半導(dǎo)體光電子器件-1 半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象

半導(dǎo)體光電子器件課程主要內(nèi)容第一章：半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象第二章：半導(dǎo)體光電子器件的物理基礎(chǔ)第三章：半導(dǎo)體太陽電池第四章：半導(dǎo)體光電探測器件第五章：半導(dǎo)體光電荷耦合器件第六章：半導(dǎo)體發(fā)光器件第一章：半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)

與光電現(xiàn)象§1.1光子特性及半導(dǎo)體的光學(xué)參數(shù)§1.2半導(dǎo)體的光吸收機(jī)制§1.3半導(dǎo)體的光發(fā)射機(jī)制§1.4光子與電子相互作用的物理過程基本物理屬性基本特性§1.1光子特性及半導(dǎo)體的光學(xué)參數(shù)一、光子特性光在半導(dǎo)體中傳播服從Maxwell方程ε0、μ0真空介電常數(shù)與磁導(dǎo)率；εr媒質(zhì)相對介電常數(shù)第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象光的傳播與振動(dòng)示意圖自然光部分偏振光一、光子特性

光是一種電磁波，是橫波。光波振動(dòng)方向和前進(jìn)方向構(gòu)成的平面叫做振動(dòng)面，光的振動(dòng)面只限于某一固定方向的，叫做平面偏振光或線偏振光。

自然光是偏振面具有各種不同取向，且相位隨機(jī)分布的平面偏正光的集合。

介于偏振光與自然光之間的一種光稱為部分偏正光。在兩個(gè)互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值，這種光稱為部分偏振光。自然光是部分偏正光的一種特殊形式?！?.1光子特性及半導(dǎo)體的光學(xué)參數(shù)第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.1光子特性及半導(dǎo)體的光學(xué)參數(shù)二、光子的動(dòng)量和能量光子的動(dòng)量矢量可表示為光子能量可表示為光子的波長和能量的關(guān)系設(shè)沿z方向傳播的平面波電場在y方向偏振，由速度第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.1光子特性及半導(dǎo)體的光學(xué)參數(shù)三、傳播速度與折射率電場形式為則，傳播速度為折射率為其中，n為通常的折射率第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.1光子特性及半導(dǎo)體的光學(xué)參數(shù)三、傳播速度與折射率由以上各式可得

可見，光波以c/n的速度沿z方向傳播，其振幅按

衰減，光振幅衰減是由于介質(zhì)內(nèi)存在自由電荷，光波的部分能量激起傳導(dǎo)電流。K為表示光波能量衰減的參量，稱為消光系數(shù)（對于在x方向振動(dòng)的磁場有相同的類似形式與結(jié)果）。K的產(chǎn)生機(jī)理是自由載流子吸收所引起。光波是橫波，其電場強(qiáng)度E和磁場強(qiáng)度H都和傳播方向垂直，對人眼和感光儀器起作用的是電場強(qiáng)度，光波中的振動(dòng)矢量通常指的是電場強(qiáng)度E。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.1光子特性及半導(dǎo)體的光學(xué)參數(shù)四、光的折射與透射

光波（電磁波）由一種媒質(zhì)照射到與另一種媒質(zhì)的交界面時(shí)，必然發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，一部分光從界面反射，另一部分則透射入媒質(zhì)。從能量守恒觀點(diǎn)看，反射光波能量和透射光波能量之和等于入射光波能量。1.斯涅耳（snell）損耗

光子從一種介質(zhì)入射另一種介質(zhì)，因折射率不同而部分光子被反射回來，稱斯涅耳損耗。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.1光子特性及半導(dǎo)體的光學(xué)參數(shù)四、光的折射與透射2.菲涅耳（snell）損耗

當(dāng)θ0=900時(shí)發(fā)生全反射，即菲涅耳現(xiàn)象。對應(yīng)的θs即為臨界角θC。

光子從折射率大的介質(zhì)向折射率小的介質(zhì)入射時(shí)，若入射角大于其臨界角θC

，則，入射光從界面全反射回原介質(zhì)，稱為菲涅耳損耗。反射系數(shù)透射系數(shù)臨界角

光的作用可以引起電子在不同的狀態(tài)之間躍遷。如果

，價(jià)帶電子吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶；如果

，雖然價(jià)帶電子不能躍遷到導(dǎo)帶，但是其仍能吸收光子能量從低能級躍遷至較高能級。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.2

半導(dǎo)體的光吸收機(jī)制一、光的吸收系數(shù)

光子作用于半導(dǎo)體上有多種作用機(jī)制，如本征吸收，雜質(zhì)吸收，自由載流子吸收，激子吸收，晶格振動(dòng)吸收，子帶吸收。光子在距表面1/α處，光強(qiáng)為原來的1/e，可認(rèn)為光能量基本被吸收吸收系數(shù)α是光能量和禁帶寬度函數(shù)，若光子能量大于禁帶寬度，

吸收系數(shù)上升得快；若光子能量小于禁帶寬度，吸收系數(shù)就很小吸收系數(shù)對光子能量（波長、波數(shù)或頻率）的依賴關(guān)系稱為吸收光譜

機(jī)理：載流子吸收光能躍遷；晶格振動(dòng)吸收光能。機(jī)制：本征吸收，雜質(zhì)吸收，自由載流子吸收，激子吸收，晶格振動(dòng)吸收，子帶吸收。條件：能量守恒-

動(dòng)量守恒-

特征：存在長波限。躍遷后波矢直接帶隙第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.2

半導(dǎo)體的光吸收機(jī)制半導(dǎo)體光吸收機(jī)理與機(jī)制

價(jià)帶電子吸收光子能量躍遷至導(dǎo)帶。

EcEV長波限：#高摻雜半導(dǎo)體：Eg能量-動(dòng)量守恒直接帶隙間接帶隙第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.2

半導(dǎo)體的光吸收機(jī)制二、本征吸收直接躍遷第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象

C與折射率、有效質(zhì)量、介電常數(shù)、光速等有關(guān)的量，近似為常數(shù)。吸收系數(shù)能量守恒動(dòng)量守恒

即電子躍遷保持波矢不變-直接躍遷?！?.2

半導(dǎo)體的光吸收機(jī)制二、本征吸收-直接帶隙半導(dǎo)體存在：直接躍遷；間接躍遷。間接躍遷-光子、電子、聲子共同參與。

能量守恒：

動(dòng)量守恒：直接躍遷間接躍遷第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象能量守恒§1.2

半導(dǎo)體的光吸收機(jī)制二、本征吸收-間接帶隙半導(dǎo)體直接躍遷間接躍遷聲子分布函數(shù)第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象吸收系數(shù)：§1.2

半導(dǎo)體的光吸收機(jī)制二、本征吸收-間接帶隙半導(dǎo)體躍遷過程：施主能級電子—導(dǎo)帶；受主能級空穴—價(jià)帶電離受主能級電子—導(dǎo)帶；電離施主能級空穴—價(jià)帶能量關(guān)系：施主能級電子—導(dǎo)帶受主能級空穴—價(jià)帶電離受主能級電子—導(dǎo)帶電離施主能級空穴—價(jià)帶動(dòng)量關(guān)系：束縛狀態(tài)無一定準(zhǔn)動(dòng)量，躍遷后狀態(tài)不受波矢限制；可越遷至任意能級，引起連續(xù)吸收光譜。

EcEv第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.2

半導(dǎo)體的光吸收機(jī)制三、雜質(zhì)吸收導(dǎo)帶及價(jià)帶內(nèi)電子從低能級躍遷到高能級。能量守恒：動(dòng)量守恒：吸收或釋放聲子。特征：吸收系數(shù)隨波長增大而增強(qiáng)。

(躍遷能量間隔小，參與聲子少)自由載流子等吸收§1.2

半導(dǎo)體的光吸收機(jī)制四、自由載流子吸收第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象1.激子吸收激子：處于禁帶中的電子與價(jià)帶中的空穴在庫侖場作用下束縛在一起形成的電中性系統(tǒng)。激子可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)，不形成電流。激子吸收：價(jià)帶電子受激躍至禁帶，形成激子。激子吸收特征：2.晶格吸收

光子能量直接轉(zhuǎn)換成晶格振動(dòng)動(dòng)能。3.子帶吸收

量子阱、超晶格子帶間躍遷§1.2

半導(dǎo)體的光吸收機(jī)制五、其他吸收第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象1.本征躍遷導(dǎo)帶電子躍遷到價(jià)帶與空穴復(fù)合直接躍遷(直接復(fù)合)：能量守恒：波矢相等：輻射效率高。間接躍遷(間接復(fù)合)：能量守恒：波矢不等：輻射效率低。

處于激發(fā)態(tài)(高能態(tài))的電子躍遷至低能態(tài)，能量以光輻射(光子)形式釋放--光輻射。光輻射—光吸收逆過程。直接躍遷間接躍遷第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.3

半導(dǎo)體的光發(fā)射機(jī)制一、本征躍遷與非本征躍遷第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.3

半導(dǎo)體的光發(fā)射機(jī)制一、本征躍遷與非本征躍遷2.非本征躍遷

除了帶間躍遷以外，電子從高能級躍遷到低能級的過程，包括電子從導(dǎo)帶躍遷到雜質(zhì)能級、雜質(zhì)能級上的電子躍遷入價(jià)帶、電子在雜質(zhì)能級之間的躍遷都是非本征躍遷。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.3

半導(dǎo)體的光發(fā)射機(jī)制二、輻射躍遷

如果電子從高能級躍遷到低能級，失去一部分能量，并在此過程中伴隨著光子的放出，這種躍遷稱為輻射躍遷。也稱為輻射復(fù)合。

輻射復(fù)合多發(fā)生在直接帶隙結(jié)構(gòu)。光子能量

輻射復(fù)合又分為帶間復(fù)合、邊緣發(fā)射、施主和受主的載流子復(fù)合、深能級復(fù)合和激子復(fù)合等方式第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.3

半導(dǎo)體的光發(fā)射機(jī)制二、輻射躍遷1.帶間復(fù)合

帶間復(fù)合指電子直接從導(dǎo)帶躍遷到價(jià)帶，同那里的空穴相復(fù)合，同時(shí)發(fā)射光子，由于這種躍遷是在兩能帶之間進(jìn)行的，所以起始點(diǎn)均有一定范圍，因而發(fā)光具有一定譜帶，如圖中a、b、c、h復(fù)合。

在直接帶隙復(fù)合過程中，由于導(dǎo)帶極小值與價(jià)帶極大值具有相同的電子波矢，故躍遷前后，電子波矢基本不變，又稱為一級過程或直接躍遷型。在間接帶隙復(fù)合過程中由于導(dǎo)帶最小值與價(jià)帶最大值的波矢k值不同，電子躍遷前后波矢發(fā)生較大變化，因此在躍遷過程中，除了產(chǎn)生光子以外，還伴隨著聲子躍遷過程，又稱為二級過程，或間接躍遷型。間接躍遷型放出光子的幾率較小，發(fā)光強(qiáng)度變?nèi)?。第一章半?dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.3

半導(dǎo)體的光發(fā)射機(jī)制二、輻射躍遷2.邊緣發(fā)射

邊緣發(fā)射也是一種輻射復(fù)合過程，它是由淺施主所俘獲的電子同價(jià)帶空穴復(fù)合，或淺受主所俘獲的空穴同導(dǎo)帶電子復(fù)合的過程，如圖中d、e復(fù)合。3.深能級復(fù)合

深能級是指靠近導(dǎo)帶的空穴束縛態(tài)，或能量很接近價(jià)帶頂?shù)碾娮邮`態(tài)。在這種復(fù)合中，躍遷距離遠(yuǎn)小于禁帶寬度，故輻射光子波長較長，如圖所示中j復(fù)合。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.3

半導(dǎo)體的光發(fā)射機(jī)制二、輻射躍遷4.施主和受主的載流子復(fù)合

施主和受主雜質(zhì)提供載流子并產(chǎn)生復(fù)合，如圖中f復(fù)合。在這種載流子的復(fù)合過程中，躍遷距離小于禁帶寬度。5.激子復(fù)合

激子是晶體中電子和空穴束縛形成的中性粒子，當(dāng)它釋放出所儲存的能量時(shí)，產(chǎn)生激子復(fù)合發(fā)光，因?yàn)榧ぷ幽軌蛞痣娮雍涂昭ǖ膹?fù)合發(fā)光，從而提高發(fā)光效率。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.3

半導(dǎo)體的光發(fā)射機(jī)制二、輻射躍遷6.等電子中心復(fù)合

在元素半導(dǎo)體中，同價(jià)原子取代主原子，該原子被稱為等電子。由于兩種原子序數(shù)不同，內(nèi)層電子結(jié)構(gòu)不同，電負(fù)性不同，原子序數(shù)小的，電子親和力大，易俘獲電子成為負(fù)電中心；原子序數(shù)大的，易俘獲空穴成為正電中心。該正負(fù)電子中心被稱為等電子中心。等電子中心再俘獲相反類型載流子形成束縛激子之后復(fù)合發(fā)光，稱等電子復(fù)合。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.3

半導(dǎo)體的光發(fā)射機(jī)制二、輻射躍遷7.等分子中心復(fù)合

類似于等電子，在化合物半導(dǎo)體中，一種分子取代主分子被稱為等分子。若其電子親和力大，易俘獲電子成為負(fù)電中心；反之，易俘獲空穴成為正電中心。該正負(fù)電子中心被稱為等分子中心。等分子中心再俘獲相反類型載流子復(fù)合被稱等分子復(fù)合。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.3

半導(dǎo)體的光發(fā)射機(jī)制三、非輻射躍遷1.多聲子躍遷

電子和空穴復(fù)合所放出的能量，可以使晶格振動(dòng)，產(chǎn)生聲子，這一過程叫做聲子躍遷。如果禁帶中有許多雜質(zhì)能級，可以在電子躍遷時(shí)，依次激發(fā)出許多聲子，這一過程叫做多聲子躍遷。

聲子躍遷的結(jié)果，使電子放出的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝?dòng)能。

在電子與空穴復(fù)合過程中，多余能量如果不以光子的形式放出，則稱為非輻射復(fù)合，又叫猝滅，多發(fā)生在間接帶隙結(jié)構(gòu)。如多聲子躍遷、俄歇復(fù)合、表面復(fù)合或激發(fā)聲子而變?yōu)闊崮?，均屬于非輻射?fù)合過程。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.3

半導(dǎo)體的光發(fā)射機(jī)制三、非輻射躍遷2.俄歇復(fù)合

當(dāng)晶體中的電子和空穴復(fù)合時(shí)，可能把多余的能量傳給第三個(gè)載流子。獲得能量的載流子又會(huì)產(chǎn)生多聲子過程。這種復(fù)合稱為俄歇復(fù)合。另外，還存在許多其它的非輻射復(fù)合過程。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.3

半導(dǎo)體的光發(fā)射機(jī)制四、發(fā)光效率

表征發(fā)光的參量為量子效率，即光輻射復(fù)合與總復(fù)合之比Rr是輻射復(fù)合率，R是過剩載流子的總復(fù)合率

按少子壽命τnr是輻射壽命，

τr是非輻射壽命帶與帶間的輻射復(fù)合率B是比例常數(shù)。直接系材料的值比間接帶隙材料的值大106個(gè)數(shù)量級；在間接帶隙材料中，直接帶間輻射復(fù)合躍遷是不大可能的。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.4

半導(dǎo)體中光子與電子相互作用的物理過程一、半導(dǎo)體中光子與電子相互作用的物理過程

半導(dǎo)中光子和電子相互作用的物理過程主要有三個(gè)：光的自發(fā)輻射、光的受激輻射和光的受激吸收1.光的自發(fā)輻射

對于具有上下兩個(gè)能級E2和E1，處于上能級E2的電子，無需借助外來光子的激發(fā)，有一定概率“自發(fā)的”躍遷的下能級E1，與空穴復(fù)合，同時(shí)放出光子，其能量為自發(fā)輻射的特點(diǎn)是產(chǎn)生的光為非相干光，是發(fā)光二極管的物理基礎(chǔ)。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.4

半導(dǎo)體中光子與電子相互作用的物理過程一、半導(dǎo)體中光子與電子相互作用的物理過程2.光的受激輻射

在能量為

的光子的作用下，電子由上能級E2

躍遷到下能級E1

，所發(fā)射的光子與入射光子具有相同的頻率、傳播方向、偏振和相位。受激輻射的特點(diǎn)：產(chǎn)生的光為相干光，即發(fā)射的光子與入射光子具有相同的頻率、傳播方向、偏振和相位，是激光器工作原理基礎(chǔ)。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.4

半導(dǎo)體中光子與電子相互作用的物理過程一、半導(dǎo)體中光子與電子相互作用的物理過程3.光的受激吸收

在能量為

的光子的作用下，電子由下能級E1躍遷到上能級E2的過程。

若光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，產(chǎn)生本征躍遷，每一個(gè)光子可激發(fā)出一個(gè)電子-空穴對；若光子能量小于禁帶寬度，但是大于施主和受主雜質(zhì)電離能量，產(chǎn)生非本征躍遷，每個(gè)光子只激發(fā)一個(gè)電子或者空穴。光的受激吸收是太陽電池、光電探測器工作原理基礎(chǔ)。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.4

半導(dǎo)體中光子與電子相互作用的物理過程二、愛因斯坦關(guān)系1.光的自發(fā)輻射