷，在同一能帶內(nèi)躍遷，引起光吸

21、收。引起光吸收。吸收過(guò)程：吸收光子吸收或釋放聲子。吸收過(guò)程：吸收光子吸收或釋放聲子。（存在子帶間躍遷：基態(tài)激發(fā)態(tài)躍遷，形成線狀譜）（存在子帶間躍遷：基態(tài)激發(fā)態(tài)躍遷，形成線狀譜）上節(jié)課內(nèi)容回顧上節(jié)課內(nèi)容回顧吸收譜吸收譜：在本征吸收限長(zhǎng)波一側(cè)，吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)的增加：在本征吸收限長(zhǎng)波一側(cè)，吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)的增加而增大。吸收系數(shù)與散射機(jī)制有關(guān)。而增大。吸收系數(shù)與散射機(jī)制有關(guān)。294、雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收： 占據(jù)雜質(zhì)能級(jí)的電子或空穴的躍遷所引起的光吸收。占據(jù)雜質(zhì)能級(jí)的電子或空穴的躍遷所引起的光吸收。上節(jié)課內(nèi)容回顧上節(jié)課內(nèi)容回顧a.中性雜質(zhì)吸收：光吸收使雜質(zhì)電離；吸收能量閾值為中性雜質(zhì)吸收：光吸收使雜質(zhì)電離；吸

22、收能量閾值為EIb.電離雜質(zhì)吸收：光吸收使電離雜質(zhì)恢復(fù)中性狀態(tài)；電離雜質(zhì)吸收：光吸收使電離雜質(zhì)恢復(fù)中性狀態(tài)； 吸收能量閾值為吸收能量閾值為EgEI吸收譜吸收譜：在本征吸收限長(zhǎng)波一側(cè)，均形成連續(xù)譜。：在本征吸收限長(zhǎng)波一側(cè)，均形成連續(xù)譜。對(duì)于淺雜質(zhì)，通常對(duì)于淺雜質(zhì)，通常Eg-EIEI，則：，則：電離雜質(zhì)吸收譜在中性雜質(zhì)吸收譜高能側(cè)電離雜質(zhì)吸收譜在中性雜質(zhì)吸收譜高能側(cè).深能級(jí)中性雜質(zhì)吸收譜在淺能級(jí)中性雜質(zhì)吸收譜高能側(cè)深能級(jí)中性雜質(zhì)吸收譜在淺能級(jí)中性雜質(zhì)吸收譜高能側(cè).深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì)EI(DL)EI(SL)，則：，則：30上節(jié)課內(nèi)容回顧上節(jié)課內(nèi)容回顧5、晶格振動(dòng)吸收：晶格振動(dòng)吸收： 光子與晶格振動(dòng)

23、的相互作用引起的光吸收。光子與晶格振動(dòng)的相互作用引起的光吸收。吸收過(guò)程：吸收光子吸收或釋放聲子。吸收過(guò)程：吸收光子吸收或釋放聲子。吸收譜吸收譜：遠(yuǎn)紅外區(qū)。：遠(yuǎn)紅外區(qū)。31一、附加電導(dǎo)率：光電導(dǎo)一、附加電導(dǎo)率：光電導(dǎo)10.4 光電導(dǎo)光電導(dǎo)1. 光照射半導(dǎo)體，使其電導(dǎo)率改變的現(xiàn)象為光照射半導(dǎo)體，使其電導(dǎo)率改變的現(xiàn)象為光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)。包括以下過(guò)程信息：光吸收；載流子激發(fā)與遷移；復(fù)合包括以下過(guò)程信息：光吸收；載流子激發(fā)與遷移；復(fù)合與陷阱效應(yīng)與陷阱效應(yīng)。 p0n0p0n00ppnne2,pne1 光光照照后后總總電電導(dǎo)導(dǎo)率率：無(wú)無(wú)光光照照，熱熱平平衡衡時(shí)時(shí)暗暗電電導(dǎo)導(dǎo)率率： 認(rèn)為認(rèn)為n是一致的，是

24、一致的， p也是一致的。也是一致的。（1）本征光電導(dǎo)：本征吸收引起載流子數(shù)目變化。）本征光電導(dǎo)：本征吸收引起載流子數(shù)目變化。（2）雜質(zhì)光電導(dǎo)：雜質(zhì)吸收引起載流子數(shù)目變化。）雜質(zhì)光電導(dǎo)：雜質(zhì)吸收引起載流子數(shù)目變化。（3）帶內(nèi)光電導(dǎo)：載流子吸收引起載流子遷移率變化，但不）帶內(nèi)光電導(dǎo)：載流子吸收引起載流子遷移率變化，但不引起載流子數(shù)目變化。引起載流子數(shù)目變化。32 光照產(chǎn)生的非平衡載流子，開(kāi)始時(shí)它們的能量比平衡載流光照產(chǎn)生的非平衡載流子，開(kāi)始時(shí)它們的能量比平衡載流子的平均能量高，或者說(shuō)這些載流子的分布不同于平衡分布。子的平均能量高，或者說(shuō)這些載流子的分布不同于平衡分布。但經(jīng)過(guò)極短的時(shí)間，通過(guò)和晶格的

25、碰撞，它們把多余的能量傳但經(jīng)過(guò)極短的時(shí)間，通過(guò)和晶格的碰撞，它們把多余的能量傳遞給晶格，使本身的能量相應(yīng)于平衡分布。因此，非平衡載流遞給晶格，使本身的能量相應(yīng)于平衡分布。因此，非平衡載流子在其存在的大部分時(shí)間內(nèi)，與平衡載流子的遷移率相同。子在其存在的大部分時(shí)間內(nèi)，與平衡載流子的遷移率相同。認(rèn)為認(rèn)為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 ：；：獻(xiàn)。獻(xiàn)。載流子對(duì)附加電導(dǎo)有貢載流子對(duì)附加電導(dǎo)有貢某些材料中主要有一種某些材料中主要有一種或或一種載流子的情況下

26、，一種載流子的情況下，由于陷阱效應(yīng)，束縛了由于陷阱效應(yīng)，束縛了制成。制成。光敏電阻要由高阻材料光敏電阻要由高阻材料，必有，必有要使要使；光電導(dǎo)的相對(duì)值：光電導(dǎo)的相對(duì)值：加電導(dǎo)率加電導(dǎo)率光電導(dǎo)：光照引起的附光電導(dǎo)：光照引起的附本征光電導(dǎo)34二、定態(tài)光電導(dǎo)及其弛豫過(guò)程二、定態(tài)光電導(dǎo)及其弛豫過(guò)程 1.定態(tài)光電導(dǎo)：恒定光照下，達(dá)到穩(wěn)定態(tài)的光電導(dǎo)；定態(tài)光電導(dǎo)：恒定光照下，達(dá)到穩(wěn)定態(tài)的光電導(dǎo)；2.光電導(dǎo)的弛豫：光照光電導(dǎo)的弛豫：光照 光電導(dǎo)率逐漸增加光電導(dǎo)率逐漸增加 穩(wěn)定；穩(wěn)定； 停止光照后停止光照后 光電導(dǎo)率逐漸下降光電導(dǎo)率逐漸下降 消失。消失。光電導(dǎo)的弛豫反映了光生載流子的積累和消失過(guò)程。光電導(dǎo)的弛豫

27、反映了光生載流子的積累和消失過(guò)程。012 3 4 012 3 4 t s 光照光照停止光照停止光照353. I：光強(qiáng)（單位時(shí)間，通過(guò)單位面積的光子數(shù)），：光強(qiáng)（單位時(shí)間，通過(guò)單位面積的光子數(shù)）， 設(shè)強(qiáng)度為設(shè)強(qiáng)度為I的光均勻地垂直照射到樣品表面，的光均勻地垂直照射到樣品表面，為吸收系數(shù)，為吸收系數(shù)， , 則則 nsststssst0neeentnnn0tndtnd).2Innte1Itn0n0tnIdtnd).1nU11IGIdxdI: 所所以以，停停止止光光照照后后穩(wěn)穩(wěn)定定值值，時(shí)時(shí)，則則有有時(shí)時(shí)，設(shè)設(shè)變變化化過(guò)過(guò)程程光光照照后后非非平平衡衡載載流流子子的的，由由連連續(xù)續(xù)性性方方程程，得得小小

28、注注入入時(shí)時(shí)，復(fù)復(fù)合合率率為為為為量量子子產(chǎn)產(chǎn)額額空空穴穴對(duì)對(duì)的的產(chǎn)產(chǎn)生生率率電電子子吸吸收收的的光光能能量量單單位位時(shí)時(shí)間間、單單位位體體積積內(nèi)內(nèi))xexp(II0 吸收一個(gè)光吸收一個(gè)光子產(chǎn)生載流子產(chǎn)生載流子的數(shù)目子的數(shù)目如果如果I是以光子數(shù)表示的光強(qiáng)是以光子數(shù)表示的光強(qiáng)(即單位時(shí)間通過(guò)單位即單位時(shí)間通過(guò)單位面積的光子數(shù)面積的光子數(shù))，則單位時(shí)間，在單位體積中吸收，則單位時(shí)間，在單位體積中吸收的光子數(shù)為的光子數(shù)為)x(I .對(duì)應(yīng)于上升曲線對(duì)應(yīng)于上升曲線對(duì)應(yīng)于下降曲線對(duì)應(yīng)于下降曲線36 tI11Itnnn0tndtndInnttItanhIn0n0tnIdtndnnU22121s221s212

29、122 ，時(shí)，時(shí)，成反比成反比壽命與壽命與形，形，對(duì)強(qiáng)注入，直接復(fù)合情對(duì)強(qiáng)注入，直接復(fù)合情（圖（圖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 光電導(dǎo)的馳豫代表光電導(dǎo)對(duì)于光強(qiáng)變化反應(yīng)的快慢。光電導(dǎo)的馳豫代表光電導(dǎo)對(duì)于光強(qiáng)變化反應(yīng)的快慢。 通常引入馳豫時(shí)間來(lái)表征光電導(dǎo)上升和下降所需時(shí)間的長(zhǎng)通常引入馳豫時(shí)間來(lái)表征光電導(dǎo)上升和下降所需時(shí)間的長(zhǎng)短，弛豫時(shí)間定義為短，弛豫時(shí)間定義為 上升和下降到定態(tài)值的一半所用時(shí)間，上升和下降到定態(tài)值的一半所用時(shí)間，對(duì)于小注入，為對(duì)于小注入，為 ；對(duì)于大注入，為；對(duì)于大注入，為 。討

30、論：討論：定態(tài)光電導(dǎo)定態(tài)光電導(dǎo) 線性光電導(dǎo)：線性光電導(dǎo)： (與光強(qiáng)成正比與光強(qiáng)成正比) 拋物線性光電導(dǎo)：拋物線性光電導(dǎo)： (與光強(qiáng)平方根成正比與光強(qiáng)平方根成正比) 定態(tài)光電導(dǎo)越大，光敏電阻的靈敏度越高。定態(tài)光電導(dǎo)越大，光敏電阻的靈敏度越高。 線性光電導(dǎo)中，線性光電導(dǎo)中， 越大，定態(tài)值越大，定態(tài)值 越大，則光敏電阻靈越大，則光敏電阻靈敏度越高。但對(duì)于高頻信號(hào)，馳豫時(shí)間必須足夠短，光電導(dǎo)才敏度越高。但對(duì)于高頻信號(hào)，馳豫時(shí)間必須足夠短，光電導(dǎo)才能跟上光信號(hào)的變化。所以，實(shí)際應(yīng)用中，既要靈敏度高，又能跟上光信號(hào)的變化。所以，實(shí)際應(yīng)用中，既要靈敏度高，又要馳豫時(shí)間短，則需要選擇適當(dāng)材料來(lái)制作器件。要馳豫

31、時(shí)間短，則需要選擇適當(dāng)材料來(lái)制作器件。s )I(enensns 2/1nsns)I(ene sn n 2ln 2/1)I( 38四、陷阱效應(yīng)及其對(duì)光電導(dǎo)的影響四、陷阱效應(yīng)及其對(duì)光電導(dǎo)的影響半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷在禁帶中形成能級(jí)，它們的作用半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷在禁帶中形成能級(jí)，它們的作用除了起施主、受主和復(fù)合中心作用外，還能引起陷阱效應(yīng)。除了起施主、受主和復(fù)合中心作用外，還能引起陷阱效應(yīng)。在熱平衡情況下，每種雜質(zhì)能級(jí)上都有一定數(shù)目的電子，在熱平衡情況下，每種雜質(zhì)能級(jí)上都有一定數(shù)目的電子，通過(guò)電子的俘獲和激發(fā)過(guò)程與能帶之間保持平衡。當(dāng)半導(dǎo)體通過(guò)電子的俘獲和激發(fā)過(guò)程與能帶之間保持平衡。當(dāng)半導(dǎo)體處于非平

32、衡態(tài)時(shí)，這種平衡遭到破壞，引起雜質(zhì)能級(jí)上電子處于非平衡態(tài)時(shí)，這種平衡遭到破壞，引起雜質(zhì)能級(jí)上電子數(shù)目的變化。數(shù)目的變化。若電子增加了，則說(shuō)明該能級(jí)能收容一部分電子；若電若電子增加了，則說(shuō)明該能級(jí)能收容一部分電子；若電子減少了，則可以看成該能級(jí)收容了空穴。子減少了，則可以看成該能級(jí)收容了空穴。非平衡載流子注入將使非平衡載流子注入將使Nt上電子數(shù)變化上電子數(shù)變化391. 陷阱效應(yīng)陷阱效應(yīng)：雜質(zhì)或缺陷能級(jí)對(duì)某一種非平衡載流子的：雜質(zhì)或缺陷能級(jí)對(duì)某一種非平衡載流子的顯著積累作用。顯著積累作用。 （所俘獲的非平衡載流子數(shù)目可以與（所俘獲的非平衡載流子數(shù)目可以與導(dǎo)帶或價(jià)帶中非平衡載流子數(shù)目相比擬）導(dǎo)帶或價(jià)

33、帶中非平衡載流子數(shù)目相比擬）具有顯著陷阱效應(yīng)的雜質(zhì)能級(jí)，稱(chēng)為具有顯著陷阱效應(yīng)的雜質(zhì)能級(jí)，稱(chēng)為陷阱陷阱，相應(yīng)，相應(yīng)的雜質(zhì)或缺陷稱(chēng)為陷阱中心。的雜質(zhì)或缺陷稱(chēng)為陷阱中心。 影影響響與與之之類(lèi)類(lèi)似似：的的的的影影響響，實(shí)實(shí)際際上上值值。只只考考慮慮表表示示熱熱平平衡衡時(shí)時(shí)的的偏偏微微分分陷陷阱阱電電子子積積累累，陷陷阱阱中中pn0pnnnnnnpnnn. 20t0tttt 40考慮到陷阱能級(jí)對(duì)電子和空穴的俘獲與激發(fā)過(guò)程，穩(wěn)定時(shí)由電考慮到陷阱能級(jí)對(duì)電子和空穴的俘獲與激發(fā)過(guò)程，穩(wěn)定時(shí)由電子的凈復(fù)合率子的凈復(fù)合率=空穴的凈復(fù)合率可得：空穴的凈復(fù)合率可得： nnpnNccnppnnpnppnnNnccnppc

34、nncpcncNcnppcnncpcncNcnnppcnncpcncNnttpnttpnpnpntntpnpntntpnpntt 時(shí)，可得時(shí)，可得，當(dāng)當(dāng)，有，有若若則：則：；00101001101021010012111111可見(jiàn)，此時(shí)雜質(zhì)對(duì)非平衡載流子沒(méi)有顯著的陷阱效應(yīng)。而實(shí)際可見(jiàn)，此時(shí)雜質(zhì)對(duì)非平衡載流子沒(méi)有顯著的陷阱效應(yīng)。而實(shí)際上，有時(shí)上，有時(shí)cn，cp常常相差很大。常常相差很大。（P214, 7.198式）(10.90)41若若 ，陷阱俘獲一個(gè)電子后，很難再俘獲，陷阱俘獲一個(gè)電子后，很難再俘獲一個(gè)空穴引起復(fù)合，這種陷阱就是一個(gè)空穴引起復(fù)合，這種陷阱就是電子陷阱電子陷阱。pnCC 則若則若

35、 ，陷阱為，陷阱為空穴陷阱空穴陷阱。npCC (1)、pnCC (2)、設(shè)、設(shè) ，(10.90)式中略去含式中略去含Cp的項(xiàng)，有：的項(xiàng)，有：n)nn(nNn2101tt 42 效效應(yīng)應(yīng)最最顯顯著著。時(shí)時(shí)，陷陷阱阱，即即：時(shí)時(shí)令令ftctccfc0tmaxt10410101t210t1tEEkTEEexpNkTEEexpNnn4Nnnn0nnnnnN2nnNdnnd n0若為多子，通常若為多子，通常Nt n0，陷阱效應(yīng)顯著。陷阱效應(yīng)顯著。實(shí)際的陷阱問(wèn)題大都是少數(shù)載流子的陷阱效應(yīng)。實(shí)際的陷阱問(wèn)題大都是少數(shù)載流子的陷阱效應(yīng)。43設(shè)半導(dǎo)體為設(shè)半導(dǎo)體為N型，在禁帶中除了復(fù)合中心能級(jí)型，在禁帶中除了復(fù)合中

36、心能級(jí) 以外，還存以外，還存在少數(shù)載流子的陷阱能級(jí)在少數(shù)載流子的陷阱能級(jí) 。cEdE EtEvE 型型N間。間。在陷阱中的平均存在時(shí)在陷阱中的平均存在時(shí)為空穴為空穴；陷阱俘獲前的平均壽命陷阱俘獲前的平均壽命為空穴被為空穴被為少子空穴壽命；為少子空穴壽命；設(shè)設(shè)21 p3. 陷阱對(duì)穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)的影響：陷阱對(duì)穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)的影響： EtEpp 1p 2tp 4421 tptpppGdtpdGpp 則：則：假定是均勻的。假定是均勻的。，：光激發(fā)產(chǎn)生率：光激發(fā)產(chǎn)生率度；度；穴濃穴濃：陷阱能級(jí)上的過(guò)剩空：陷阱能級(jí)上的過(guò)?？斩龋欢?；：價(jià)帶中的過(guò)?？昭猓簝r(jià)帶中的過(guò)?？昭鈨r(jià)帶的速率價(jià)帶的速率陷阱中空穴重新激發(fā)到陷

37、阱中空穴重新激發(fā)到俘獲率俘獲率陷阱對(duì)價(jià)帶過(guò)?？昭ǖ南葳鍖?duì)價(jià)帶過(guò)?？昭ǖ难ǖ膹?fù)合率穴的復(fù)合率復(fù)合中心對(duì)價(jià)帶過(guò)剩空復(fù)合中心對(duì)價(jià)帶過(guò)?？?p:p:p2t1p 0dtpd0dtpdppdtpdt2t1t ，穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)時(shí)時(shí)：，陷阱中的空穴：陷阱中的空穴：45pn1pppnGppp1212tp12t ，則，則若陷阱效應(yīng)顯著，必有若陷阱效應(yīng)顯著，必有電中性條件：電中性條件：過(guò)剩空穴濃度）過(guò)?？昭舛龋ㄏ葳鍥](méi)有改變價(jià)帶中（陷阱沒(méi)有改變價(jià)帶中所以所以 陷阱作用陷阱作用1： 陷阱的作用使得過(guò)剩多子濃度比無(wú)陷阱時(shí)高出許多倍陷阱的作用使得過(guò)剩多子濃度比無(wú)陷阱時(shí)高出許多倍46 pn12p12npn12nppnpn12p

38、pnp1pn2eGpe1eGnepe ，則，則因?yàn)橐驗(yàn)榉€(wěn)態(tài)時(shí)，穩(wěn)態(tài)時(shí)，導(dǎo)的靈敏度。導(dǎo)的靈敏度。：陷阱可顯著增加光電：陷阱可顯著增加光電陷阱作用陷阱作用，時(shí)，時(shí)，（無(wú)陷阱）（無(wú)陷阱）（有陷阱）（有陷阱）陷阱作用陷阱作用3：陷阱使多子的穩(wěn)態(tài)壽命比少子的大得多。：陷阱使多子的穩(wěn)態(tài)壽命比少子的大得多。47陷阱的存在增大了光電導(dǎo)的上升和下降的弛豫時(shí)間，陷阱的存在增大了光電導(dǎo)的上升和下降的弛豫時(shí)間，光電導(dǎo)上升（要填充陷阱能級(jí)）；光電導(dǎo)上升（要填充陷阱能級(jí)）；光電導(dǎo)衰減（陷阱中的載流子緩慢釋放）。光電導(dǎo)衰減（陷阱中的載流子緩慢釋放）。 陷阱作用陷阱作用4：對(duì)光電導(dǎo)衰減的影響：對(duì)光電導(dǎo)衰減的影響：以電子陷阱為

39、例：電子被陷阱俘獲后，基本上不能直接與空穴以電子陷阱為例：電子被陷阱俘獲后，基本上不能直接與空穴復(fù)合，它們必須先被激發(fā)到導(dǎo)帶，然后才能通過(guò)復(fù)合中心復(fù)合。復(fù)合，它們必須先被激發(fā)到導(dǎo)帶，然后才能通過(guò)復(fù)合中心復(fù)合。電子被激發(fā)到導(dǎo)帶之前在陷阱中的平均存在時(shí)間，一般比導(dǎo)帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶之前在陷阱中的平均存在時(shí)間，一般比導(dǎo)帶電子的壽命要長(zhǎng)得多，因此：電子的壽命要長(zhǎng)得多，因此：48圖圖10.20 具體分析具體分析P型硅的光電導(dǎo)衰減型硅的光電導(dǎo)衰減在在P型硅中存在深、淺兩種陷阱，開(kāi)始時(shí)兩種陷阱都基本飽和，型硅中存在深、淺兩種陷阱，開(kāi)始時(shí)兩種陷阱都基本飽和，即陷阱基本上被電子填滿(mǎn)，導(dǎo)帶中尚有相當(dāng)數(shù)量的非平衡電

40、子。即陷阱基本上被電子填滿(mǎn)，導(dǎo)帶中尚有相當(dāng)數(shù)量的非平衡電子。610 410 210 121041013101300129012801270123 阻阻電電）時(shí)間（時(shí)間（s型硅的光電導(dǎo)衰減型硅的光電導(dǎo)衰減P圖中圖中1，2，3三部分三部分分別對(duì)應(yīng)于導(dǎo)帶中電分別對(duì)應(yīng)于導(dǎo)帶中電子、淺陷阱中電子和子、淺陷阱中電子和深陷阱中電子的衰減。深陷阱中電子的衰減。49紅外淬滅紅外淬滅：在激發(fā)本征光電導(dǎo)的同時(shí)，用適當(dāng)波長(zhǎng)的紅外光：在激發(fā)本征光電導(dǎo)的同時(shí)，用適當(dāng)波長(zhǎng)的紅外光照射半導(dǎo)體樣品，可能導(dǎo)致光電導(dǎo)顯著下降，這種現(xiàn)象稱(chēng)為照射半導(dǎo)體樣品，可能導(dǎo)致光電導(dǎo)顯著下降，這種現(xiàn)象稱(chēng)為紅外淬滅紅外淬滅。陷阱效應(yīng)陷阱效應(yīng)原因原因

41、：在無(wú)長(zhǎng)波長(zhǎng)的光照射時(shí)，陷阱中的載流子只能依靠熱：在無(wú)長(zhǎng)波長(zhǎng)的光照射時(shí)，陷阱中的載流子只能依靠熱激發(fā)回到相應(yīng)的能帶，其幾率通常是很小的。用長(zhǎng)波長(zhǎng)的光激發(fā)回到相應(yīng)的能帶，其幾率通常是很小的。用長(zhǎng)波長(zhǎng)的光照射樣品，被陷的載流子可以由光激發(fā)脫離陷阱，因而增大照射樣品，被陷的載流子可以由光激發(fā)脫離陷阱，因而增大了被激發(fā)回能帶的幾率（了被激發(fā)回能帶的幾率（ ），大大減小了在陷阱中的平），大大減小了在陷阱中的平均自由時(shí)間（均自由時(shí)間（ ），導(dǎo)致光電導(dǎo)顯著下降（），導(dǎo)致光電導(dǎo)顯著下降（(10.101)式式）。）。2/1 因此，在相同的本征激發(fā)條件下，用自然光激發(fā)比用單色光因此，在相同的本征激發(fā)條件下，用自然光激發(fā)比用單色光有較小的靈敏度。有較小的靈敏度。2 5010.5丹倍效應(yīng)和光磁效應(yīng)丹倍效應(yīng)和光磁效應(yīng)(p.326)1.由于光激發(fā)非平衡載流子的擴(kuò)散，在光照面與背面之由于光激發(fā)非平衡載流子的擴(kuò)散，在光照面與背面之間產(chǎn)生的電勢(shì)差，稱(chēng)為丹倍電勢(shì)差，有時(shí)也稱(chēng)為光擴(kuò)散電勢(shì)差。間產(chǎn)生的電勢(shì)差，稱(chēng)為丹倍電勢(shì)差，有時(shí)也稱(chēng)為光擴(kuò)散電勢(shì)差。這個(gè)效應(yīng)稱(chēng)為這個(gè)效應(yīng)稱(chēng)為丹倍效應(yīng)丹倍效應(yīng)（Dember effe