半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)

1、半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)如果用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射半導(dǎo)體，那么電子在吸收了光子后將由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，而在價(jià)帶上留下一個(gè)空穴，這種現(xiàn)象稱為光吸收。半導(dǎo)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(chǔ)。光垂直入射到半導(dǎo)體表面時(shí)，進(jìn)入到半導(dǎo)體內(nèi)的光強(qiáng)遵照吸收定律：式中，表示距離表面x遠(yuǎn)處的光強(qiáng)；為入射光強(qiáng)；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(zhǎng)等因素有關(guān)。1 本征吸收半導(dǎo)體吸收光子的能量使價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，在價(jià)帶中留下空穴，產(chǎn)生等量的電子與空穴，這種吸收過(guò)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(zhǎng)閾值，下表列出了常見(jiàn)半導(dǎo)體材料的波長(zhǎng)閥值。幾種重要半導(dǎo)體材料的波長(zhǎng)閾值電子被光激發(fā)到導(dǎo)帶而在價(jià)帶中留下一個(gè)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(shí)間后，電子將會(huì)從導(dǎo)帶躍遷回價(jià)帶，同時(shí)發(fā)射出一個(gè)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(yīng)用，如半導(dǎo)體發(fā)光管、半導(dǎo)體激光器都是利用光發(fā)射原理制成的，只不過(guò)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(zhǎng)主要由所用材料的禁帶寬度決定，如半導(dǎo)體紅色發(fā)光管是由GaP晶體制成，而光纖通訊用的長(zhǎng)波長(zhǎng)（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(jí)上的電子（或空穴）吸收光子能量從雜質(zhì)能級(jí)躍遷到導(dǎo)帶（空穴躍遷到價(jià)帶），這種吸收稱為雜質(zhì)吸收。雜質(zhì)吸收的波長(zhǎng)閾值多在紅外區(qū)或遠(yuǎn)紅外區(qū)。2.2 自由載流子吸收導(dǎo)帶內(nèi)的電子或價(jià)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(jí)遷移到高能級(jí)，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(jià)帶中的電子吸收小于禁帶寬度的光子能量也能離開(kāi)價(jià)帶，但因能量不夠還不能躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子。這時(shí)，電子實(shí)際還與空穴保持著庫(kù)侖力的相互作用，形成一個(gè)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(zhǎng)閾值的紅外一側(cè)。2.4 晶格吸收半導(dǎo)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?dòng)能，從而在遠(yuǎn)紅外區(qū)形成一個(gè)連續(xù)的吸收帶，這種吸收稱為晶格吸收。半導(dǎo)體對(duì)光的吸收主要是本征吸收。對(duì)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(wàn)倍。不是所有的半導(dǎo)體都能發(fā)射光例如：最常見(jiàn)的半導(dǎo)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(dǎo)帶通過(guò)發(fā)射光躍遷到價(jià)帶的幾率非常小，而只能通過(guò)其它方式，如同時(shí)發(fā)射一個(gè)聲子躍遷至價(jià)帶因此硅和鍺這兩種在微電子器件中已得到廣泛應(yīng)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(lái)制作發(fā)光管和激光器目前科學(xué)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(gòu)、超晶格微結(jié)構(gòu)，如果能夠成功，則將使微電子器件、光電子器件都做在一個(gè)硅片上，能大大提高效率，降低成本，這稱為光電集成。3 半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)有如下特點(diǎn)絕緣體的禁帶寬度大，純凈的離子晶體大致為幾個(gè)電子伏特以上，三氧化二鋁為9eV，氯化鈉為8eV，所以從可見(jiàn)光到紅外區(qū)不會(huì)發(fā)生光吸收，是透明的，但對(duì)紫外光不透明。摻雜后造成部分較低的局域能級(jí)，如Cr3有未充滿的電子組態(tài)3d54s1，形成局域能級(jí)（1.7eV），可以吸

6、收較高能量的光（藍(lán)、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(dǎo)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(jìn)入對(duì)方區(qū)域的少（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光，如下圖所示：PN結(jié)發(fā)光二極管示意圖假設(shè)發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價(jià)帶空穴直接復(fù)合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕空穴復(fù)合發(fā)光。除了這種發(fā)光復(fù)合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個(gè)中心介于導(dǎo)帶、價(jià)帶中間附

7、近而后再與空穴復(fù)合，每次釋放的能量不大，不能形成可見(jiàn)光。發(fā)光的復(fù)合量相對(duì)于非發(fā)光復(fù)合量的比越大光量子效率越高。由于復(fù)合是在少子擴(kuò)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(diǎn)：受激發(fā)電子越過(guò)能隙（禁帶）與空穴結(jié)合，會(huì)發(fā)生半導(dǎo)體發(fā)光；N型半導(dǎo)體導(dǎo)帶中有電子，價(jià)帶中無(wú)空穴，故不發(fā)光；P型半導(dǎo)體價(jià)帶中有空穴，導(dǎo)帶中無(wú)自由電子，也不發(fā)光；n與p型半導(dǎo)體結(jié)合成為pn結(jié)處使得電子與空穴復(fù)合發(fā)光；一般要在pn結(jié)處施加一個(gè)小的正向偏壓。4.2 光導(dǎo)電現(xiàn)象在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過(guò)渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料時(shí)，材料

8、吸收光子的能量，使非傳導(dǎo)態(tài)電子變?yōu)閭鲗?dǎo)態(tài)電子，引起載流子濃度增大，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大。具有如下特點(diǎn)由于光激發(fā)造成自由電子和空穴均可成為載流子，對(duì)光導(dǎo)電產(chǎn)生貢獻(xiàn)；半導(dǎo)體材料中載流子存在激發(fā)、復(fù)合、俘獲等現(xiàn)象；被光激發(fā)的載流子可被復(fù)合中心消滅，也會(huì)在被消滅前在外電場(chǎng)的作用下運(yùn)動(dòng)一段距離；外電場(chǎng)強(qiáng)度越大，則自由電子的漂移距離就增大。當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，價(jià)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(jià)帶越過(guò)禁帶躍入導(dǎo)帶，如圖，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價(jià)帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。半導(dǎo)體無(wú)光照時(shí)為暗態(tài)，此時(shí)材料具有暗電導(dǎo)；有光照時(shí)為亮態(tài)，此時(shí)具有亮電導(dǎo)。如果給半導(dǎo)體材料外加

9、電壓，通過(guò)的電流有暗電流與亮電流之分。亮電導(dǎo)與暗電導(dǎo)之差稱為光電導(dǎo)，亮電流與暗電流之差稱為光電流。設(shè)：在激發(fā)態(tài)停留時(shí)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(shí)間內(nèi)被復(fù)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：?jiǎn)挝惑w積單位時(shí)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(shí)，Bn/，AB（nn）/；N：?jiǎn)挝惑w積中復(fù)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(duì)于絕緣體：4.3 光電導(dǎo)弛豫過(guò)程光電導(dǎo)材料從光照開(kāi)始到獲得穩(wěn)定的光電流是要經(jīng)過(guò)一定時(shí)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(guò)程或惰性。對(duì)光電導(dǎo)

10、體受矩形脈沖光照時(shí)，常有上升時(shí)間常數(shù)r和下降時(shí)間常數(shù)f來(lái)描述弛豫過(guò)程的長(zhǎng)短。r表示光生載流子濃度從零增長(zhǎng)到穩(wěn)態(tài)值63%時(shí)所需的時(shí)間，f表示從停光前穩(wěn)態(tài)值衰減到37%時(shí)所需的時(shí)間。圖3-14 矩形脈沖光照弛豫過(guò)程圖當(dāng)輸入光功率按正弦規(guī)律變化時(shí)，光生載流子濃度（對(duì)應(yīng)于輸出光電流）與光功率頻率變化的關(guān)系，是一個(gè)低通特性，說(shuō)明光電導(dǎo)的弛豫特性限制了器件對(duì)調(diào)制頻率高的光功率的響應(yīng)：其中：n0：中頻時(shí)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(shí)間常數(shù)。圖3-15 正弦光照弛豫過(guò)程圖可見(jiàn)n隨增加而減小，當(dāng)=1/時(shí)，n=n0/，稱此時(shí)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(duì)光電效應(yīng)現(xiàn)象有普遍性?；诠鈱?dǎo)電效應(yīng)的光電器件有光敏電阻(光電導(dǎo)型)和反向工作的光敏二極管、光敏三極管(光電導(dǎo)結(jié)型)。光敏電阻(光導(dǎo)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(yīng)范圍寬,機(jī)械強(qiáng)度高,耐沖擊和振動(dòng),壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。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(dāng)受到光