9半導(dǎo)體對(duì)光的吸收

1.5半導(dǎo)體對(duì)光的吸收

1.5.1物質(zhì)對(duì)光吸收的一般規(guī)律

光波入射到物質(zhì)表面上，用透射法測定光通量的衰減時(shí)，發(fā)現(xiàn)通過路程dx的光通量變化dΦ與入射的光通量Φ和路程dx的乘積成正比，即

（1-63）式中，α稱為吸收系數(shù)。

如圖1-8所示，利用初始條件x=0時(shí)

，解這個(gè)微分方程，可以找到通過x路程的光通量為

1精選2021版課件（1-64）可見，當(dāng)光在物質(zhì)中傳播時(shí)，透過的能量衰減到原來能量的e-1時(shí)所透過的路程的倒數(shù)等于該物質(zhì)的吸收系數(shù)α，即

（1-65）另外，根據(jù)電動(dòng)力學(xué)理論，平面電磁波在物質(zhì)中傳播時(shí)，其電矢量和磁矢量都按指數(shù)規(guī)律

exp(-ωμxc-1)衰減。

2精選2021版課件（1-66）乘積的其實(shí)數(shù)部分應(yīng)是輻射通量隨傳播路徑x的變化關(guān)系。即

式中，μ稱為消光系數(shù)。

由此可以得出

（1-67）半導(dǎo)體的消光系數(shù)μ與入射光的波長無關(guān)，表明它對(duì)愈短波長的光吸收愈強(qiáng)。3精選2021版課件（1-68）

普通玻璃的消光系數(shù)μ也與波長λ無關(guān)，因此，它們對(duì)短波長輻射的吸收比長波長強(qiáng)。

當(dāng)不考慮反射損失時(shí)，吸收的光通量應(yīng)為

4精選2021版課件1.5.2半導(dǎo)體對(duì)光的吸收

在不考慮熱激發(fā)和雜質(zhì)的作用時(shí)，半導(dǎo)體中的電子基本上處于價(jià)帶中，導(dǎo)帶中的電子很少。當(dāng)光入射到半導(dǎo)體表面時(shí)，原子外層價(jià)電子吸收足夠的光子能量，越過禁帶，進(jìn)入導(dǎo)帶，成為可以自由運(yùn)動(dòng)的自由電子。同時(shí)，在價(jià)帶中留下一個(gè)自由空穴，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。如圖1-9所示，半導(dǎo)體價(jià)帶電子吸收光子能量躍遷入導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子空穴對(duì)的現(xiàn)象稱為本征吸收。

5精選2021版課件顯然，發(fā)生本征吸收的條件是光子能量必須大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg，才能使價(jià)帶EV上的電子吸收足夠的能量躍入到導(dǎo)帶底能級(jí)EC之上，即由此，可以得到發(fā)生本征吸收的光波長波限

（1-69）（1-70）只有波長短于的入射輻射才能使器件產(chǎn)生本征吸收，改變本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。

6精選2021版課件2.雜質(zhì)吸收

N型半導(dǎo)體中未電離的雜質(zhì)原子（施主原子）吸收光子能量hv。若hv大于等于施主電離能ΔED，雜質(zhì)原子的外層電子將從雜質(zhì)能級(jí)（施主能級(jí)）躍入導(dǎo)帶，成為自由電子。

同樣，P型半導(dǎo)體中，價(jià)帶上的電子吸收了能量hv大于ΔEA（受主電離能）的光子后，價(jià)電子躍入受主能級(jí)，價(jià)帶上留下空穴。相當(dāng)于受主能級(jí)上的空穴吸收光子能量躍入價(jià)帶。

7精選2021版課件這兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體吸收足夠能量的光子，產(chǎn)生電離的過程稱為雜質(zhì)吸收。

顯然，雜質(zhì)吸收的長波限

（1-71）（1-72）由于Eg>ΔED或ΔEA，因此，雜質(zhì)吸收的長波長總要長于本征吸收的長波長。雜質(zhì)吸收會(huì)改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性，也會(huì)引起光電效應(yīng)。

8精選2021版課件3.激子吸收

當(dāng)入射到本征半導(dǎo)體上的光子能量hv小于Eg，或入射到雜質(zhì)半導(dǎo)體上的光子能量hv小于雜質(zhì)電離能（ΔED或ΔEA）時(shí)，電子不產(chǎn)生能帶間的躍遷成為自由載流子，仍受原來束縛電荷的約束而處于受激狀態(tài)。這種處于受激狀態(tài)的電子稱為激子。吸收光子能量產(chǎn)生激子的現(xiàn)象稱為激子吸收。顯然，激子吸收不會(huì)改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。

9精選2021版課件4.自由載流子吸收

對(duì)于一般半導(dǎo)體材料，當(dāng)入射光子的頻率不夠高時(shí)，不足以引起電子產(chǎn)生能帶間的躍遷或形成激子時(shí)，仍然存在著吸收，而且其強(qiáng)度隨波長增大而增強(qiáng)。這是由自由載流子在同一能帶內(nèi)的能級(jí)間的躍遷所引起的，稱為自由載流子吸收。自由載流子吸收不會(huì)改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。

10精選2021版課件5.晶格吸收

晶格原子對(duì)遠(yuǎn)紅外譜區(qū)的光子能量的吸收直接轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝?dòng)動(dòng)能的增加，在宏觀上表現(xiàn)為物體溫度升高，引起物質(zhì)的熱敏效應(yīng)。以上五種吸收中，只有本征吸收和雜質(zhì)吸收能夠直接產(chǎn)生非平衡載流子，引起光電效應(yīng)。其他吸收都程度不同地把輻射能轉(zhuǎn)換為熱能，使器件溫度升高，使熱激發(fā)載流子運(yùn)動(dòng)的速度加快，而不會(huì)改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。

11精選2021版課件1.6

光電效應(yīng)

光與物質(zhì)作用產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為內(nèi)光電效應(yīng)與外光電效應(yīng)兩類。內(nèi)光電效應(yīng)是被光激發(fā)所產(chǎn)生的載流子（自由電子或空穴）仍在物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，使物質(zhì)的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生伏特的現(xiàn)象。而被光激發(fā)產(chǎn)生的電子逸出物質(zhì)表面，形成真空中的電子的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。本節(jié)主要討論內(nèi)光電效應(yīng)與外光電效應(yīng)的基本原理。

12精選2021版課件1.6.1內(nèi)光電效應(yīng)

1.光電導(dǎo)效應(yīng)

光電導(dǎo)效應(yīng)可分為本征光電導(dǎo)效應(yīng)與雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)兩種，本征半導(dǎo)體或雜質(zhì)半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子吸收光子能量躍入導(dǎo)帶產(chǎn)生本征吸收，導(dǎo)帶中產(chǎn)生光生自由電子，價(jià)帶中產(chǎn)生光生自由空穴。光生電子與空穴使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變化。這種在光的作用下由本征吸收引起的半導(dǎo)體電導(dǎo)率的變化現(xiàn)象稱為本征光電導(dǎo)效應(yīng)。

13精選2021版課件通量為Φe,λ的單色輻射入射到如圖1-10所示的半導(dǎo)體上，波長λ的單色輻射全部被吸收，則光敏層單位時(shí)間所吸收的量子數(shù)密度Ne,λ應(yīng)為

(1-73)

14精選2021版課件光敏層每秒產(chǎn)生的電子數(shù)密度Ge為

（1-74）

在熱平衡狀態(tài)下，半導(dǎo)體的熱電子產(chǎn)生率Gt與熱電子復(fù)合率rt相平衡。光敏層內(nèi)電子總產(chǎn)生率應(yīng)為熱電子產(chǎn)生率Gt與光電子產(chǎn)生率Ge之和

（1-75）

15精選2021版課件導(dǎo)帶中的電子與價(jià)帶中的空穴的總復(fù)合率R應(yīng)為

（1-76）

式中，Kf為載流子的復(fù)合幾率，Δn為導(dǎo)帶中的光生電子濃度，Δp為導(dǎo)帶中的光生空穴濃度，ni與pi分別為熱激發(fā)電子與空穴的濃度。

同樣，熱電子復(fù)合率與導(dǎo)帶內(nèi)熱電子濃度ni及價(jià)帶內(nèi)空穴濃度pi的乘積成正比。即

（1-77）

16精選2021版課件在熱平衡狀態(tài)載流子的產(chǎn)生率應(yīng)與復(fù)合率相等。即

（1-78）

在非平衡狀態(tài)下，載流子的時(shí)間變化率應(yīng)等于載流子的總產(chǎn)生率與總復(fù)合率的差。即

（1-79）

17精選2021版課件下面分為兩種情況討論：（1）在微弱輻射作用下，光生載流子濃度Δn遠(yuǎn)小于熱激發(fā)電子濃度ni，光生空穴濃度Δp遠(yuǎn)小于熱激發(fā)空穴的濃度pi，并考慮到本征吸收的特點(diǎn)，Δn=Δp，式（1-79）可簡化為

利用初始條件t=0時(shí)，Δn=0，解微分方程得

（1-80）

式中τ=1/Kf(ni+pi)稱為載流子的平均壽命。

18精選2021版課件由式（1-80）可見，光激發(fā)載流子濃度隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)t>>τ時(shí)，載流子濃度Δn達(dá)到穩(wěn)態(tài)值Δn0，即達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)

（1-81）

光激發(fā)載流子引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的變化Δσ為

（1-82）

式中，μ為電子遷移率μn與空穴遷移率μp之和。

半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)g為

（1-83）

19精選2021版課件

可以看出，在弱輻射作用下的半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)與入射輻射通量Φe,λ成線性關(guān)系。求導(dǎo)可得

由此可得半導(dǎo)體材料在弱輻射作用下的光電導(dǎo)靈敏度Sg

（1-85）

可見，在弱輻射作用下的半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)靈敏度為與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，與光電導(dǎo)材料兩電極間的長度l的平方成反比。

20精選2021版課件（2）在強(qiáng)輻射的作用下，Δn>>ni，Δp>>pi（1-79）式可以簡化為

利用初始條件t=0時(shí)，Δn=0，解微分方程得

（1-86）