半导体的光学性质课件

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,*,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,*,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,*,半 导 体 物 理,(Semiconductor Physics),主 讲：彭 新 村,信工楼519室，13687940615,Email:,东华理工机电学院 电子科学与技术,半 导 体 物 理主 讲：彭 新 村信工楼519室，13,1,第十章 半导体的光学性质,10.1 半导体的光学常数,10.2 半导体的光吸收,10.3 半导体的光电导,第十章 半导体的光学性质10.1 半导体的光学常数,2,10.1 半导体的光学常数,光在各向同性的半导体中传播时，服从麦克斯韦方程组：,0,真空介电常数,0,真空磁导率,r,媒质的相对介电常数,媒质的电导率,考虑沿,x,方向传播的平面电磁波，,E,在,y,方向的分量可表示为：,E,0,是振幅，,是角频率，,v,是平面波沿,x,方向的传播速度，结合麦氏方程组可求得：,N,为媒质的复折射率，,c,是真空中光速,10.1 半导体的光学常数光在各向同性的半导体中传播时，服从,3,根据,可求得：,基本的光学常数,光波（电磁波）在媒质中传播电矢量,同理可得光波（电磁波）在媒质中传播的磁矢量：,根据可求得：基本的光学常数光波（电磁波）在媒质中传播电矢,4,光波（电磁波）,在媒质中传播,能流密度：,故：,光在媒质中传播，强度随传播深度的变化,光在媒质中传播，强度的衰减率(,吸收率,)：,媒质的吸收系数(,)：光在媒质中传播1/,距离时能量减弱到原来能量的1/e量纲cm,-1,与实验结果相符合,光波（电磁波）能流密度：故：光在媒质中传播，强度随传播深度的,5,可见：吸收系数,与,k,（也即材料复折射率的虚部）相关，,定义,k,为媒质的消光系数,。当,k,=0即,=0时，=0。还与入射光的波长相关。,导电材料光吸收的简单物理解释：,电子从低能态跃迁到高能态产生吸收。,可见：吸收系数与k（也即材料复折射率的虚部）相关，定义k,6,第十章 半导体的光学性质,10.1 半导体的光学常数,10.2 半导体的光吸收,10.3 半导体的光电导,第十章 半导体的光学性质10.1 半导体的光学常数,7,10.2 半导体的光吸收,孤立原子与半导体光吸收特性的区别：,原子中能级不连续，电子的跃迁只能吸收一定能量的光子，出现的是吸收线；,半导体中，能级形成准连续能带，光吸收表现为连续吸收带,半导体中光吸收的分类：,本征吸收（光子能量大于禁带宽度）,激子吸收（光子能量略小于禁带宽度）,自由载流子吸收（带内跃迁）,杂质吸收（杂质能级之间的跃迁）,晶格热振动吸收（长波段，与声子作用）,10.2 半导体的光吸收孤立原子与半导体光吸收特性的区别：半,8,本征吸收,条件：,hv,E,g,E,c,E,v,hv,E,g,本征吸收的光子最低能量限,上面的条件可化为：,本征吸收的长波限,0,常数：,h=,6.625,10,-34,Js=4.1410,-15,eVs,c=2.99810,8,m/s=2.99810,14,m/s,一、本征吸收的条件及长波限,本征吸收的长波限,0,与禁带宽度的关系,根据：,本征吸收条件：hvEgEcEvhvEg本征吸收的光子最低能,9,本征吸收,二、本征吸收的直接跃迁,光吸收的能动量守恒条件：,E,(,k,),-E,(,k,)=光子的能量,hk-hk,=光子的动量,假定半导体中的电子在吸收一个光子后从,k,态跃迁到,k,态。,光子能量很大，动量很小,声子能量较小，动量很大,由于光子动量很小，对于仅仅发生光吸收的跃迁过程，电子在跃迁前后的波失基本不改变。,A,B,E,g,E,(,k,),O,O,如果价带电子仅仅吸收了一个光子发生跃迁，则图中价带状态A的电子只能跃迁到导带中的状态B，A、B在,E,(,k,)曲线上位于同一垂直线上，因而这种跃迁称为,直接跃迁,。,k,直接带隙半导体能带结构简图（GaAs）,本征吸收二、本征吸收的直接跃迁光吸收的能动量守恒条件：E(k,10,理论计算可得，对于直接带隙半导体(GaAs)，在直接跃迁中，吸收系数与光子能量的关系为：,A,是与半导体自身性质及温度相关的常数,A,B,E,g,E,(,k,),O,O,k,直接带隙半导体能带结构简图（GaAs）,理论计算可得，对于直接带隙半导体(GaAs)，在直接跃迁中，,11,三、本征吸收的间接跃迁,本征吸收,对于硅、锗半导体，价带顶与导带底不在同一k空间点，称为间接带隙半导体,E,(,x,),O,O,直接跃迁,间接跃迁,S,E,g,k,间接带隙半导体能带结构简图（锗）,根据右图，任何直接跃迁所吸收的光子能量都比禁带宽度E,g,大，与本征吸收的光子能量限（,hv,=,E,g,）相矛盾,存在另外的一种,非直接带间跃迁,机制,考虑图中O-S的非直接跃迁，波失变化大（动量变化大），光子动量很小，仅靠光子的参与不能满足动量守恒条件，必须有声子的参与。所以非直接跃迁是电子、光子、声子同时参与的跃迁过程。能量关系为：,E,p,声子能量；“+”吸收声子；“-”发射声子,由于,E,p,非常小，可以忽略不计，因此O-S过程的hv,E,g,，符合,本征吸收的光子能量限,三、本征吸收的间接跃迁本征吸收对于硅、锗半导体，价带顶与导带,12,三、本征吸收的间接跃迁,本征吸收,间接跃迁的动量关系：,略去光子的动量：,q,声子波失，“-、+”发射或吸收一个声子,在非直接跃迁中，伴随发射或吸收适当的声子，电子的波失,k,可以改变，而发射或吸收声子都是通过电子与晶格振动交换能量实现的，这种除了吸收光子外还与晶格交换能量的非直接跃迁，也称,间接跃迁,。,间接跃迁,的吸收过程，一方面依赖于电子与光子（电磁波）的相互作用，另一方面依赖于电子与晶格（声子）的相互作用，在理论上是一种,二级过程,。这一过程发生的概率比只取决于电子与光子（电磁波）相互作用的直接跃迁概率小得多。,三、本征吸收的间接跃迁本征吸收间接跃迁的动量关系：略去光子的,13,理论表明间接跃迁的吸收系数为：,吸收声子的跃迁,发射声子的跃迁,间接跃迁为一个二级过程（电子与光子、声子作用），因此其发生概率比直接跃迁小得多，相应的吸收系数也小。,理论表明间接跃迁的吸收系数为：吸收声子的跃迁发射声子的跃迁间,14,四、补充,1.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。主要是涉及光学声子，发射声子过程，吸收应发生在直接跃迁吸收限短波一侧。吸收声子过程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。,2.间接禁带半导体中，仍可能发生直接跃迁。,Ge,吸收谱的肩形结构的解释，,P,285,，图10.8。,3.重掺杂半导体（如,n,型），,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，即,伯斯坦移动(Burstein-Moss效应)。,4.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，既本征吸收长波限红移，即,弗朗兹-克尔德什（Franz-Keldysh）效应,。,四、补充,15,激子吸收和其它吸收过程,比本征吸收限波长还长的光子也能被吸收：激子吸收、自由载流子吸收和杂质吸收。,一、激子吸收,1.光子能量,hv,r,p,电子陷阱,r,n,r,p,空穴陷阱,2、,E,t,=,E,F,时，陷阱效应最显著。,3、通常多子浓度远大于,N,t,，陷阱效应不显著；,少子浓度可以小于,N,t,，,陷阱效应显著。,三、陷阱效应及其对光电导的影响少子陷阱对稳态光电导的影响,30,陷阱中的空穴：,陷阱中的空穴：,31,陷阱作用1：,使得过剩多子浓度比无陷阱时高出许多倍,陷阱作用1：,32,陷阱作用3：陷阱使多子的稳态寿命比少子的大得多。,陷阱作用3：陷阱使多子的稳态寿命比少子的大得多。,33,红外淬灭：在激发本征光电导的同时，用适当波长的红外光照射半导体样品，可能导致光电导显著下降，这种现象称为,红外淬灭,。,陷阱作用4：对光电导衰减的影响：,陷阱的存在增大了光电导的上升和下降的弛豫时间，光电导上升（要填充陷阱能级）；光电导衰减（陷阱中的载流子缓慢释放）。,陷阱效应,红外淬灭：在激发本征光电导的同时，用适当波长的红外光照射半,34,丹倍效应和光磁效应,1.由于光激发非平衡载流子的扩散，在光照面与背面之间产生的电势差，称为丹倍电势差，有时也称为光扩散电势差。这个效应称为,丹倍效应（Dember effect）,2.如果沿x方向用光照射半导体表面的同时，还在z方向施加磁场，则在y方向的样品两端将产生电势差，这个效应称为,光磁效应或光电磁效应。,丹倍效应和光磁效应1.由于光激发非平衡载流子的扩散，在光照,35,光生伏特效应,用适当波长的光照射非均匀半导体，例如P-N结和金属-半导体接触等，由于势垒区中内建电场（也称为自建电场）的作用，依据外回路电阻的大小，可以检测出光生电流，或者得到光生电压。这种由内建电场引起的光电效应，称为光生伏特效应。,光生伏特效应 用适当波长的光照射非均匀半导体，,36,