半导体的光学性质

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,9,章,半导体的光学性质,9.1,半导体的光学常数,9.2,本征吸收,9.3,激子吸收,9.4,其他光吸收过程,9.5 PN,结的光生伏打效应,9.6,半导体发光,9.7,非辐射复合,9.8,发光二极管（,LED,）,9.9,高效率的半导体发光材料,半导体的光学性质研究历史,早在,20,世纪,30,年代人们就通过光吸收测量了半导体的禁带宽度。,20,世纪,50,年代对吸收光谱的研究所取得的最重要的进展是，区别了直接带隙半导体和间接带隙半导体，并测量了一些重要的能带参数。通过对微波范围的共振吸收回旋共振，相当直接地证明了,Ge,、,Si,的导带的多谷结构。与此同时，准确地测量了有效质量。,20,世纪,60,年代以来，相继对许多半导体的反射光谱进行了研究，配合理论计算，对半导体的能带结构取得了相当系统的认识。,对半导体的光学性质的研究也是设计和制造半导体光电器件的理论依据。,9.1,半导体的光学常数,9.1,半导体的光学常数,9.1,半导体的光学常数,3,反射率和透射率,反射率,(9.1-10),透射率,T,=,1,R,(9.1-11),9.1,半导体的光学常数,9.2,本 征 吸 收,教学要求,1,写出并记忆光子波长和能量的转换关系式,(9.2-1),。,2,掌握概念：本征吸收、本征吸收限、吸收系数、吸收谱、吸收边、直接跃迁、间接跃迁。,3,写出直接跃迁和间接跃迁过程中的准动量守恒和能量守恒公式。,4,了解吸收系数公式,(9.2-10),和,(9.2-12),，说明根据吸收谱可以确定半导体禁带宽度的原理。,人眼只能检测波长范围大致在,0.4,0.7m,的光。,紫外区的波长范围为,0.01,0.4m,。,红外区的波长范围为,0.7,1000m,。,光学区域的电磁波谱图,9.2,本 征 吸 收,半导体材料吸收光子能量使电子从能量较低的状态跃迁到能量较高的状态。这些跃迁可以发生在：,(,a),不同能带的状态之间,；,(,b),、,(c),、,(e),禁带中分立能级和能带的状态之间,；,(,d),禁带中分立能级的不同状态之间,；,(,f),同一能带的不同状态之间,；,它们引起不同的光吸收过程,。,9.2,本 征 吸 收,9.2,本 征 吸 收,吸收系数与光子能量或波长的关系叫做吸收谱。,下,图是半导体的吸收系数与波长的关系。,曲线在短波端陡峭上升是半导体吸收谱的一个显著特点，它标志着本征吸收的开始。吸收限附近的吸收谱叫做吸收边。吸收边对应于电子从价带顶向导带底的跃迁。,吸收谱,9.2.1,直接跃迁,9.2.1,直接跃迁,直接跃迁示意图,电子在跃迁的过程中波矢保持不变，则原来在价带中的状态,A,的电子只能跃迁到导带中的状态,B,。,A,与,B,在,E,(,k,),曲线上位于同一垂线上。因而这种跃迁称为竖直跃迁也叫做直接跃迁。,直接跃迁示意图,在,A,到,B,直接跃迁中所吸收光子的能量与图中垂直距离,AB,相对应。显然，对应于不同的,k,，垂直距离各不相等。即相对于任何一个,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应等于禁带宽度,E,g,。由此可见，本征吸收形成一个连续吸收带，并具有一长波吸收限：,可见从光吸收的测量，可求得半导体的禁带宽度。,本征吸收的吸收系数,本征吸收的吸收系数,图,9.5,直接跃迁吸收系数与光子能量的关系曲线,9.2.2,间接跃迁,在间接带隙半导体中，导带极小值和价带极大值不是发生在布里渊区的同一地点，而是具有不同的,k,值，因此这种跃迁是非竖直跃迁。,跃迁过程中由于光子的波数比电子的波数小得多，因此，准动量守恒要求必须有第三者声子参加。就是说，在跃进过程中必须伴随声子的吸收或放出，即,(9.2-13),式中,q,为声子的波矢，正号表示吸收声子，负号表示放出声子。,9.2.2,间接跃迁,9.2.2,间接跃迁,图,9.7 Ge,、,Si,和,GaAs,的吸收谱,直接带隙半导体中，涉及声子发射和吸收的间接跃迁也可能发生，主要涉及光学声子。发射声子过程,(,吸收的光子的能量要更大些,),，吸收应发生在直接跃迁吸收限短波一侧。吸收声子过程,(,吸收的光子的能量可以小些,),发生在吸收限长波一侧，可使直接跃迁吸收边不是陡峭地下降为零。间接带隙半导体中，仍可能发生直接跃迁，例如图,9.7,所示的,Ge,、,Si,和,GaAs,吸收谱的肩形结构,。,本征吸收长波限蓝移,、红移,重掺杂半导体,(,如,N,型,),中，,E,F,进入导带，低温时，,E,F,以下能级被电子占据，价带电子只能跃迁到,E,F,以上的状态，因而本征吸收长波限蓝移，称为伯斯坦移动,(Burstein-Moss,效应,),。,强电场作用下，能带倾斜，小于,E,g,的光子可通过光子诱导的隧道效应发生本征跃迁，使本征吸收长波限红移，称为弗朗兹,-,克尔德什,(Franz-Keldysh),效应。,9.3,激 子 吸 收,9.3,激 子 吸 收,如果半导体吸收能量小于禁带宽度的光子，电子被从价带激发。但由于库仑作用，它仍然和价带中留下的空穴联系在一起，形成束缚状态。这种被库仑能束缚在一起的电子,-,空穴对称为,激子,(,见图,9.2(e),。激子作为一个整体，可以在晶体中自由运动。由于在整体上激子是电中性的，因此激子的运动不会引起电流。,9.3,激 子 吸 收,根据束缚程度的不同，可以把激子分成两种类型。,一种称为弗兰克尔,(Frenkel),激子，或紧束缚激子，其半径为晶格常数数量级。,另一种称为沃尼尔,(Wannier),激子，这种激子的电子和空穴束缚较弱，它们之间的距离远大于晶格常数。,通常半导体中遇到的就是沃尼尔激子。,激子在晶体中运动的过程中可以受到束缚，受束缚的激子不能再在晶体中自由运动，这种激子称为,束缚激子,。在晶体中能束缚激子的有施主、受主、施主,-,受主对和等电子陷阱等。,9.3,激 子 吸 收,图,9.8,激子能级和激子吸收光谱,9.4,其他光吸收过程,教学要求,了解几种光吸收的机理和特点。,9.4.1,自由载流子吸收,图,9.10 Ge,的价带子带间跃迁,子带间跃迁是自由载流子跃迁的另一种类型。吸收谱有明显精细结构。,P,型半导体，价带顶被空穴占据时，可以引起三种光吸收的过程。图中,V,1,为重空穴带，,V,2,为轻空穴带，,V,3,为自旋劈裂带。过程,a,为,V,2,V,1,的跃迁，过程,b,为,V,3,V,1,的跃迁，过程,c,为,V,3,V,2,的跃迁。,9.4.2,杂质吸收,占据杂质能级的电子或空穴的跃迁所引起的光吸收，如图,9.2(b),(d),所示。杂质吸收又有以下两种情况：,1,中性杂质吸收,(b),2,电离杂质吸收,(c) (d),1,中性杂质吸收,中性杂质吸收涉及以下两个过程：,（,1,）杂质,-,能带的跃迁,由于吸收光子，中性施主上的电子可以从基态跃迁到导带；中性受主上的空穴也从基态跃迁到价带。对于通常的浅能级杂质，电离能,E,I,很小，中性杂质的吸收谱出现在远红外区。,1,中性杂质吸收,（,2,）杂质原子由基态跃迁到激发态的跃迁,这种跃迁引起光吸收，所吸收的光子能量等于杂质原子激发态能量与基态能量之差。吸收光谱为线状谱，不连续。图,9.11,是硅中杂质硼,(,受主,),的吸收光谱。,2,电离杂质吸收,电离杂质吸收有以下两种情况：,（,1,）带边吸收,价带电子吸收光子跃迁到电离施主上的空状态，或电离受主上的电子吸收光子跃迁到导带,(,见图,9.2(c),。对于浅施主或浅受主，这种跃迁对应的光子能量与禁带宽度接近，将在本征吸收限的低能一侧引起光吸收，故称为带边吸收。带边吸收形成连续谱。,2,电离杂质吸收,（,2,）施主,-,受主对,(D-A),对跃迁,电离受主上的电子跃迁到电离施主上的空状态,(,见图,9.2(d),。吸收光子的能量低于带边吸收光子的能量。,9.5 PN,结的光生伏打效应,教学要求,1,掌握概念：光生伏打效应。,2,画出示意图，分析,PN,结光生伏打效应的基本过程。,3,理解并记忆太阳电池,I-V,特性公式,(9.5-2),。,9.5 PN,结的光生伏打效应,光生伏打效应是半导体吸收光产生的一种效应。用光照射半导体，如果入射光子的能量等于或大于半导体的禁带宽度，半导体会吸收光子，产生电子,-,空穴对，在,PN,结的两边产生电势差。,这种把光能转换成电能的机制就叫做,光生伏打效应,。,半导体太阳电池和光电二极管就是利用光生伏打效应把光能转换成电能的典型器件。,PN,结的光生伏打效应涉及以下三个主要的物理过程,（,1,）半导体材料吸收光能在半导体中产生非平衡的电子,-,空穴对；,（,2,）产生的非平衡电子和空穴以扩散或漂移的方式进入,PN,结的空间电荷区；,（,3,）进入空间电荷区的非平衡电子,-,空穴对连同在空间电荷区中产生的电子,-,空穴对，在空间电荷区电场的作用下向相反方向运动而分离，于是在,P,侧积累了空穴，在,N,侧积累了电子，建立起电势差。,9.5 PN,结的光生伏打效应,如果,PN,结开路，则这个电势差,(,开路电压,),就是电动势，称为,光生电动势,。,如果在,PN,结两端连接负载，就会有电流通过，这个电流称为,光电流,。,9.5 PN,结的光生伏打效应,9.5 PN,结的光生伏打效应,光电流,I,流过负载电阻,R,L,产生电压降,V,，电压降,V,使,PN,结的势垒高度下降，相当于给,PN,结施加一正向偏压，从而产生正向电流,I,D,：,I,L,的方向在,PN,结内部是从,N,到,P,，,I,D,是从,P,到,N,。因此光电流即流过负载的电流为,即,(9.5-2),9.5 PN,结的光生伏打效应,PN,结正向电流,I,D,叫做暗电流。,暗电流对于器件来说是一个不利因素，但它不能去除，只能设法减小。,在一个大面积的,PN,结两端做上欧姆接触就构成一个太阳电池。,式,(9.5-2),就是一个忽略串联电阻等因素的理想太阳电池的,I,-,V,特性。,9.5 PN,结的光生伏打效应,9.5 PN,结的光生伏打效应,9.6,半导体发光,在复合过程中，电子多余的能量可以以辐射的形式,(,即发射光子,),释放出来，因此这种复合称为,辐射复合,。,辐射复合就是半导体发射光子的过程即发光的过程，因此，辐射复合也叫,发光复合,。,它是光吸收的逆过程。在复合过程中，电子的多余能量也可以以其他形式释放出来，而不发射光子，这种复合称为,非辐射复合,。,半导体光电器件利用的是辐射复合过程，非辐射复合过程则是不利的。,9.6.1,直接辐射复合,带间辐射复合是导带中的电子直接跃迁到价带，与价带中的空穴复合，它是本征吸收的逆过程。,带间辐射复合是通过在接近能带边缘的那些能级上的电子和空穴的复合来实现的，因此发射的光子的能量接近或等于半导体材料的禁带宽度,E,g,。,由于载流子的热分布，电子并不完全处于导带底，空穴也并不完全处于价带顶，所以这种复合的发射光谱有一定的宽度。,由于半导体材料能带结构的不同，带间复合又可以分为,直接辐射复合,和,间接辐射复合,两种。,9.6.1,直接辐射复合,对于直接带隙半导体，导带极小值和价带极大值发生在布里渊区同一点，即具有相同的,k,值。,9.6.1,直接辐射复合,令,k,i,为跃迁前电子的波矢量，,k,f,为跃迁后电子的波矢量，,k,L,为跃迁过程中辐射的光子的波矢量。,准动量守恒要求,k,i,k,f,=,k,L,(9.6-1),光子的准动量比电子的准动量小得多。式,(9.6-1),可以表示为,k,f,=,k,i,(9.6-2),即跃迁是发生在,k,空间的同一地点的竖直跃迁。,9.6.1,直接辐射复合,在直接辐射复合过程中，发射光子的能量为,(9.6-3),式中，,E,i,为跃迁前电子的能量，,E,f,为跃迁后电子的能量，,hv,为辐射光子的能量。从式,(9.6-2),或图,9.13(a),可以看出，在直接跃迁过程中，电子的准动量守恒易于满足，所以跃迁概率大，也就是说，直接辐射复合的发光效率高。,GaAs,等,-,族化合物半导体具有直接带隙的能带结构，是重要的发光材料。,9.6.2,间接辐射复合,在,间接带隙,半导体中，导带极小值和价带极大值不是发生在布里渊区的同一地点，这种跃迁是非竖直跃迁。,9.6.2,间接辐射复合,9.6.2,间接辐射复合,非竖直跃迁为一个二级过程，是一个比竖直跃迁概率小得多的过程，所以间接辐射复合的发光效率也比直接辐射复合的发光效率低得多。,Ge,，,Si,和,-,族化合物中的,GaP,、,AlAs,、,AlSb,等都属于这一类半导体。,虽然间接辐射复合跃迁概率很低，但若在这一类材料中掺以适当的杂质，也可以改变其复合概率，提高发光效率。例如，在磷化镓中掺入氮或氧等杂质，会形成等电子陷阱，使电子与空穴的复合概率大大增加，显著地提高了磷化镓的发光效率，使之成为重要的发光材料。,9.6.3,浅能级和主带之间的复合,它可以是浅施主与价带空穴或浅受主与导带电子间的复合。由于浅施,(,受,),主的电离能很小,(,一般为几个毫电子伏,),，所以往往很难同带间跃迁区分开来。但实验证明，这种辐射的光子能量总比禁带宽度小，所以它不是带间复合发光引起的。,由于浅能级和主带之间的复合发射的光子能量小于,禁,带宽度，因此光子逸出概率大，有利于提高发光二极管的量子效率。,9.6.4,施主,受主对,(D-A,对,),复合,施主,受主对复合是施主俘获的电子和受主俘获的空穴之间的复合。在复合过程中发射光子，光子的能量小于禁带宽度。这是辐射能量小于禁带宽度的一种重要的复合发光机制，这种复合也称为,D-A,对复合。,9.6.4,施主,受主对,(D-A,对,),复合,9.6.4,施主,受主对,(D-A,对,),复合,9.6.5,通过深能级的复合,电子和空穴通过深能级复合时，辐射的光子能量远小于禁带宽度，发射光的波长远离吸收边。对于窄禁带材料，要得到可见光是困难的；但对于宽禁带材料，这类发光还是有实际意义的，例如，,GaP,中的红色发光便是缘于这类复合。,深能级杂质除了对辐射复合有影响外，往往还是造成非辐射复合的根源，特别是在直接带隙材料中更是如此。因此，在实际工作中，往往需要尽量减少深能级，以提高发光效率。在半导体技术中，人们一直关注半导体发光材料中位错及深能级的作用。位错可以引起发光的猝灭，也可引起老化,(,发光器件的效率随工作时间的增加而降低,),。,9.6.6,激子复合,9.6.6,激子复合,近年来，在发光材料的研究中，发现束缚激子的发光起重要作用，而且有很高的发光效率。,例如，在,GaP,材料中，,Zn-O,对产生的束缚激子引起红色发光，氮等电子陷阱产生的束缚激子引起绿色发光。,这两种发光机制使,GaP,发光二极管的发光效率大大提高，成为,GaP,发光二极管的主要发光机构。,9.6.7,等电子陷阱复合,9.7,非辐射复合,教学要求,1,了解概念：多声子跃迁、俄歇复合、表面复合。,2,了解图,9.19,中的各种俄歇过程。,9.7.1,多声子跃迁,晶体中电子和空穴复合时，可以以激发多个声子的形式放出多余的能量，通常发光半导体的禁带宽度均在,1eV,以上，而一个声子的能量约为,0.06eV,。因此，在这种形式的跃迁中，若导带电子的能量全部形成声子，则能产生,20,多个声子，这么多的声子同时生成的概率是很小的。,但是，由于实际晶体总是存在着许多杂质和缺陷，因而在禁带中也就自然地存在着许多分立的能级。当电子依次落在这些能级时，声子也就接连地产生，这就是多声子跃迁。多声子跃迁是一个概率很低的多级过程。,9.7.2,俄歇,(Auger),过程,电子和空穴复合时，把多余的能量传输给第三个载流子，使它在导带或价带内部激发。第三个载流子在能带的连续态中做多声子发射跃迁，来耗散它多余的能量而回到初始状态，这种复合称为,俄歇复合,。,由于在此过程中，得到能量的第三个载流子是在能带的连续态中做多声子发射跃迁，所以俄歇复合是非辐射的。,这一过程包括了两个电子,(,或空穴,),和一个空穴,(,或电子,),的相互作用，故当电子,(,或空穴,),浓度较高时，这种复合较显著。因而也就限制了发光管,PN,结的掺杂浓度不能太高。,9.7.2,俄歇,(Auger),过程,除了自由载流子的俄歇过程外，电子在晶体缺陷形成的能级中跃迁时，多余能量也可被其他的电子和空穴获得，从而产生另一种类型的俄歇过程。,在实际的发光器件中，通过缺陷能级实现的俄歇过程也是相当重要的。,各种俄歇过程,各种俄歇过程,图,9.19(g),的过程与激子复合的过程有些相似，但在这里，多余能量是传输给一个自由载流子，而不是产生一个光子。对,GaP:Zn-O,红色发光的研究说明了这种俄歇过程，并且当受主浓度增加到,10,18,cm,-3,以上时观察到了发光效率的降低。,各种俄歇过程,在图,9.19(h),，,(i),的过程中，三个载流子全部在禁带，两个以电子,-,空穴对束缚激子的形式存在，另一个电子在杂质带中。例如在,GaP,中，高浓度的硫形成一个施主带，在其中电子是非局域的，所以容易形成束缚激子，使得俄歇复合变为可能。在这里有两种可能性，或者是激子电子，或者是硫杂质带的电子激发进入导带。,9.7.3,表面复合,图,9.20,表面处能态连续分布的模型,9.8,发光二极管（,LED,）,教学要求,1,了解发光二极管的基本结构。,2,画出能带图说明,LED,的工作原理。,9.8,发光二极管（,LED,）,磷化镓发光二极管,LED,的工作原理,带尾对带,带复合的影响,在掺杂较重的情况下，如,10,18,cm,-3,(,这在实际器件中是很可能的,),，会形成带尾，带尾对带,-,带复合的影响如图,9.23,所示。图,9.23(a),表示,N,型半导体的情况，这时导带电子填充到,E,c,以上能级，这些导带电子与价带空穴复合，产生光子的能量要比禁带宽度略大。,带尾对带,带复合的影响,图,9.23(b),表示,P,型半导体的情况，充满价带尾的空穴与导带电子复合，产生的光子能量比禁带宽度略小。,根据带尾效应的影响，,P,区的电子与空穴复合发射的光子的能量略小于,E,g,，它们在发射过程中不容易被再吸收。因此，往往把发光二极管设计成主要以注入到,P,区的电子与空穴复合的,P,侧发光。,