《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(shí)，光與固體中的電子、激子、晶格振動(dòng)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(shí)，光波能量被介質(zhì)吸收，能量不斷損耗 。對(duì)于吸收介質(zhì)，引入負(fù)折射率：實(shí)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(qiáng)度隨透入的距離Z指數(shù)衰減，光強(qiáng)可寫為：0zII e2Kc光射入固體表面時(shí)，反射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)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(duì)非磁性材料有： 。0001/c 得出：2222001111 ,1122nK對(duì)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(gè)參量組成一組，也可以用一個(gè)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(shí)部和虛部分量，虛部一般與能量消耗有關(guān)，實(shí)部則不涉及能量消耗。 一般，描述固體的兩個(gè)光學(xué)常數(shù)是獨(dú)立的。但是兩者并不是完全沒有關(guān)系。兩個(gè)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(gè)固體在整個(gè)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(shí)、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(dòng)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(dòng)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(dòng)檢偏器，得到消光狀態(tài)。 光偏振狀態(tài)在樣品上反射時(shí)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(duì)振幅衰減，代表相位移動(dòng)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(gè)方程，多少個(gè)物理量，幾個(gè)未知，幾個(gè)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(jí)躍遷到高能級(jí)。對(duì)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(duì)零度時(shí)，導(dǎo)帶全空，價(jià)帶全滿。

6、光照后，價(jià)帶電子獲得足夠能量，從價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶，形成電子空穴對(duì)。 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(shí)滿足能量守恒和動(dòng)量守恒。 電子波矢滿足：hkhk 光子動(dòng)量 光子的動(dòng)量遠(yuǎn)小于電子的動(dòng)量，可忽略不計(jì)。hkhk 即電子躍遷過程中波矢保持不變。則原則上價(jià)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(jià)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(jià)帶頂位于空間原點(diǎn)而導(dǎo)帶底則不在空間原點(diǎn)

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(shí)和晶格交換一定的能量，即放出或吸收一個(gè)聲子。 非直接躍遷過程是電子、光子和聲子三者同時(shí)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(duì)光子能量非常小，可以忽略不計(jì)，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(dòng)量，根據(jù)動(dòng)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(dòng)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(jí)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(dòng)吸收等。1 激子吸收 光子能量小于禁帶寬度，價(jià)帶電子受激發(fā)后躍出價(jià)帶但是未進(jìn)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(yùn)動(dòng)，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(shí)，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(dòng)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(qiáng)度增強(qiáng)。3 雜質(zhì)吸收 束縛在雜質(zhì)能級(jí)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(jià)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(dòng)量，電子（空穴）可以躍遷到任意的導(dǎo)帶（價(jià)帶）

10、能級(jí)，因而引起連續(xù)的吸收光譜。 雜質(zhì)能級(jí)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(dòng)吸收 晶體吸收光譜的遠(yuǎn)紅外區(qū)，有時(shí)還發(fā)現(xiàn)一定的吸收帶，這是晶格振動(dòng)吸收形成的。這種吸收中，光子能量直接轉(zhuǎn)換為晶格振動(dòng)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(shí)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(duì)光電導(dǎo)有貢獻(xiàn)。 光照經(jīng)過一定的時(shí)間才達(dá)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(shí)，光生電子和空穴由于內(nèi)建電場的作用，會(huì)向兩邊分離，因而在半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動(dòng)勢，如將半導(dǎo)體兩端短路，則會(huì)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(gè)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(jí)躍遷，以光輻射的形式釋放出能量，也就是電子從高能級(jí)向低能級(jí)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(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，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(jià)帶，與價(jià)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(jí)，或雜質(zhì)能級(jí)上的電子躍遷入價(jià)帶，或電子在雜質(zhì)能級(jí)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(shí)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(jī)理比較復(fù)雜，主要有兩種：1.俄歇過程：電子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，將多余的能量傳遞給第三個(gè)載流子，使其受激躍遷到更高能級(jí)。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?dòng)能量。 實(shí)際的發(fā)光過程同時(shí)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?jí)旱剐詢?yōu)勢，使發(fā)光中心濃度遠(yuǎn)大于其他雜質(zhì)濃度。8.5.3 電致發(fā)光機(jī)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(kuò)散，勢壘區(qū)和擴(kuò)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(jià)帶達(dá)到等高，P區(qū)的空穴由于不存在勢壘，不斷向N區(qū)擴(kuò)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?yàn)樽⑷朐矗麕挾容^小的區(qū)域?yàn)榘l(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(diǎn)是通過正向偏壓下的PN結(jié)，電子和空穴因復(fù)合