固體的光學(xué)性質(zhì)和光電現(xiàn)象精要

固體的光學(xué)常數(shù)克拉末—克龍尼克(K-K)關(guān)系光學(xué)常數(shù)的實驗測量半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光電導(dǎo)光生伏特效應(yīng)半導(dǎo)體發(fā)光1第7章

固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象2當(dāng)光通過固體時，由于光與固體中的電子、激子、晶格振動和缺陷的相互作用而產(chǎn)生光的吸收。當(dāng)固體吸收外界能量后，其中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。固體的光學(xué)常數(shù)理想(絕緣)介質(zhì)中沿z方向傳播的平面波:這種電磁波在傳播過程中沒有損耗。對于吸收介質(zhì)用復(fù)折射率描述：式中，k為消光系數(shù)。導(dǎo)電介質(zhì)中平面波：7.1固體的光學(xué)常數(shù)37.1固體的光學(xué)常數(shù)而光強(qiáng)I與振幅的平方成正比，即令，光強(qiáng)可寫為為吸收系數(shù)。它數(shù)值上等于光波強(qiáng)度因吸收而減弱到1/e時透過的物質(zhì)厚度的倒數(shù)，它用單位cm-1表示。47.1固體的光學(xué)常數(shù)當(dāng)光從自由空間入射到固體表面時，反射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之比稱為反射率R57.1固體的光學(xué)常數(shù)式中，c為真空中的光速，6固體的光學(xué)常數(shù)除了可用折射率和消光系數(shù)這對物理量來描述外，還可用其他物理量來描述。較常用的是介電常數(shù)與電導(dǎo)率。用麥克斯韋方程將它們聯(lián)系起來：7.1固體的光學(xué)常數(shù)對于非磁性固體材料對于無吸收介質(zhì)，

＝077.1固體的光學(xué)常數(shù)除了用（n,K）和(ε,σ)來描述物質(zhì)的光性外，還可用復(fù)介電常數(shù)或復(fù)電導(dǎo)率來描述：87.1固體的光學(xué)常數(shù)9總之，描述固體的宏觀光學(xué)性質(zhì)可以有多種形式，可用兩個參數(shù)組成一組，或用一個復(fù)數(shù)參量，它們之間有一定的變換關(guān)系。復(fù)數(shù)形式的光學(xué)常數(shù)具有實部分量和虛部分量，在光波的電磁作用下，其中一個分量與能量消耗有關(guān)，而另一個分量則不涉及能量消耗。7.2

(K-K)關(guān)系克拉末——克龍尼克(K-K)關(guān)系每個固體需用兩個光學(xué)常數(shù)來描述，知道其中一個量在整個頻譜段中的全部值（不是單一頻率下的值），便可由K-K關(guān)系算出該固體另外一個量在相應(yīng)頻段中的值。將某種形式的光學(xué)常數(shù)寫成：107.2

(K-K)關(guān)系則K-K關(guān)系表示為上面兩式的積分中有奇異點(diǎn)，實際應(yīng)按下面方法取值：K-K關(guān)系常常用來處理光學(xué)實驗數(shù)據(jù)。117.2

(K-K)關(guān)系例如，折射率的測量比吸收系數(shù)測量更費(fèi)事，這時便可測量出較寬范圍內(nèi)的吸收系數(shù)，然后根據(jù)K-K關(guān)系計算出折射率與波長的關(guān)系：127.3

光學(xué)常數(shù)的實驗測量13（1）橢圓偏振光譜方法測量固體光學(xué)常數(shù)譜的常用方法是橢圓偏振光譜方法。通過同時測量反射光束或透射光束振幅衰減和相位改變，它可以只經(jīng)由光譜測量，而不必借助k-k變換直接求得被測樣品的折射率和消光系數(shù)，從而獲得被研究固體的全部光學(xué)常數(shù)。光學(xué)常數(shù)的實驗測量7.3

光學(xué)常數(shù)的實驗測量14腳標(biāo)p和s分別表示p波和s波，為入射角。以圖7-3為例，空氣的折射率為 ，膜的復(fù)折射率為 ，襯底的復(fù)折射率為 膜厚為d，則第1界面（空氣-膜）的反射系數(shù)7.3

光學(xué)常數(shù)的實驗測量15第2界面（膜-襯底）的反射系數(shù)一般為復(fù)數(shù)。有如下關(guān)系：7.3

光學(xué)常數(shù)的實驗測量16總反射光束是許多反射光束疊加的結(jié)果。用多束光干涉公式，得總反射系數(shù)：式中： 為兩相鄰光束的位相差，即有：是光在真空中的波長7.3

光學(xué)常數(shù)的實驗測量17定義橢偏參數(shù)

和式中： 的意義是相對振幅衰減，則是相位移動之差。

與 均以角度量度。187.3

光學(xué)常數(shù)的實驗測量綜上所述，在固定實驗條件（波長 和入19射角

襯底的已知）下，空氣的 可認(rèn)為等于1，若已知，則有若測得橢偏參數(shù)

和 ，便可得到樣品中膜的物理信息。7.3

光學(xué)常數(shù)的實驗測量（2）吸收光譜和反射光譜吸收光譜適合于被測材料大致是透明的或者吸收系數(shù)較?。?）的波段，并直接測量與某一微觀特征吸收過程相聯(lián)系的消光系數(shù)譜K(

)。反射光譜適合于不透明的材料，即吸收系數(shù)較大（ ）的波段。207.3

光學(xué)常數(shù)的實驗測量它們通常適合于從近紫外到可見光和一般紅外光波段的光學(xué)常數(shù)譜測量。為了獲得這些波段內(nèi)完整的光學(xué)常數(shù)譜，需要引用k-k變換。217.3

光學(xué)常數(shù)的實驗測量（3）非對稱傅立葉變換光譜在紅外光波段，尤其是遠(yuǎn)紅外和亞毫米波

段，還常用非對稱傅立葉變換光譜方法，或稱

色散傅立葉變換光譜方法測量半導(dǎo)體和其他固

體的光學(xué)常數(shù)。它們也是一類直接測量的方法，而不必引用k-k變換。227.3

光學(xué)常數(shù)的實驗測量電子吸收光子能量后將躍遷23半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體材料通常能強(qiáng)烈地吸收光能，具有數(shù)量級為105cm-1的吸收系數(shù)。材料吸收輻射能導(dǎo)致電子從低能級躍遷到較高的能級。7.4半導(dǎo)體的光吸收7.4半導(dǎo)體的光吸收（1）本征吸收√本征吸收：光照后，電子由價帶向?qū)У能S遷所引起的光吸收稱為本征吸收?！坦庾幽芰繚M足的條件：其中， 是發(fā)生本征吸收的最低頻率限，相應(yīng)的為長波極限， 稱為半導(dǎo)體的本征吸收限。2425√本征吸收長波限的公式：根據(jù)半導(dǎo)體材料不同的禁帶寬度，可以算出相應(yīng)的本征吸收長波限。√本征吸收的分類：直接躍遷和間接躍遷7.4半導(dǎo)體的光吸收（2）直接躍遷和間接躍遷Ⅰ

直接躍遷——直接帶隙半導(dǎo)體電子吸收光子從價帶頂躍遷到導(dǎo)帶底狀態(tài)滿足能量守恒：滿足動量守恒：所以267.4半導(dǎo)體的光吸收即躍遷的過程中，電子的波矢（

k

）可以看作是不變的。這是電子躍遷的選擇定則。從圖中可以看出，只有光子參與躍遷時，電子躍遷前后的波矢不變，電子初態(tài)和末態(tài)幾乎在一條豎直線上。這種躍遷稱為直接躍遷。7.4半導(dǎo)體的光吸收277.4半導(dǎo)體的光吸收對應(yīng)于不同的k，垂直距離各不相同。這相當(dāng)于任何一個k值的不同能量的光子都有可能被吸收，而吸收的光子最小能量應(yīng)等于禁帶寬度。

由此可見，本征吸收形成一個連續(xù)吸收帶，并具有一長波吸收限 。因而從光吸收的測量，也可求得禁帶寬度。在常用半導(dǎo)體中，Ⅲ–Ⅴ族的砷化鎵、銻化銦及Ⅱ–Ⅵ族等材料，導(dǎo)帶極小值和價帶極大值對應(yīng)于相同的波矢，常稱為直接帶隙半導(dǎo)體。28297.4半導(dǎo)體的光吸收307.4半導(dǎo)體的光吸收31理論計算可得：在直接躍遷中，對任何k值的躍遷都是允許的，則吸收系數(shù)與光子能量關(guān)系為：直接躍遷吸收系數(shù)與光子能量的關(guān)系7.4半導(dǎo)體的光吸收Ⅱ

間接躍遷——間接帶隙半導(dǎo)體電子吸收光子從價帶頂躍遷到導(dǎo)帶底的過程中， 這類半導(dǎo)體稱為間接帶隙半導(dǎo)體。非直接躍遷是電子、光子和聲子共同參與的躍遷。能量守恒：動量守恒：其中，Ep為聲子的能量；為聲子的動量。327.4半導(dǎo)體的光吸收動量守恒：能量守恒：7.4半導(dǎo)體的光吸收33略去光子動量，得式中q是聲子波矢可見，在非直接躍遷過程中，電子不僅吸收光子，同時還和晶格交換一定的振動能量，即放出或吸收一個聲子，電子波矢

k發(fā)生改變。這種躍遷也稱間接躍遷。347.4半導(dǎo)體的光吸收間接躍遷為一個二級過程（電子與光子作用，電子與聲子作用），因此其發(fā)生概率比直接躍

遷小得多，相應(yīng)的吸收系數(shù)也小。吸收系數(shù)的理論表達(dá)式為：357.4半導(dǎo)體的光吸收——吸收聲子和發(fā)射聲子的躍遷均發(fā)生36——只能發(fā)生吸收聲子的躍遷——躍遷不能發(fā)生7.4半導(dǎo)體的光吸收37光子能量大于hv0后，一開始就有強(qiáng)烈吸收，吸收系數(shù)陡峻上升，反映出直接躍遷過程。隨著hv的增加，吸收系數(shù)首先上升到

一段較平緩的區(qū)域，這對應(yīng)于間接躍遷；向更短波長方面，隨著hv增加，吸收系數(shù)再一次陡增，發(fā)生強(qiáng)烈的光吸收，表示直接躍遷的開始。間接帶隙半導(dǎo)體中，仍可能發(fā)生直接躍遷。7.4半導(dǎo)體的光吸收對重?fù)诫s半導(dǎo)體（如n型），EF

進(jìn)入導(dǎo)帶，低溫時，EF

以下能級被電子占據(jù)，價帶電子只能躍遷到EF

以上的狀態(tài)，因而本征吸收長波限藍(lán)移，即伯斯坦移動(Burstein-Moss效應(yīng))。38在強(qiáng)電場作用下，能帶傾斜，小于Eg的光子可通過光子誘導(dǎo)的隧道效應(yīng)發(fā)生本征躍遷，既本征吸收長波限紅移，即弗朗茲-克爾德什（Franz-Keldysh）效應(yīng)。7.4半導(dǎo)體的光吸收導(dǎo)帶價帶能隙(禁帶）激子能級39（1）其他吸收過程Ⅰ 激子吸收光子能量hv<Eg，價電子由價帶向稍低于導(dǎo)帶底處的的能級的躍遷。這些能級可以看作是一些電子-空穴（或叫做激子）的激子能級。價帶電子受激發(fā)后不足以進(jìn)入導(dǎo)帶而成為自由電子，仍然受到空穴的庫侖場作用。實際上，受激電子和空穴互相束縛而結(jié)合在一起成為一個新的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)稱為激子，這樣的光吸收稱為激子吸收。7.4半導(dǎo)體的光吸收導(dǎo)帶價帶能隙(禁帶）激子能級40處于這種能級上的電子，不同于被激發(fā)到導(dǎo)帶上的電子，不顯示光電導(dǎo)現(xiàn)象，它們和價帶中的空穴偶合成電子-空穴

對（激子）。激子作為整體是電中性的，因此不形成電流。它可以在晶體中運(yùn)動一段距離后再復(fù)合湮滅。7.4半導(dǎo)體的光吸收激子消失的途徑：√通過熱激發(fā)或其它能量的激發(fā)，使激子分離成為自由電子或空穴；√激子中的電子和空穴通過復(fù)合，使激子消滅而同時放出能量（發(fā)射光子或同時發(fā)射光子和聲子）。417.4半導(dǎo)體的光吸收激子吸收譜必須在低溫時才能觀察到。第激子能級圖激子吸收光譜42一個吸收峰對應(yīng)光子能量為，n值越大，激子能級準(zhǔn)連續(xù)，與本征吸收光譜合并。室溫下，激子吸收峰完全被抹掉。激子吸收譜7.4半導(dǎo)體的光吸收Ⅱ自由載流子吸收對于一般半導(dǎo)體材料，當(dāng)入射光子的頻率不夠高，不足以引起電子從帶到帶的躍遷或形成激子時，仍然存在著吸收，而且其強(qiáng)度隨波長增大而增加（如圖所示）。這是自由載流子在同一帶內(nèi)的躍遷所引起的，稱為自由載流子吸收。7.4半導(dǎo)體的光吸收43與本征躍遷不同，自由載流子吸收中，電子從低能態(tài)到較高能態(tài)的躍遷是在同一能帶內(nèi)發(fā)生的。和本征吸收的非直接躍遷相似，電子的躍遷也必須伴隨著吸收或發(fā)射一個聲子。因為自由載流子吸收中所吸收的光子能量小于hv，一般是紅外吸收。自由載流子吸收447.4半導(dǎo)體的光吸收在一些p型半導(dǎo)體中還觀察到另一種類型的自由載流子吸收。例如在p型Ge中發(fā)現(xiàn)三個自由載流子的吸收峰。p型GaAs中也有類似現(xiàn)象。7.4半導(dǎo)體的光吸收45Ⅲ

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。電子可以吸收光子躍遷到導(dǎo)帶能級；空穴也同樣可以吸收光子而躍遷到價帶（或者說電子離開價帶填補(bǔ)了束縛在雜質(zhì)能級上的空穴）。這種光吸收稱為雜質(zhì)吸收。雜質(zhì)吸收也引起連續(xù)的吸收光譜。467.4半導(dǎo)體的光吸收7.4半導(dǎo)體的光吸收47雜質(zhì)吸收一定在本征吸收限以外長波方面形成吸收帶，如圖7-16所示。雜質(zhì)能級越深，能引起雜質(zhì)吸收的光子能量也越大，吸收峰比較靠近本征吸收限。7.4半導(dǎo)體的光吸收48Ⅳ晶格振動吸收晶體吸收光譜的遠(yuǎn)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。在這種吸收中，光子能量直接轉(zhuǎn)換為晶格振動動能。對離子晶體或離子性較強(qiáng)的化合物，存在較強(qiáng)的晶格振動吸收帶；在砷化鎵及半導(dǎo)體鍺、硅中，也都觀察到了這種吸收帶。497.4半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光電導(dǎo)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)體電導(dǎo)率增大的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?！瘫菊鞴怆妼?dǎo)：本征吸收引起載流子數(shù)目變化?！屉s質(zhì)光電導(dǎo)：雜質(zhì)吸收引起載流子數(shù)目變化。7.5半導(dǎo)體的光電導(dǎo)(1)

附加電導(dǎo)率無光照時，半導(dǎo)體樣品的（暗）電導(dǎo)率熱平衡時在整個光電導(dǎo)過程中，光生電子與熱平衡電子具有相同的遷移率。因此，光照下樣品的電導(dǎo)率因為7.5半導(dǎo)體的光電導(dǎo)光照引起的附加電導(dǎo)率（光電導(dǎo)）光電導(dǎo)的相對值7.5半導(dǎo)體的光電導(dǎo)從上式可看出，要制得相對光電導(dǎo)高的光敏電阻（值（），應(yīng)該使n0和p0有較小數(shù)）。因此光敏電阻一般由高阻材料制成或在低溫下使用。7.5

半導(dǎo)體的光電導(dǎo)雖然在本征光電導(dǎo)中，

，但是由于陷阱效應(yīng)，只有其中一種光生載流子（一般是多數(shù)載流子）對附加電導(dǎo)率有貢獻(xiàn)。除本征光電導(dǎo)外，光照也產(chǎn)生雜質(zhì)光電導(dǎo)。但是和本征光電導(dǎo)相比，雜質(zhì)光電導(dǎo)是很微弱的。7.5

半導(dǎo)體的光電導(dǎo)（2）定態(tài)光電導(dǎo)及其弛豫過程等于單位體積內(nèi)光子的吸收率1）

定態(tài)光電導(dǎo)定態(tài)光電導(dǎo)是指在恒定光照下產(chǎn)生的光電導(dǎo)。設(shè)

I

表示以光子數(shù)計算的光強(qiáng)度，

為樣品吸收系數(shù)，根據(jù)7.5半導(dǎo)體的光電導(dǎo)式中β代表每吸收一個光子產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)，稱為量子產(chǎn)額。設(shè)在某一時刻開始以光強(qiáng)I

的光照射半導(dǎo)體表面，假設(shè)除激發(fā)過程外，不存在其他任何過程，則經(jīng)過t

秒后，光生載流子的濃度為：從而，電子-空穴對的產(chǎn)生率可定義為7.5

半導(dǎo)體的光電導(dǎo)但事實上，由于光激發(fā)的同時還存在復(fù)合過程，因此，光生載流子濃度隨時間的變化為非直線上升，如圖7-18實線所示，最后達(dá)到一穩(wěn)定值△ns

，這時附加電導(dǎo)率也達(dá)到穩(wěn)定值

，這就是定態(tài)光電導(dǎo)。達(dá)到定態(tài)光電導(dǎo)時，電子-空穴對的復(fù)合率等于產(chǎn)生率。即光生載流子濃度隨時間線性增大。如圖7-18虛線所示。7.5

半導(dǎo)體的光電導(dǎo)從而定態(tài)光電導(dǎo)率設(shè)光生電子和空穴的壽命分別為

和

，則定態(tài)光生載流子的濃度：7.5

半導(dǎo)體的光電導(dǎo)2）

光電導(dǎo)的弛豫過程當(dāng)光照停止后光電導(dǎo)也是逐漸地消失。這種在光照下光電導(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)象或叫做光電導(dǎo)的弛豫過程。7.5

半導(dǎo)體的光電導(dǎo)（3）本征光電導(dǎo)的光譜分布光電導(dǎo)的光譜分布，就是指對應(yīng)于不同的波長，光電導(dǎo)響應(yīng)靈敏度的變化關(guān)系。一般以波長為橫坐標(biāo)，以相等的入射光能量（或相等的入射光子數(shù)）所引起的光電導(dǎo)相對大小為縱坐標(biāo)，就得到光電導(dǎo)光譜分布曲線。7.5

半導(dǎo)體的光電導(dǎo)7.5

半導(dǎo)體的光電導(dǎo)一般說，本征光電導(dǎo)的光譜分布都有一個

長波限（有時也稱為“截止”波長）。一般選定光電導(dǎo)下降到峰值的1/2的波長為長波限。除了本征吸收限外，本征光電導(dǎo)分布長波限也可用來測量半導(dǎo)體禁帶寬度?！暗攘孔印昂汀暗饶芰俊钡膮^(qū)別：7.5

半導(dǎo)體的光電導(dǎo)√“等量子”，是指對不同的波長，以光子數(shù)計的光強(qiáng)是相同的，也就是說，光電導(dǎo)的測量是在相等的光子流下進(jìn)行的；√“等能量”是指不同波長光強(qiáng)的能量流是相同的?！虒τ谳^短的波（每個光子能量較高），雖然能量與長波時相等，實際上包含的光子數(shù)比長波時少。7.5

半導(dǎo)體的光電導(dǎo)（4）雜質(zhì)光電導(dǎo)對于雜質(zhì)半導(dǎo)體，光照使束縛于雜質(zhì)能級上的電子或空穴電離，因而增加了導(dǎo)帶或價帶的載流子濃度，產(chǎn)生雜質(zhì)光電導(dǎo)。和本征光電導(dǎo)相比，雜質(zhì)光電導(dǎo)是十分微

弱的。同時，所涉及到的能量都在紅外光范圍，激發(fā)光實際上不可能很強(qiáng)。7.5

半導(dǎo)體的光電導(dǎo)測量雜質(zhì)光電導(dǎo)一般都必須在低溫下進(jìn)行，以保證平衡載流子濃度很小，使雜質(zhì)中心上的

電子或空穴基本上都處在束縛狀態(tài)。例如對電離能為0.01ev的雜質(zhì)能級，必須采用液氦低溫；對于較深的雜質(zhì)能級，可以在液氮溫度下進(jìn)行。（液氦和氮溫度分別為4.2K和77K）。7.5

半導(dǎo)體的光電導(dǎo)7.6

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（p-n結(jié)等）時，由于內(nèi)建電場的作用（不加外電

場），半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動勢（光生電壓）；如將p-n結(jié)短路，則會出現(xiàn)電流（光生電流）。這種由內(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)（1）

p-n結(jié)光生伏特效應(yīng)?用適當(dāng)波長的光垂直照射p-n結(jié)面?能量大于禁帶寬度的光子，由本征吸收在結(jié)的兩邊產(chǎn)生電子–空穴對在光激發(fā)下，多數(shù)載流子濃度一般改變很小，而少數(shù)載流子濃度卻變化很大，因此應(yīng)主要研究光生少數(shù)載流子的運(yùn)動。?光生少數(shù)載流子在內(nèi)建電場作用下，n區(qū)空穴向p區(qū)運(yùn)動，p區(qū)電子向n區(qū)運(yùn)動；7.6

光生伏特效應(yīng)I---mAV++P

+NRL

內(nèi)建電場向電壓V，使勢壘降低為

，產(chǎn)生正向電流IF

。如圖7-227.6

光生伏特效應(yīng)?在n區(qū)聚積負(fù)電荷，p區(qū)聚積正電荷，于是n區(qū)和p區(qū)之間出現(xiàn)電位差，這就是p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)。由于光照在p-n結(jié)兩端產(chǎn)生光生電動勢，相當(dāng)于在p-n結(jié)兩端加正7.6

光生伏特效應(yīng)RL+-VhνIpIFnEIL（2）光電池的電流電壓特性光電池工作時，共有三股電流：√光生電流IL：由于光照產(chǎn)生的載流子在p-n結(jié)內(nèi)各自向相反的方向運(yùn)動而產(chǎn)生?！陶螂娏鱅F

：由于光照在p-n結(jié)兩端產(chǎn)生光生電動勢V

?！塘鹘?jīng)外電路的的電流I其中IL和IF流經(jīng)p-n結(jié)內(nèi)部，但方向相反。7.6

光生伏特效應(yīng)內(nèi)非平衡載流子的平示在結(jié)的擴(kuò)散長度均產(chǎn)生率。7.6

光生伏特效應(yīng)?通過結(jié)的正向電流IF其中，V是光生電壓，Is是反向飽和電流?光生電流IL其中，

A是p-n結(jié)面積，q是電子電量，

表VRL+-IphνIF

nEIL?如果電池與負(fù)載電阻接成通路，通過負(fù)載的電流為這就是負(fù)載電阻上電流與電壓的關(guān)系，也就是光電池的伏安特性，其曲線如下圖。7.6

光生伏特效應(yīng)無光照時有光照時7.6

光生伏特效應(yīng)?開路電壓p-n結(jié)在開路情況下，兩端的電壓即為開路電壓 。

這時I=0，

IL

=

IF

，開路電壓為7.6

光生伏特效應(yīng)根據(jù)Voc和Isc是光電池的兩個重要參數(shù)。7.6

光生伏特效應(yīng)?短路電流將p-n結(jié)短路（

V

=0），因而IF

=0，這時所得的電流為短路電流Isc

。根據(jù)VmaxVocIscVoc和Isc隨光強(qiáng)度的變化7.6

光生伏特效應(yīng)7.6

光生伏特效應(yīng)?Voc和Isc的變化規(guī)律兩者都隨光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大；不同的是Isc隨光照強(qiáng)度線性上升，而Voc則成對數(shù)式增大。當(dāng)光生電壓Voc增大p-n結(jié)勢壘消失時，光生電壓達(dá)到最大。最大光生電壓Vmax等于p-n結(jié)勢壘高度VD

。光生伏特效應(yīng)最重要的應(yīng)用之一，是將太陽的輻射能量直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芗刺柲茈姵亍?.7

半導(dǎo)體發(fā)光半導(dǎo)體發(fā)光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)必須處于非平衡狀態(tài)，即半導(dǎo)體內(nèi)必須要有某種激發(fā)過程存在，通過非平衡載流子的復(fù)合，才能形成發(fā)光。本節(jié)主要討論半導(dǎo)體的電致發(fā)光（場致發(fā)

光），它是由電場激發(fā)載流子，使電能直接轉(zhuǎn)換為光能的過程。abc從高能量狀態(tài)到較低能量狀態(tài)的電子躍遷過程，主要有一下幾種：①有雜質(zhì)或缺陷參與的躍遷：（1）

輻射躍遷導(dǎo)帶電子躍遷到未電離的受主能級，與受主能級上的空穴復(fù)合中性施主能級上的電子躍遷到價帶，與價帶中空穴復(fù)合EC中性施主能級上的電子躍遷到中性受主能級，與受主能級上的空穴復(fù)合EV7.7

半導(dǎo)體發(fā)光bcEVEC②帶與帶之間的躍遷：導(dǎo)帶底的電子直接躍遷到價帶頂部，與空穴復(fù)合a導(dǎo)帶熱電子躍遷到價帶頂與空穴復(fù)合導(dǎo)帶底的電子躍遷到價帶與熱空穴復(fù)合7.7

半導(dǎo)體發(fā)光ECEVEg③熱載流子在帶內(nèi)躍遷。電子從高能級向低能級躍遷時，必然釋放一定的能量。如果躍遷過程伴隨放出光子，這種躍遷稱為輻射躍遷。不發(fā)射光子的稱為無輻射躍遷。以上例舉的各種躍遷過程并非都能在同一材料和在相同條件下同時存在。作為半導(dǎo)體發(fā)光材料，必須是輻射躍遷占優(yōu)勢。7.7

半導(dǎo)體發(fā)光Ⅰ本征躍遷導(dǎo)帶的電子躍遷到價帶，與價帶空穴相復(fù)合，伴隨著發(fā)射光子，稱為本征躍遷。它是本征吸收的逆過程。①直接帶隙半導(dǎo)體②間接帶隙半導(dǎo)體7.7半導(dǎo)體發(fā)光①直接帶隙半導(dǎo)體本征躍遷為直接躍遷。由于直接躍遷的發(fā)光過程只涉及一個電子–空穴對和一個光子，其輻射效率較高。發(fā)射光子的能量：直接帶隙半導(dǎo)體是常用的發(fā)光材料。7.7

半導(dǎo)體發(fā)光②間接帶隙半導(dǎo)體：本征躍遷為間接躍遷。在間接躍遷過程中，除了發(fā)射光子外，還有聲子參與。因此，這種躍遷比直接躍遷的幾率小得多。發(fā)射光子的能量：硅、鍺都是間接帶隙半

導(dǎo)體，他們的發(fā)光比較微弱。7.7

半導(dǎo)體發(fā)光Ⅱ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。這種躍遷稱為非本征躍遷。對間接帶隙半導(dǎo)體，本征躍遷是間接躍遷，幾率很小。這時，非本征躍遷起主要作用。7.7

半導(dǎo)體發(fā)光以施主與受主的躍遷為例當(dāng)電子從施主能級向受主能級躍遷時，如果沒有聲子參與，發(fā)射光子的能量式中，ED和EA分別代表施主和受主的束縛能，εr

是母晶體的相對介電常數(shù)。施主和受主雜質(zhì)之間的庫侖力7.7

半導(dǎo)體發(fā)光從上式可看出r較小時，相當(dāng)于比較鄰近的雜質(zhì)原子之間的躍遷，得到分列的譜線。隨著r的增大，發(fā)射譜線越來越接近，最后出現(xiàn)一發(fā)射帶。當(dāng)r相當(dāng)大時，電子從施主向受主完成輻射躍遷所需穿過的距離也越大，因此發(fā)射隨雜質(zhì)距離的增大而減小。一般感興趣的是比較鄰近的雜質(zhì)對之間的輻射躍遷過程。7.7

半導(dǎo)體發(fā)光（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。hAuger電子√電子從高能級向低能級

躍遷時，可以將多余的能

量傳給第三個載流子，使

其受激躍遷到更高的能級，這是所謂俄歇過程。無輻射復(fù)合過程中，能量釋放機(jī)理：7.7

半導(dǎo)體發(fā)光√電子和空穴復(fù)合時，也可以將能量轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝幽芰浚@就是伴隨著發(fā)射聲子的無輻射復(fù)合過程。發(fā)光過程中同時存在輻射復(fù)合和無輻射復(fù)合。發(fā)光效率取決于非平衡載流子的輻射復(fù)合壽命和無輻射復(fù)合壽命的相對大小。7.7

半導(dǎo)體發(fā)光時，才能獲得有效可見，只有當(dāng)?shù)墓庾影l(fā)射。通常用內(nèi)部量子效率η內(nèi)和外部量子效率η外，來表示發(fā)光效率。用

和

來表示η內(nèi)7.7

半導(dǎo)體發(fā)光輻射復(fù)合所產(chǎn)生的光子并不是全部都能離開晶體向外發(fā)射。因此引入外部量子效率η外，來描述半導(dǎo)體材料的總有效發(fā)光效率。7.7

半導(dǎo)體發(fā)光為了使半導(dǎo)體材料具有實用發(fā)光價值，不但要選擇內(nèi)部量子效率高的材料，并且要采取適當(dāng)?shù)拇胧蕴岣咂渫獠苛孔有?。如將晶體表面做成球面，并使發(fā)光區(qū)域處于球心的位置，這樣可以避免表面全反射。7.7

半導(dǎo)體發(fā)光（3）

電致發(fā)光激發(fā)機(jī)構(gòu)Ⅰ

p-n結(jié)注入發(fā)光p–n結(jié)處于平衡時，存在一定的勢壘區(qū)，其能帶圖如下能量p區(qū)n區(qū)零偏壓時p-n結(jié)的能帶傾斜圖；7.7

半導(dǎo)體發(fā)光h

fh

fpE

cpE

vnE

cnE

fnE

v內(nèi)部電場外加電場電子，

空穴正向偏壓下p-n結(jié)能帶圖p–n結(jié)外加正向偏壓時的發(fā)光機(jī)理p

p區(qū)E

f

n區(qū)非平衡少數(shù)載流子不斷與多數(shù)載流子復(fù)合而發(fā)光。7.7

半導(dǎo)體發(fā)光注意：進(jìn)入p區(qū)的電子和進(jìn)入n區(qū)的空穴都是非平衡少數(shù)載流子。電子和空穴通過勢壘區(qū)時因復(fù)合而消失的幾率很小，一般在擴(kuò)散區(qū)內(nèi)發(fā)生復(fù)合。7.7

半導(dǎo)體發(fā)光Ⅱ

異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光異質(zhì)結(jié)是指由兩種不同半導(dǎo)體材料構(gòu)成的結(jié)。為了提高少數(shù)載流子的注入效率，可采用異質(zhì)結(jié)。當(dāng)加正向偏壓時，勢壘降低。但由于p區(qū)和

n區(qū)的禁帶寬度不等，勢壘是不對稱的。7.7

半導(dǎo)體發(fā)光當(dāng)兩者的價帶達(dá)到等高時√p區(qū)：禁帶較寬的區(qū)域p區(qū)的空穴由于不存在勢壘，所以p區(qū)成為注入源。7.7

半導(dǎo)體發(fā)光√n區(qū)：禁帶寬度較小的區(qū)域n