1、,半 导 体 物 理第八章 半导体的光电性质及光电效应,华南理工大学电子与信息学院 蔡 敏 教授,第八章 半导体的光电性质及光电效应,8.1 半导体的光学常数8.2 半导体的光吸收8.3 半导体的光电导,半导体的光学常数,一、半导体的光吸收系数,光吸收：光子与半导体中的微粒子相互作用而引起的能量传递过程。,光衰减过程可描述为：,解得：,光强I：单位时间通过单位面积的光子数，即光子流密度。,物理意义：光入射到半导体内被吸收，使光强减小到原值的1/e时，光波所传播的距离即是吸收系数的倒数。,所以，吸收系数为：,二、反射系数R和透射系数T,由电磁理论中麦克斯韦方程组可解得：,R为反射能流密度(光强度
2、)与入射能流密度之比,T为透射能流密度与入射能流密度之比，由图可知：,第八章 半导体的光电性质及光电效应,8.1 半导体的光学常数8.2 半导体的光吸收8.3 半导体的光电导,一. 本征吸收,本征吸收的长波限：,长波限关系式：,价带电子吸收光子能量后，由价带跃迁到导带中，这种光吸收过程称为本征吸收。,本征吸收条件：,显然，通过测量半导体材料的吸收光谱可以推算出该材料的禁带宽度。,本征吸收引起的电子带间跃迁必须遵守能量和动量守恒定律。假如电子跃迁前处于k状态，能量为E，跃迁后处于k状态，能量为E。,由能量和动量守恒定律可得：,通常， 光子的动量比 小得多，所以,跃迁前后能量改变为：,（1）直接跃
3、迁,跃迁前后动量没有改变：,（2）间接跃迁,跃迁前后能量改变为：,跃迁前后动量改变为：,一个电子只吸收一个光子，不与晶格交换能量。,二. 其他吸收过程,（1）激子吸收,电子和空穴互相束缚形成一个新的电中性系统。,特点：,*,* 激子能在晶体中运动。,* 激子消失形式：分离；复合,* 激子是电中性的。,（2）自由载流子吸收,（3）杂质吸收,（4）晶格吸收,电子在导带中不同能级间的跃迁，或空穴在价带中不同能级间的跃迁。,杂质能级上的电子(或空穴)吸收光子跃迁到导带(或价带)能级中，称为杂质吸收。,所以吸收的长波限为：,光子能量直接转换为晶格振动能。,第八章 半导体的光电性质及光电效应,8.1 半导
4、体的光学常数8.2 半导体的光吸收8.3 半导体的光电导,半导体的光电导,一. 光电导的描述,暗电导率：,设光注入的附加载流子浓度分别为： 和,半导体电导率为：,由光照使半导体产生电子或空穴，引起半导体的电导率增加的现象称光电导。,附加光电导为：,实验证明，本征附加光电导往往是由其中一种光生载流子(非平衡多子)起决定性作用。这是因为非平衡多子有较长的自由存在时间，而非平衡少子往往被深杂质能级陷阱住。,因此，对p型半导体有：,对n型半导体有：,附加光电导表示为：,附加光电导表示为：,注：光照引起杂质能级上的电子或空穴受激电离也会产生附加光电导，但相对微弱。,二. 定态光电导及其弛豫过程,（1）直
5、线性光电导 (小注入- 是定值),无外场作用时，光照下光生非平衡载流子浓度随时间的变化率应等于其产生率减去其复合率.,对非平衡电子：,由初始条件t0， ，方程的特解为：,定态光电导：稳定光照下半导体所达到的稳定光电导.,当 时，光生载流子达到稳定值,同理：,光照稳定状态下的定态光电导为：,这就是光照开始到稳态，光生载流子的变化曲线。,假设,光电导上升过程的函数表示式为：,直线性光电导：小注入时，定态光电导与光强成线性关系。,光电导的驰豫现象：光照下光电导率逐渐上升和光照停上后光电导率逐渐下降的现象。,利用初始条件: t=0, ;可解得光生载流子浓度变化表示式为：,光照停止后非平衡载流子产生率为
6、零，非平衡载流子的变化过程可描述为：,同理可得到光电导变化过程的表达式：,（2）抛物线性光电导 ( 强注入- 不是定值 ),不考虑复合中心和陷阱的情况下，非平衡载流子（电子）只有直接复合，其复合率为：,在强注入下，光生载流子的变化符合下述方程：,(上升过程),当小注入时，复合率与非平衡载流子的浓度成正比，称为单分子复合过程。 当强注入时，复合率与非平衡载流子的浓度的平方成正比，称为双分子复合过程。,利用初始条件：上升时：t0 ， ； 下降时：t0 ， 。,上升过程和下降过程的解分别为：,（上升过程）,（下降过程）,（下降过程）,对于上升过程的解，当 时，非平衡载流子注入稳定，其浓度定态值为：,
7、同理：,定态光电导可表示为：,抛物线性光电导：在强注入的条件下，半导体的定态光电导与光强的平方根成正比。,（3）光电导灵敏度及光电导增益,光电导灵敏度：单位光照度所引起的光电导,由,知， 越大(弛豫时间越长)，则灵敏度越高。,但弛豫时间越长，则代表对光信号的响应就慢，实际应用必须两者兼顾。,对光敏电阻来说，其结构不同，产生不同的光电导效果。通常用光电导增益因子 表示光电导效应的增强。,对于电极间距为l,渡越时间：,所以，,光电导光谱分布决定因素：,三. 本征光电导的光谱分布,（1）半导体材料对不同的光波长的吸收系数；,（2）光被吸收后激发光生非平衡载流子的激 发率,即量子产额；,（3）光生载流
8、子的激发对其寿命的影响,其中与吸收波长发生直接影响的就是吸收系数。,光电导的光谱分布是指半导体材料的定态光电导随入射光波长的变化关系。它表征半导体光电材料的一个重要特性。,几种半导体材料本征光电导光谱分布,等量子：对不同波长的光子，在单位时间单位面积入射的光子数相同。,等能量：对不同波长的光子，在单位时间单位面积入射光子的总能量相等。,光电导光谱分布的特点：,（1）均在长波方面存在着光电导随波长迅速下降的现象同，这意味着本征吸收开始。曲线下降到一半时对应的波长为长波以限。,（2）从长波限过渡到短波方面，光电导存在极大值甚至可能出现很突出的尖峰，随后又随光波长的减少，光电导略有下降。,（3）不同
9、的半导体材料由于禁带宽度不同，本征光电导的光谱分布在不同的波长范围里。,四. 复合中心和陷阱对光电导的影响,（1）高阻光电材料中典型的复合中心对光电导的影响。,假设复合中心被陷的非平衡空穴浓度为：,由5.3解的间接复合理论，得到非平衡电子的复合率为：,强注入时，因为 ，非平衡电子复合率 ，遵循双分子复合过程。,极强注入， ，非平衡电子和非平衡空穴的复合率分别为：,小注入时，因为 ，非平衡电子复合率 ，遵循单分子复合过程。,可见，,和,非平衡电子和非平衡空穴都分别遵循单分子复合过程,（2）复合中心和多数载流子陷阱的综合作用对光电导的影响。,（a）如果同时存在多数载流子陷阱，陷阱效应对半导体光电导的弛豫时间有决定性的影响，延长了光电导的上升和下降的弛豫时间，并且可使两者很不相同。,（b）如果同时存在多数载流子陷阱，可以使得在较强注入时也呈直线性的光电导。,（c）如果同时存在多数载流子陷阱，多数载流子陷阱有降低定态光电导的灵敏度的作用。,（3）复合中心和少数载流子陷阱的综合作用对光电导的影响。,实际半导体中如果同时存在复合中心和少数载流子陷阱，会增加定态光电导的灵敏度。,多子被陷，,定态光电导与光强的关系，存在两种情况：,为直线光电导,为抛物线性光电导,Thank you for listening,
