半导体物理第10章半导体的光学性质和光电与发光现象.pdf
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第十章第十章半导体的光学性质和光半导体的光学性质和光半导体的光学性质和光半导体的光学性质和光电与发光现象电与发光现象电与发光现象电与发光现象研究半导体的能带结构以及位于禁带中的各种局部能级结构的最有效方法是研究研究半导体的能带结构以及位于禁带中的各种局部能级结构的最有效方法是研究半导体和电磁波之间的相互作用。
半导体中位于能带或局部能级中的电子，吸收或放出与能级间能量差相等的光子而发生跃迁的过程可以通过光电导现象和光电效应用电学的方法进行检测而发生跃迁的过程，可以通过光电导现象和光电效应用电学的方法进行检测。
光激发产生激子的过程无法用电学的方法检测但可以通过光学方法进行观测光激发产生激子的过程无法用电学的方法检测，但可以通过光学方法进行观测。
本章讨论光和半导体相互作用的规律本章讨论光和半导体相互作用的规律。
Part1第十章第十章第十章第十章10.1半导体的光学常数半导体的光学常数10.2半导体中的光吸收半导体中的光吸收10.3半导体的光电导半导体的光电导10.4光生伏特效应光生伏特效应10.5半导体发光半导体发光10.5半导体发光半导体发光半导体的光学常数半导体的光学常数一、折射率和吸收系数一、折射率和吸收系数1、1、折射率和吸收系数Br-磁感应强度=BErrHErr-电场强度-磁场强度+=DJHtrrrDHr磁场强度-电位移矢量0=BtrJr-电流密度矢量半导体是均匀的、各项通行的介质，所以有：
0=DrEDEJrrrr=HBEDrrrr00=式中的常数，r，0，r，0都是与坐标无关的量。
一、折射率和吸收系数一、折射率和吸收系数2rr对式求旋度，得：
0220002=tEtEErrrr只考虑波沿x方向传播，上式可简化为一维形式，即：
02200022=tEtExErrrrrrx上式的解为：
（）（0,vxtiyeEtxE=式中Ey为电场E的一个分量。
一、折射率和吸收系数一、折射率和吸收系数2将Ey代入波动方程中，得：
2000210rrriv=+00021rrriv=波速的平方可表示为复数形式，这表明电磁波一边传播，一边损耗。
真空中电磁波的波速为c且=1=1=0真空中，电磁波的波速为c，且r=1，r=1，=0110000211=cc一、折射率和吸收系数一、折射率和吸收系数介质中电磁波的速度与真空中的速度之间的关系为：
Ncv=N为介质的折射率。
由于v是一个复数，所以N也是一个复数，即：
N=nik其中n是通常所说的折射率，是一个实数，k是一个表征光能衰减的参量，称为消光系数。
称为消光系数。
22rrkn=2rrrnk=0一、折射率和吸收系数一、折射率和吸收系数联立求解得：
21222201112rrrn=+222201112rrrk=+0r在介质中波动方程的解为：
）（0）,（cnxtixckeeEtxEy=xckeE0）（cnxtie式中是介质中光波的传播因子；是光波电分量的振幅。
一、折射率和吸收系数一、折射率和吸收系数在光学理论中：
xII0xIIe=2k其中称为介质对光的吸收系数C=其中：
称为介质对光的吸收系数物理意义：
标志着光透入介质的平均深度，即xd，或者说，光在媒质中传播x=1/a距离时，光能量减弱为原来的1/e。
所以：
22222022112rrrkCC=+一、折射率和吸收系数一、折射率和吸收系数对于绝缘体所以这说明绝缘体对于光是透明的讨论：
对于绝缘体=0，所以=0，这说明绝缘体对于光是透明的。
注意：
=0，是指自由载流子对光的吸收系数，而其他因素对于光的吸收不见载得等于零。
另外，除与材料本身有关外，还随光的波长变化。
2对于半导体1103/1015/1对于半导体：
=1103s/cm，1015/s，r=1，所以22221可得到22201r=122
（1）011RddRTIRe3吸收h1=n1exE0,=exEn时，为激子的基态能级；对应导带底能级。
h,ex对应导带底能级二、激子吸收二、激子吸收根据激子中电子和空穴之间平均距离的大小，可以将激子分为两种：
一种为弗兰克尔（Frenkel）激子，电子空穴对的存在范围与晶格常数相近，而且，激子与所属晶格结合得很强所以弗兰克尔激子在晶体中运动困难激子与所属晶格结合得很强，所以,弗兰克尔激子在晶体中运动困难。
一种为汪尼尔（Wannier）激子，电子空穴对的存在范围为晶格常数的几倍以至几十倍，激子和所属原子间的束缚比较弱，所以,汪尼尔激子易于在晶体中运动。
激子在运动过程中可以通过两种途径消失：
激子在运动过程中可以通过两种途径消失：
其一是通过热激发或其它能量的激发使激子分离成为自由电子和空穴；其二是激子中的电子和空穴通过复合，使激子消失，同时放出能量。
二、激子吸收二、激子吸收激子可以在整个半导体材料中运动，由于它是电中性的，因激子可以在整个半导体材料中运动，由于它是电中性的，因此，激子的运动并不形成电流。
此，激子的运动并不形成电流。
对于常用的半导体材料，其禁带宽度都比较小，因而激子能对于常用的半导体材料，其禁带宽度都比较小，因而激子能级都靠的很近级都靠的很近，所以所以，激子吸收激子吸收必必须在低温下用分辨率极高的仪须在低温下用分辨率极高的仪级都靠的很近级都靠的很近所以所以激子吸收须在低温下用分辨率极高的仪激子吸收须在低温下用分辨率极高的仪器设备才能观测到。
器设备才能观测到。
随着超晶格、量子阱结构的出现，室温下在量子阱结构中观随着超晶格、量子阱结构的出现，室温下在量子阱结构中观测到了稳定的二维激子测到了稳定的二维激子并利用量子阱激子的纵向电场效应并利用量子阱激子的纵向电场效应已已测到了稳定的二维激子测到了稳定的二维激子，并利用量子阱激子的纵向电场效应并利用量子阱激子的纵向电场效应，已已制备出了光学双稳态器件和光调制器件。
制备出了光学双稳态器件和光调制器件。
三、自由载流子吸收三、自由载流子吸收当入射光的频率当入射光的频率v低于本征吸收限低于本征吸收限v0，且不足以形成激子时，且不足以形成激子时，仍有吸收存在仍有吸收存在而且其吸收强度随着波长的增大而增加而且其吸收强度随着波长的增大而增加（或频率的或频率的仍有吸收存在仍有吸收存在，而且其吸收强度随着波长的增大而增加而且其吸收强度随着波长的增大而增加（或频率的或频率的降低而增大），这是同一能带中的电子受电磁波加速运动时，由于降低而增大），这是同一能带中的电子受电磁波加速运动时，由于散射而引起的吸收，是自由载流子在同一带内的跃迁所引起，称为散射而引起的吸收，是自由载流子在同一带内的跃迁所引起，称为自由载流子吸收自由载流子吸收自由载流子吸收自由载流子吸收。
三、自由载流子吸收三、自由载流子吸收自由载流子吸收与本征吸收的区别在于：
电子从低能态到较高能态的跃迁是在同一能带中进行。
但它们仍然遵守能量守恒和动量守恒。
是在同能带中进行。
但它们仍然遵守能量守恒和动量守恒。
自由载流子吸收类似于间接跃迁吸收，电子的跃迁过程中也伴随着吸收或发射一个声子发射一个声子。
产生自由载流子吸收的光波的波长大于本征吸收限0，所以，自由载流子吸收是红外吸收。
Ekkk四、杂质吸收四、杂质吸收我们知道杂质能级的束缚态没有一定杂质能级上的电子或空穴吸收光子跃迁到导带或价带，称为杂质吸收。
我们知道，杂质能级的束缚态没有一定的准动量，所以电子和空穴的跃迁不受动量守恒的约束这意味着杂质能级上的电子或守恒的约束，这意味着杂质能级上的电子或空穴可以跃迁到任意的导带或价带能级，因杂质收起续的收谱但它仍此，杂质吸收引起连续的吸收谱。
但它仍要遵守能量守恒，即光子的最低能量hv必须等于杂质能级上电子或空穴的电离能。
IE所以杂质吸收也存在一个长波吸收限，即：
0IghvEE=S=I称小注入时的光电导为线性光电导SSnI，称小注入时的光电导为线性光电导。
二、光电导的弛豫过程二、光电导的弛豫过程2）.大注入2）.大注入（即注入的非平衡载流子浓度远远大于热平衡多子浓度）（即注入的非平衡载流子浓度远远大于热平衡多子浓度）0nn0p2（）Rrn=、，此时载流寿命已不再是定值，复合率为：
2（）（）dnQRQdtrn=在光照过程中，的增加率为：
ndt由边界条件：
t=0时，0n=（）=tndtnd（）=dtnrQ002二、光电导的弛豫过程二、光电导的弛豫过程IQ对上式积分得到：
tIrtghrItQrtghrQn=（）1lim=tIrtght（）Snn=当t时，且所以有：
（）rInns=故：
（）tIrtghs=SSnI，称大注入时的光电导为抛物线型光电导。
二、光电导的弛豫过程二、光电导的弛豫过程1）1）小注入2、下降过程2、下降过程1）1）.小注入t=0时光照停止，所以：
Q=0nnn的变化为（）dnnRdt=sn起始条件为：
t=0时，n=nst0tSnen=方程方程的解为：
te所以有所以有Se=所以有所以有：
ssnI，小注入时下降过程的光电导也为线性光电导。
即即：
ss即即二、光电导的弛豫过程二、光电导的弛豫过程2）.2）.大注入t0时Q0t=0时，Q=02（）（）dnrn=n的变化为初始条件为：
t=0时，（）Inns=0（）dt（）rs解方程得：
In=11=所以：
解方程得tIrrn+1nI，所以大注入时下降过程的光电导也是抛物线型光电导。
1sIrt+ssnI，所以大注入时下降过程的光电导也是抛物线型光电导。
三、弛豫时间和光电导的灵敏度三、弛豫时间和光电导的灵敏度11弛豫时间弛豫时间11、弛豫时间弛豫时间1）.1）.小注入t小注入时，光生载流子的寿命是一个定值。
因此有：
上升过程：
，当t时，有：
（1）tse=s=t0下降过程当t时有se=0=下降过程：
，当t时，有：
通常把小注入时的非平衡载流子的寿命称为弛豫时间，用T来表示，即小注入时，T=。
三、弛豫时间和光电导的灵敏度三、弛豫时间和光电导的灵敏度2）.2）.大注入大注入时nn和p此时载流子的寿命不再是定值大注入时，nn0和p0，此时载流子的寿命不再是定值。
上升过程：
（）tIrtghs=11sIrt=+下降过程：
定义弛豫时间为：
1IrT=弛豫时间的长短反应了半导体对光照的反应速度。
1Irt+Ir当t=T时，代入上式中，得导体对光照的反应速度。
弛豫时间长，表示反应较迟钝弛豫时间短则表示迟钝；弛豫时间短则表示反应迅速。
上升过程：
（）0.761SSTtgh=（）ST下降过程（）2ST=下降过程：
三、弛豫时间和光电导的灵敏度三、弛豫时间和光电导的灵敏度2、光电导的灵敏度2、光电导的灵敏度定义：
单位光照度所引起的光电导称为光电导的灵敏度。
对于线性光电导，其灵敏度nIIT=对于线性光电导，其灵敏度ssnIIT=T即灵敏度显然，T越大，灵敏度越高，可以获得较大的ns。
但我们知道，T越大对光信号反应慢因此既要灵敏度高又要反应快这是矛盾的实大，对光信号反应慢。
因此，既要灵敏度高，又要反应快，这是矛盾的。
实际应用中，我们必须根据实际要求选用适当的材料。
以上的讨论是在忽略计陷阱作用的情进行的在实的半导体材以上的讨论是在忽略不计陷阱作用的情况下进行的，在实际的半导体材料中往往都有陷阱存在，陷阱的存在必然对半导体的光电导产生影响。
三、弛豫时间和光电导的灵敏度三、弛豫时间和光电导的灵敏度1）.少子陷阱：
（以n型材料为例，少子是空穴）光注入的非平衡空穴完全被陷阱俘获，使复合过程变慢，等效于非平衡载流子的寿命增大从而使材料的弛豫时间增长即：
少子陷阱的存在使半载流子的寿命增大，从而使材料的弛豫时间增长。
即：
少子陷阱的存在使半导体材料中光电导现象的弛豫时间增长（光电导的灵敏度提高）。
2）.多子陷阱：
（以n型高阻材料为例）设型高阻材料其内部除有大量的复合中心外还存在很大浓度的设：
一n型高阻材料，其内部除有大量的复合中心外，还存在很大浓度的电子陷阱。
光照产生的非平衡少子空穴被复合中心俘获而非平衡多子电子则被电子光照产生的非平衡少子空穴被复合中心俘获，而非平衡多子电子则被电子陷阱俘获，而不能复合，这必然增长了光电导上升的弛豫时间。
三、弛豫时间和光电
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