半導(dǎo)體的光電性質(zhì)及光電效應(yīng)

1、,,半 導(dǎo) 體 物 理第八章 半導(dǎo)體的光電性質(zhì)及光電效應(yīng),華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院 蔡 敏 教授,第八章 半導(dǎo)體的光電性質(zhì)及光電效應(yīng),8.1 半導(dǎo)體的光學(xué)常數(shù)8.2 半導(dǎo)體的光吸收8.3 半導(dǎo)體的光電導(dǎo),,半導(dǎo)體的光學(xué)常數(shù),一、半導(dǎo)體的光吸收系數(shù),光吸收：光子與半導(dǎo)體中的微粒子相互作用而引起的能量傳遞過(guò)程。,光衰減過(guò)程可描述為：,解得：,光強(qiáng)I：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過(guò)單位面積的光子數(shù)，即光子流密

2、度。,,物理意義：光入射到半導(dǎo)體內(nèi)被吸收，使光強(qiáng)減小到原值的1/e時(shí)，光波所傳播的距離即是吸收系數(shù)的倒數(shù)。,所以，吸收系數(shù)為：,二、反射系數(shù)R和透射系數(shù)T,由電磁理論中麥克斯韋方程組可解得：,R為反射能流密度(光強(qiáng)度)與入射能流密度之比,T為透射能流密度與入射能流密度之比，由圖可知：,第八章 半導(dǎo)體的光電性質(zhì)及光電效應(yīng),8.1 半導(dǎo)體的光學(xué)常數(shù)8.2 半導(dǎo)體的光吸收8.3 半導(dǎo)體的光電導(dǎo),,一. 本征吸收,本征吸收的長(zhǎng)波限：,長(zhǎng)波限

3、關(guān)系式：,價(jià)帶電子吸收光子能量后，由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶中，這種光吸收過(guò)程稱(chēng)為本征吸收。,本征吸收條件：,顯然，通過(guò)測(cè)量半導(dǎo)體材料的吸收光譜可以推算出該材料的禁帶寬度。,本征吸收引起的電子帶間躍遷必須遵守能量和動(dòng)量守恒定律。假如電子躍遷前處于k狀態(tài)，能量為E，躍遷后處于k’狀態(tài)，能量為E’。,由能量和動(dòng)量守恒定律可得：,通常， 光子的動(dòng)量比 小得多，所以,躍遷前后能量改變?yōu)椋?（1）直接躍遷,躍遷前后動(dòng)量沒(méi)有改變：,（2

4、）間接躍遷,躍遷前后能量改變?yōu)椋?躍遷前后動(dòng)量改變?yōu)椋?,,一個(gè)電子只吸收一個(gè)光子，不與晶格交換能量。,二. 其他吸收過(guò)程,（1）激子吸收,電子和空穴互相束縛形成一個(gè)新的電中性系統(tǒng)。,特點(diǎn)：,*,* 激子能在晶體中運(yùn)動(dòng)。,* 激子消失形式：分離；復(fù)合,* 激子是電中性的。,（2）自由載流子吸收,（3）雜質(zhì)吸收,（4）晶格吸收,電子在導(dǎo)帶中不同能級(jí)間的躍遷，或空穴在價(jià)帶中不同能級(jí)間的躍遷。,雜質(zhì)能級(jí)上的電子(或空穴)吸收光子躍遷到導(dǎo)帶(或

5、價(jià)帶)能級(jí)中，稱(chēng)為雜質(zhì)吸收。,所以吸收的長(zhǎng)波限為：,光子能量直接轉(zhuǎn)換為晶格振動(dòng)能。,第八章 半導(dǎo)體的光電性質(zhì)及光電效應(yīng),8.1 半導(dǎo)體的光學(xué)常數(shù)8.2 半導(dǎo)體的光吸收8.3 半導(dǎo)體的光電導(dǎo),,半導(dǎo)體的光電導(dǎo),一. 光電導(dǎo)的描述,暗電導(dǎo)率：,設(shè)光注入的附加載流子濃度分別為： 和,半導(dǎo)體電導(dǎo)率為：,由光照使半導(dǎo)體產(chǎn)生電子或空穴，引起半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加的現(xiàn)象稱(chēng)光電導(dǎo)。,附加光電導(dǎo)為：,實(shí)驗(yàn)證明，本征附加光電導(dǎo)往往是由其中一種光生載流

6、子(非平衡多子)起決定性作用。這是因?yàn)榉瞧胶舛嘧佑休^長(zhǎng)的自由存在時(shí)間，而非平衡少子往往被深雜質(zhì)能級(jí)陷阱住。,因此，對(duì)p型半導(dǎo)體有：,對(duì)n型半導(dǎo)體有：,附加光電導(dǎo)表示為：,附加光電導(dǎo)表示為：,注：光照引起雜質(zhì)能級(jí)上的電子或空穴受激電離也會(huì)產(chǎn)生附加光電導(dǎo)，但相對(duì)微弱。,二. 定態(tài)光電導(dǎo)及其弛豫過(guò)程,（1）直線(xiàn)性光電導(dǎo) (小注入-- 是定值),無(wú)外場(chǎng)作用時(shí)，光照下光生非平衡載流子濃度隨時(shí)間的變化率應(yīng)等于其產(chǎn)生率減去其復(fù)合率.,對(duì)非平衡電

7、子：,由初始條件t＝0， ，方程的特解為：,定態(tài)光電導(dǎo)：穩(wěn)定光照下半導(dǎo)體所達(dá)到的穩(wěn)定光電導(dǎo).,當(dāng) 時(shí)，光生載流子達(dá)到穩(wěn)定值,同理：,光照穩(wěn)定狀態(tài)下的定態(tài)光電導(dǎo)為：,這就是光照開(kāi)始到穩(wěn)態(tài)，光生載流子的變化曲線(xiàn)。,假設(shè),光電導(dǎo)上升過(guò)程的函數(shù)表示式為：,直線(xiàn)性光電導(dǎo)：小注入時(shí)，定態(tài)光電導(dǎo)與光強(qiáng)成線(xiàn)性關(guān)系。,光電導(dǎo)的馳豫現(xiàn)象：光照下光電導(dǎo)率逐漸上升和光照停上后光電導(dǎo)率逐漸下降的現(xiàn)象。,利用初始條件: t=0,

8、 ;可解得光生載流子濃度變化表示式為：,光照停止后非平衡載流子產(chǎn)生率為零，非平衡載流子的變化過(guò)程可描述為：,同理可得到光電導(dǎo)變化過(guò)程的表達(dá)式：,（2）拋物線(xiàn)性光電導(dǎo) ( 強(qiáng)注入-- 不是定值 ),不考慮復(fù)合中心和陷阱的情況下，非平衡載流子（電子）只有直接復(fù)合，其復(fù)合率為：,在強(qiáng)注入下，光生載流子的變化符合下述方程：,(上升過(guò)程),當(dāng)小注入時(shí)，復(fù)合率與非平衡載流子的濃度成正比，稱(chēng)為單分子復(fù)合過(guò)程。

9、 當(dāng)強(qiáng)注入時(shí)，復(fù)合率與非平衡載流子的濃度的平方成正比，稱(chēng)為雙分子復(fù)合過(guò)程。,利用初始條件：上升時(shí)：t＝0 ， ； 下降時(shí)：t＝0 ， 。,上升過(guò)程和下降過(guò)程的解分別為：,（上升過(guò)程）,（下降過(guò)程）,（下降過(guò)程）,對(duì)于上升過(guò)程的解，當(dāng) 時(shí)，非平衡載流子注入穩(wěn)定，其濃度定態(tài)值為：,同理：,定態(tài)光電導(dǎo)可表示為：,拋物線(xiàn)性光電導(dǎo)：在強(qiáng)注入的條件下，半導(dǎo)體的定態(tài)光電導(dǎo)

10、與光強(qiáng)的平方根成正比。,（3）光電導(dǎo)靈敏度及光電導(dǎo)增益,光電導(dǎo)靈敏度：?jiǎn)挝还庹斩人鸬墓怆妼?dǎo),由,知， 越大(弛豫時(shí)間越長(zhǎng))，則靈敏度越高。,但弛豫時(shí)間越長(zhǎng)，則代表對(duì)光信號(hào)的響應(yīng)就慢，實(shí)際應(yīng)用必須兩者兼顧。,對(duì)光敏電阻來(lái)說(shuō)，其結(jié)構(gòu)不同，產(chǎn)生不同的光電導(dǎo)效果。通常用光電導(dǎo)增益因子 表示光電導(dǎo)效應(yīng)的增強(qiáng)。,對(duì)于電極間距為l,渡越時(shí)間：,所以，,光電導(dǎo)光譜分布決定因素：,三. 本征光電導(dǎo)的光譜分布,（1）半導(dǎo)體材料對(duì)不同的光波長(zhǎng)的

11、吸收系數(shù)；,（2）光被吸收后激發(fā)光生非平衡載流子的激 發(fā)率,即量子產(chǎn)額；,（3）光生載流子的激發(fā)對(duì)其壽命的影響,其中與吸收波長(zhǎng)發(fā)生直接影響的就是吸收系數(shù)。,光電導(dǎo)的光譜分布是指半導(dǎo)體材料的定態(tài)光電導(dǎo)隨入射光波長(zhǎng)的變化關(guān)系。它表征半導(dǎo)體光電材料的一個(gè)重要特性。,幾種半導(dǎo)體材料本征光電導(dǎo)光譜分布,等量子：對(duì)不同波長(zhǎng)的光子，在單位時(shí)間單位面積入射的光子數(shù)相同。,等能量：對(duì)不同波長(zhǎng)的光子，在單位時(shí)間單位面積入射光子的總能量相等。,光電導(dǎo)光譜分布

12、的特點(diǎn)：,（1）均在長(zhǎng)波方面存在著光電導(dǎo)隨波長(zhǎng)迅速下降的現(xiàn)象同，這意味著本征吸收開(kāi)始。曲線(xiàn)下降到一半時(shí)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為長(zhǎng)波以限。,（2）從長(zhǎng)波限過(guò)渡到短波方面，光電導(dǎo)存在極大值甚至可能出現(xiàn)很突出的尖峰，隨后又隨光波長(zhǎng)的減少，光電導(dǎo)略有下降。,（3）不同的半導(dǎo)體材料由于禁帶寬度不同，本征光電導(dǎo)的光譜分布在不同的波長(zhǎng)范圍里。,四. 復(fù)合中心和陷阱對(duì)光電導(dǎo)的影響,（1）高阻光電材料中典型的復(fù)合中心對(duì)光電導(dǎo)的影響。,假設(shè)復(fù)合中心被陷的非平衡空穴

13、濃度為：,由5.3解的間接復(fù)合理論，得到非平衡電子的復(fù)合率為：,強(qiáng)注入時(shí)，因?yàn)?，非平衡電子復(fù)合率 ，遵循雙分子復(fù)合過(guò)程。,極強(qiáng)注入， ，非平衡電子和非平衡空穴的復(fù)合率分別為：,小注入時(shí)，因?yàn)?，非平衡電子復(fù)合率 ，遵循單分子復(fù)合過(guò)程。,可見(jiàn)，,和,非平衡電子和非平衡空穴都分別遵循

14、單分子復(fù)合過(guò)程,,,,（2）復(fù)合中心和多數(shù)載流子陷阱的綜合作用對(duì)光電導(dǎo)的影響。,（a）如果同時(shí)存在多數(shù)載流子陷阱，陷阱效應(yīng)對(duì)半導(dǎo)體光電導(dǎo)的弛豫時(shí)間有決定性的影響，延長(zhǎng)了光電導(dǎo)的上升和下降的弛豫時(shí)間，并且可使兩者很不相同。,（b）如果同時(shí)存在多數(shù)載流子陷阱，可以使得在較強(qiáng)注入時(shí)也呈直線(xiàn)性的光電導(dǎo)。,（c）如果同時(shí)存在多數(shù)載流子陷阱，多數(shù)載流子陷阱有降低定態(tài)光電導(dǎo)的靈敏度的作用。,（3）復(fù)合中心和少數(shù)載流子陷阱的綜合作用對(duì)光電導(dǎo)的影響。