半導體的光電性質及光電效應

1、,,半 導 體 物 理第八章 半導體的光電性質及光電效應,華南理工大學電子與信息學院 蔡 敏 教授,第八章 半導體的光電性質及光電效應,8.1 半導體的光學常數8.2 半導體的光吸收8.3 半導體的光電導,,半導體的光學常數,一、半導體的光吸收系數,光吸收：光子與半導體中的微粒子相互作用而引起的能量傳遞過程。,光衰減過程可描述為：,解得：,光強I：單位時間通過單位面積的光子數，即光子流密

2、度。,,物理意義：光入射到半導體內被吸收，使光強減小到原值的1/e時，光波所傳播的距離即是吸收系數的倒數。,所以，吸收系數為：,二、反射系數R和透射系數T,由電磁理論中麥克斯韋方程組可解得：,R為反射能流密度(光強度)與入射能流密度之比,T為透射能流密度與入射能流密度之比，由圖可知：,第八章 半導體的光電性質及光電效應,8.1 半導體的光學常數8.2 半導體的光吸收8.3 半導體的光電導,,一. 本征吸收,本征吸收的長波限：,長波限

3、關系式：,價帶電子吸收光子能量后，由價帶躍遷到導帶中，這種光吸收過程稱為本征吸收。,本征吸收條件：,顯然，通過測量半導體材料的吸收光譜可以推算出該材料的禁帶寬度。,本征吸收引起的電子帶間躍遷必須遵守能量和動量守恒定律。假如電子躍遷前處于k狀態，能量為E，躍遷后處于k’狀態，能量為E’。,由能量和動量守恒定律可得：,通常， 光子的動量比 小得多，所以,躍遷前后能量改變為：,（1）直接躍遷,躍遷前后動量沒有改變：,（2

4、）間接躍遷,躍遷前后能量改變為：,躍遷前后動量改變為：,,,一個電子只吸收一個光子，不與晶格交換能量。,二. 其他吸收過程,（1）激子吸收,電子和空穴互相束縛形成一個新的電中性系統。,特點：,*,* 激子能在晶體中運動。,* 激子消失形式：分離；復合,* 激子是電中性的。,（2）自由載流子吸收,（3）雜質吸收,（4）晶格吸收,電子在導帶中不同能級間的躍遷，或空穴在價帶中不同能級間的躍遷。,雜質能級上的電子(或空穴)吸收光子躍遷到導帶(或

5、價帶)能級中，稱為雜質吸收。,所以吸收的長波限為：,光子能量直接轉換為晶格振動能。,第八章 半導體的光電性質及光電效應,8.1 半導體的光學常數8.2 半導體的光吸收8.3 半導體的光電導,,半導體的光電導,一. 光電導的描述,暗電導率：,設光注入的附加載流子濃度分別為： 和,半導體電導率為：,由光照使半導體產生電子或空穴，引起半導體的電導率增加的現象稱光電導。,附加光電導為：,實驗證明，本征附加光電導往往是由其中一種光生載流

6、子(非平衡多子)起決定性作用。這是因為非平衡多子有較長的自由存在時間，而非平衡少子往往被深雜質能級陷阱住。,因此，對p型半導體有：,對n型半導體有：,附加光電導表示為：,附加光電導表示為：,注：光照引起雜質能級上的電子或空穴受激電離也會產生附加光電導，但相對微弱。,二. 定態光電導及其弛豫過程,（1）直線性光電導 (小注入-- 是定值),無外場作用時，光照下光生非平衡載流子濃度隨時間的變化率應等于其產生率減去其復合率.,對非平衡電

7、子：,由初始條件t＝0， ，方程的特解為：,定態光電導：穩定光照下半導體所達到的穩定光電導.,當 時，光生載流子達到穩定值,同理：,光照穩定狀態下的定態光電導為：,這就是光照開始到穩態，光生載流子的變化曲線。,假設,光電導上升過程的函數表示式為：,直線性光電導：小注入時，定態光電導與光強成線性關系。,光電導的馳豫現象：光照下光電導率逐漸上升和光照停上后光電導率逐漸下降的現象。,利用初始條件: t=0,

8、 ;可解得光生載流子濃度變化表示式為：,光照停止后非平衡載流子產生率為零，非平衡載流子的變化過程可描述為：,同理可得到光電導變化過程的表達式：,（2）拋物線性光電導 ( 強注入-- 不是定值 ),不考慮復合中心和陷阱的情況下，非平衡載流子（電子）只有直接復合，其復合率為：,在強注入下，光生載流子的變化符合下述方程：,(上升過程),當小注入時，復合率與非平衡載流子的濃度成正比，稱為單分子復合過程。

9、 當強注入時，復合率與非平衡載流子的濃度的平方成正比，稱為雙分子復合過程。,利用初始條件：上升時：t＝0 ， ； 下降時：t＝0 ， 。,上升過程和下降過程的解分別為：,（上升過程）,（下降過程）,（下降過程）,對于上升過程的解，當 時，非平衡載流子注入穩定，其濃度定態值為：,同理：,定態光電導可表示為：,拋物線性光電導：在強注入的條件下，半導體的定態光電導

10、與光強的平方根成正比。,（3）光電導靈敏度及光電導增益,光電導靈敏度：單位光照度所引起的光電導,由,知， 越大(弛豫時間越長)，則靈敏度越高。,但弛豫時間越長，則代表對光信號的響應就慢，實際應用必須兩者兼顧。,對光敏電阻來說，其結構不同，產生不同的光電導效果。通常用光電導增益因子 表示光電導效應的增強。,對于電極間距為l,渡越時間：,所以，,光電導光譜分布決定因素：,三. 本征光電導的光譜分布,（1）半導體材料對不同的光波長的

11、吸收系數；,（2）光被吸收后激發光生非平衡載流子的激 發率,即量子產額；,（3）光生載流子的激發對其壽命的影響,其中與吸收波長發生直接影響的就是吸收系數。,光電導的光譜分布是指半導體材料的定態光電導隨入射光波長的變化關系。它表征半導體光電材料的一個重要特性。,幾種半導體材料本征光電導光譜分布,等量子：對不同波長的光子，在單位時間單位面積入射的光子數相同。,等能量：對不同波長的光子，在單位時間單位面積入射光子的總能量相等。,光電導光譜分布

12、的特點：,（1）均在長波方面存在著光電導隨波長迅速下降的現象同，這意味著本征吸收開始。曲線下降到一半時對應的波長為長波以限。,（2）從長波限過渡到短波方面，光電導存在極大值甚至可能出現很突出的尖峰，隨后又隨光波長的減少，光電導略有下降。,（3）不同的半導體材料由于禁帶寬度不同，本征光電導的光譜分布在不同的波長范圍里。,四. 復合中心和陷阱對光電導的影響,（1）高阻光電材料中典型的復合中心對光電導的影響。,假設復合中心被陷的非平衡空穴

13、濃度為：,由5.3解的間接復合理論，得到非平衡電子的復合率為：,強注入時，因為 ，非平衡電子復合率 ，遵循雙分子復合過程。,極強注入， ，非平衡電子和非平衡空穴的復合率分別為：,小注入時，因為 ，非平衡電子復合率 ，遵循單分子復合過程。,可見，,和,非平衡電子和非平衡空穴都分別遵循

14、單分子復合過程,,,,（2）復合中心和多數載流子陷阱的綜合作用對光電導的影響。,（a）如果同時存在多數載流子陷阱，陷阱效應對半導體光電導的弛豫時間有決定性的影響，延長了光電導的上升和下降的弛豫時間，并且可使兩者很不相同。,（b）如果同時存在多數載流子陷阱，可以使得在較強注入時也呈直線性的光電導。,（c）如果同時存在多數載流子陷阱，多數載流子陷阱有降低定態光電導的靈敏度的作用。,（3）復合中心和少數載流子陷阱的綜合作用對光電導的影響。