《固體電子學(xué)》課件：第八章

1、第八章：固體光電基礎(chǔ)第八章：固體光電基礎(chǔ)8.1 8.1 固體的光學(xué)常數(shù)固體的光學(xué)常數(shù) 光通過固體時，光與固體中的電子、激子、晶格振動及雜質(zhì)缺陷相互作用而產(chǎn)生光吸收。 固體吸收外界能量后，部分能量以光的形式發(fā)射出來。 固體的光電現(xiàn)象包括：光的吸收、光電導(dǎo)、光生伏特效應(yīng)和光的發(fā)射等。8.1.1 折射率與消光系數(shù)電磁波在導(dǎo)電介質(zhì)中傳播時，光波能量被介質(zhì)吸收，能量不斷損耗 。對于吸收介質(zhì)，引入負(fù)折射率：實部n稱為折射率，虛部K稱為消光系數(shù)。透入固體中光的強度隨透入的距離Z指數(shù)衰減，光強可寫為：0zII e2Kc光射入固體表面時，反射光強與入射光強之比稱為反射率R。222221(1)1(1)nnKRnn

2、K 除了用折射率和消光系數(shù)來描述固體的光學(xué)性質(zhì)外，還可用其他物理量。介電常數(shù)和電導(dǎo)率根據(jù)麥克斯韋方程組：222ncic其中， ，對非磁性材料有： 。0001/c 得出：2222001111 ,1122nK對無吸收介質(zhì)，K=0， 。0/n 8.1.2 克拉末-克龍尼克（Krameres-Kronig）關(guān)系 總之，可以有多重形式描述固體的宏觀光學(xué)性質(zhì)，可以用兩個參量組成一組，也可以用一個復(fù)數(shù)參量，他們之間滿足一定的變換關(guān)系。 復(fù)數(shù)形式的光學(xué)常數(shù)具有實部和虛部分量，虛部一般與能量消耗有關(guān)，實部則不涉及能量消耗。 一般，描述固體的兩個光學(xué)常數(shù)是獨立的。但是兩者并不是完全沒有關(guān)系。兩個常數(shù)之間滿足克拉末

3、-克龍尼克關(guān)系（簡稱K-K關(guān)系）。 例如，知道某個固體在整個頻段中的全部K值，就可以由K-K關(guān)系算出該固體在相應(yīng)頻段的n值。 將某種形式的光學(xué)常數(shù)寫為：12( )( )( )Ccic 則K-K關(guān)系表示為：122202()( )ccd 2112202()( )( )cccd 8.2 8.2 光學(xué)常數(shù)的測量光學(xué)常數(shù)的測量 橢圓偏振光譜法是測量固體光學(xué)常數(shù)譜的常用方法。 由光譜測量，同時、直接測量反射光束或透射光束振幅衰減和相位改變，求得被測樣品的折射率n和消光系數(shù)k，從而獲得被研究固體的全部光學(xué)常數(shù)。 光束經(jīng)過起偏器后變?yōu)榫€偏振光。轉(zhuǎn)動起偏器可以改變光束的偏振方向。 線偏振光經(jīng)過1/4波片后變?yōu)闄E

4、圓偏振光。轉(zhuǎn)動起偏器，可改變橢圓偏振光的形狀。 橢圓偏振光經(jīng)過樣品的反射后，偏振狀態(tài)發(fā)生改變。橢圓的方位與形狀改變了。 調(diào)整起偏器，使反射光變?yōu)榫€偏振光。 轉(zhuǎn)動檢偏器，得到消光狀態(tài)。 光偏振狀態(tài)在樣品上反射時的改變，可以用菲涅爾公式、折射公式和干涉公式來分析。 以帶膜層結(jié)構(gòu)的樣品為例： 偏振光在不同界面的反射系數(shù)（菲涅爾公式）：211212112coscoscoscospnnrnn112211122coscoscoscossnnrnn 偏振光在不同界面的折射（折射定律）：112233sinsinsinnnn 反射光束是很多束光疊加的結(jié)果，考慮干涉效應(yīng)?？偡瓷湎禂?shù)：2122121ippPippr

5、r eRr r e2122121issSissrr eRr r e2為相鄰光束的相位差。定義橢圓偏振數(shù)和，則有：tanpiSReR tan代表相對振幅衰減，代表相位移動之差。通過測得和的值，就可以得到樣品中膜的物理信息。通過參數(shù)和 求出被測樣品樣品的光學(xué)參數(shù)，就要看有多少個方程，多少個物理量，幾個未知，幾個待求。不同樣品情況不同。8.3 8.3 半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收 材料吸收輻射能量，導(dǎo)致電子從低能級躍遷到高能級。對于半導(dǎo)體材料，自由電子和束縛電子的吸收都很重要。8.3.1 本征吸收 由于電子由帶與帶之間的躍遷形成的吸收過程稱為本征吸收。 理想半導(dǎo)體，絕對零度時，導(dǎo)帶全空，價帶全滿。

6、光照后，價帶電子獲得足夠能量，從價帶躍遷至導(dǎo)帶，形成電子空穴對。 發(fā)生本征躍遷的條件是光子能量大于禁帶寬度。ghE8.3.2 直接躍遷和間接躍遷 電子躍遷過程同時滿足能量守恒和動量守恒。 電子波矢滿足：hkhk 光子動量 光子的動量遠小于電子的動量，可忽略不計。hkhk 即電子躍遷過程中波矢保持不變。則原則上價帶中A處的電子只能躍遷到B處。這種躍遷稱為直接躍遷。 由于同一波矢k處，能帶的垂直距離不同。因此，本征吸收形成連續(xù)能帶，并形成長波吸收限 。0/gEh 導(dǎo)帶極小值和價帶極大值位于同一波矢處，半導(dǎo)體在本征吸收過程中產(chǎn)生直接躍遷，稱為直接帶隙半導(dǎo)體。 價帶頂位于空間原點而導(dǎo)帶底則不在空間原點

7、，這類半導(dǎo)體稱為間接帶隙半導(dǎo)體。 本征吸收中，除了選擇定責(zé)的直接躍遷外，還存在著非直接躍遷過程，如圖中OS。 非直接躍遷過程中，電子不僅吸收光子，還同時和晶格交換一定的能量，即放出或吸收一個聲子。 非直接躍遷過程是電子、光子和聲子三者同時參與的過程。0pEhE電子能量差= 能量關(guān)系： ，+：吸收聲子，-：發(fā)射聲子。聲子能量相對光子能量非常小，可以忽略不計，上式可簡化為：0ghEE= 非直接躍遷過程中，伴隨發(fā)射或吸收聲子，聲子具有準(zhǔn)動量，根據(jù)動量守恒原理，電子的波矢可以改變。 這種除了吸收光子還與晶格交換能量和動量的非直接躍遷也稱為間接躍遷。 間接躍遷過程一方面與電子與電磁波的相互作用有關(guān)，一方

8、面與電子與晶格的相互作用有關(guān)。是一種二級過程。間接躍遷的光吸收系數(shù)比直接躍遷小很多。 間接躍遷。 直接躍遷。 根據(jù)半導(dǎo)體的吸收光譜，可以確定其禁帶寬度，了解復(fù)雜的能帶結(jié)構(gòu)，作為區(qū)分直接帶隙和間接帶隙的重要依據(jù)。8.3.3 其它吸收過程 波長比本征吸收限0長的光波在半導(dǎo)體中往往也能被吸收，這說明除了本征吸收外還存在其它的光吸收過程，主要有激子吸收，雜質(zhì)吸收，自由載流子吸收和晶格振動吸收等。1 激子吸收 光子能量小于禁帶寬度，價帶電子受激發(fā)后躍出價帶但是未進入導(dǎo)帶，仍然受到空穴的庫倫場作用。受激電子和空穴束縛結(jié)合在一起，形成激子，這樣的光吸收稱為激子吸收。 激子呈電中性，且在晶體中運動，不形成電流

9、。 激子消失的途徑：1.熱激發(fā)使激子中的電子空穴分離。2.激子中的電子和空穴復(fù)合，放出能量。2 自由載流子吸收 當(dāng)入射光的頻率不夠高，不足以引起電子帶到帶的躍遷或者形成激子躍遷時，仍然存在躍遷。這是由自由載流子在同一帶內(nèi)躍遷引起的，這種躍遷稱為自由載流子吸收。 1.滿足能量守恒和動量守恒，電子躍遷必然伴隨聲子的吸收或發(fā)射。 2.吸收能量較小，一般為紅外吸收。 3.隨著波長的增大，吸收強度增強。3 雜質(zhì)吸收 束縛在雜質(zhì)能級上的電子或空穴也可以引起光的吸收。電子吸收光子躍遷到導(dǎo)帶；空穴吸收光子躍遷到價帶，這種光吸收稱為雜質(zhì)吸收。 由于束縛態(tài)沒有一定的準(zhǔn)動量，電子（空穴）可以躍遷到任意的導(dǎo)帶（價帶）

10、能級，因而引起連續(xù)的吸收光譜。 雜質(zhì)能級越深，吸收光子能量越大，吸收峰越靠近本征吸收限。 除了與電離過程相關(guān)的光吸收外，雜質(zhì)中心上的電子或空穴由基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷也可以引起光吸收。 雜質(zhì)吸收比較微弱，特別在雜質(zhì)溶解度比較低的情況下，雜質(zhì)含量很小。2 晶格振動吸收 晶體吸收光譜的遠紅外區(qū)，有時還發(fā)現(xiàn)一定的吸收帶，這是晶格振動吸收形成的。這種吸收中，光子能量直接轉(zhuǎn)換為晶格振動能量。8.4 8.4 半導(dǎo)體的光電效應(yīng)半導(dǎo)體的光電效應(yīng) 光吸收使半導(dǎo)體中形成非平衡載流子，而載流子濃度的增大必然使樣品電導(dǎo)率增大，這種由光照引起半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。本征吸收引起的光電導(dǎo)稱為本征光電導(dǎo)。 半導(dǎo)體

11、的暗電導(dǎo)率為：000()npq np 光照射產(chǎn)生非平衡電子和空穴后：()npq np光電導(dǎo)為：()npqnp 實際半導(dǎo)體，本征吸收中，n= P，但是并不是光生電子和光生空穴都對光電導(dǎo)有貢獻。 光照經(jīng)過一定的時間才達到定態(tài)光電導(dǎo)；同樣光照停止后，光電導(dǎo)逐漸消失。這種光照下光電導(dǎo)率逐漸上升和光照停止后光電導(dǎo)率逐漸下降的現(xiàn)象，稱為光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象。1 半導(dǎo)體的光電導(dǎo)2 PN結(jié)的光生伏特效應(yīng) 當(dāng)用適當(dāng)波長的光照射非均勻半導(dǎo)體時，光生電子和空穴由于內(nèi)建電場的作用，會向兩邊分離，因而在半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動勢，如將半導(dǎo)體兩端短路，則會出現(xiàn)電流，這種內(nèi)建電場引起的光電效應(yīng)，稱為光生伏特效應(yīng)。 光生伏特效應(yīng)最重要

12、的應(yīng)用之一，是將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。太陽能電池是一種典型的光電池，一般由一個大面積硅PN結(jié)組成。8.5 8.5 半導(dǎo)體發(fā)光半導(dǎo)體發(fā)光 半導(dǎo)體中的電子可以吸收一定能量的光子而被激發(fā)，同樣，處于激發(fā)態(tài)的電子也可以向較低的能級躍遷，以光輻射的形式釋放出能量，也就是電子從高能級向低能級躍遷，伴隨著發(fā)射光子，這就是半導(dǎo)體的發(fā)光現(xiàn)象。 產(chǎn)生光子發(fā)射的主要條件是系統(tǒng)處于非平衡狀態(tài)。半導(dǎo)體內(nèi)需要有某種激發(fā)過程存在，通過非平衡載流子的復(fù)合，才能形成發(fā)光。 激發(fā)方式包括：電致發(fā)光、光致發(fā)光和陰極發(fā)光等。8.5.1 輻射躍遷 電子從高能級向低能級躍遷時，必然釋放一定的能量，如果躍遷過程伴隨著放出光子，這種躍遷

13、稱為輻射躍遷。 半導(dǎo)體發(fā)光材料，輻射躍遷占優(yōu)勢。 輻射躍遷主要包括以下幾種： 1.1.本征躍遷（帶與帶之間的躍遷）本征躍遷（帶與帶之間的躍遷） 導(dǎo)帶電子躍遷到價帶，與價帶空穴相復(fù)合，伴隨著發(fā)射光子，稱為本征躍遷。 直接帶隙半導(dǎo)體，本征躍遷為直接躍遷。其輻射效率較高。 間接帶隙半導(dǎo)體，本征躍遷為間接躍遷，這種躍遷概率較低。 2.非本征躍遷 電子從導(dǎo)帶躍遷到雜質(zhì)能級，或雜質(zhì)能級上的電子躍遷入價帶，或電子在雜質(zhì)能級之間的躍遷都可以引起發(fā)光，這種躍遷為非本征躍遷。 間接帶隙半導(dǎo)體本征躍遷概率小，此時非本征躍遷占主要作用。8.5.2 發(fā)光效率 電子躍遷過程中，除了發(fā)射光子的輻射躍遷外，還存在無輻射躍遷。

14、 無輻射復(fù)合機理比較復(fù)雜，主要有兩種：1.俄歇過程：電子從高能級向低能級躍遷時，將多余的能量傳遞給第三個載流子，使其受激躍遷到更高能級。2.發(fā)射熱聲子：電子和空穴復(fù)合，可以將能量轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝幽芰俊?實際的發(fā)光過程同時存在輻射復(fù)合和無輻射復(fù)合。兩者的概率不同導(dǎo)致不同材料有不同的發(fā)光效率。 半導(dǎo)體發(fā)光，就要求輻射復(fù)合占壓倒性優(yōu)勢，使發(fā)光中心濃度遠大于其他雜質(zhì)濃度。8.5.3 電致發(fā)光機構(gòu) 1.PN結(jié)注入發(fā)光 加正向偏壓后，勢壘降低，載流子擴散，勢壘區(qū)和擴散區(qū)不斷注入少數(shù)載流子，少子與多子不斷復(fù)合而發(fā)光。原理： 2.異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光異質(zhì)結(jié)少子注入效率要大于PN結(jié)。 異質(zhì)結(jié)兩端加正向偏壓后，當(dāng)兩者的價帶達到等高，P區(qū)的空穴由于不存在勢壘，不斷向N區(qū)擴散，保證了空穴（少子）向發(fā)光區(qū)的高注入效率。 禁帶寬度較寬的區(qū)域為注入源，禁帶寬度較小的區(qū)域為發(fā)光區(qū)。8.5.4 發(fā)光二極管LED 半導(dǎo)體發(fā)光二極管簡稱LED（light emitting diode）是一種用半導(dǎo)體PN結(jié)或類似結(jié)構(gòu)把電能轉(zhuǎn)換成光能的器件。 其特點是通過正向偏壓下的PN結(jié)，電子和空穴因復(fù)合