1、半半 导导 体体 物物 理理(Semiconductor Physics)主主 讲讲：彭彭 新新 村村信工楼519室，13687940615 Email:东华理工机电学院 电子科学与技术第十章第十章 半导体的光学性质半导体的光学性质 10.1 10.1 半导体的光学常数半导体的光学常数 10.2 10.2 半导体的光吸收半导体的光吸收 10.3 10.3 半导体的光电导半导体的光电导10.1 10.1 半导体的光学常数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：光在各向同性的半导体中传播时，服从麦克斯韦方程组：0000EHtEEHtHEr0真空介电常数真空介电常数0真空磁
2、导率真空磁导率r媒质的相对介电常数媒质的相对介电常数媒质的电导率媒质的电导率考虑沿考虑沿x方向传播的平面电磁波，方向传播的平面电磁波，E在在y方向的分量可表示为：方向的分量可表示为：0ex pyxEEitvE0是振幅，是振幅，是角频率，是角频率，v是平面波沿是平面波沿x方向的传播速度，结合麦氏方程组方向的传播速度，结合麦氏方程组可求得：可求得：2200021cNivrN为媒质的复折射率，为媒质的复折射率，c是真空中光速是真空中光速22000cNir根据根据可求得：可求得：001c02iNriknN2/12022222/120222211211121rrrrkn00expexpexp1yyxEE
3、itkxnxvEEitccNvc基本的光学常数基本的光学常数光波（电磁波）在媒质中传播光波（电磁波）在媒质中传播电矢量电矢量同理可得光波（电磁波）在媒质中传播的磁矢量：同理可得光波（电磁波）在媒质中传播的磁矢量：cnxtickxHHzexpexp0磁矢量电矢量cnxtickxHHcnxtickxEEzzexpexpexpexp00光波（电磁波）光波（电磁波）在媒质中传播在媒质中传播能流密度：能流密度：ckxHckxExIexpexp00故：故：ckxIxI2exp0光在媒质中传播，强度随传播深度的变化光在媒质中传播，强度随传播深度的变化光在媒质中传播，强度的衰减率光在媒质中传播，强度的衰减率(
4、吸收率吸收率)：xIckdxdI2媒质的吸收系数媒质的吸收系数()：光在媒质中传播：光在媒质中传播1/距距离时能量减弱到原来能量的离时能量减弱到原来能量的1/e量纲量纲cm-1与实验结与实验结果相符合果相符合 xIxIexp02/12022222/120222211211121rrrrkniknNkck42可见：吸收系数可见：吸收系数与与k（也即材料复折射率的虚部）相关，（也即材料复折射率的虚部）相关，定义定义k为媒质的消光系数为媒质的消光系数。当。当k=0即即=0时，时，=0。还与入射光的波还与入射光的波长长相关。相关。导电材料光吸收的简单物理解释：导电材料光吸收的简单物理解释：电子从低能态
5、跃迁到高能态电子从低能态跃迁到高能态产生吸收。产生吸收。第十章 半导体的光学性质 10.1 10.1 半导体的光学常数半导体的光学常数 10.2 10.2 半导体的光吸收半导体的光吸收 10.3 10.3 半导体的光电导半导体的光电导10.2 10.2 半导体的光吸收半导体的光吸收孤立原子与半导体光吸收特性的区别：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；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，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
6、吸收的分类：半导体中光吸收的分类：本征吸收（光子能量大于禁带宽度）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）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）自由载流子吸收（带内跃迁）杂质吸收（杂质能级之间的跃迁）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）晶格热振动吸收（长波段，与声子作用）本征吸收本征吸收条件：条件：hvEgEcEvhvEghccTchhv本征吸收的光子最低能量限本征吸收的光子最低能量限上面的条件可化为：上面的条件可化为：ggEhcEhc即 ,本征吸收的长波限本征吸收的长波限0 0常数：常数：h=6.62510-34J
7、s=4.1410-15eVs c=2.998108m/s=2.9981014m/smeVEEhcgg24.10一、本征吸收的条件及长波限一、本征吸收的条件及长波限本征吸收的长波限本征吸收的长波限0 0与禁带宽度的关系与禁带宽度的关系根据：根据：本征吸收本征吸收二、本征吸收的直接跃迁二、本征吸收的直接跃迁光吸收的能动量守恒条件：光吸收的能动量守恒条件：E(k)-E(k)=光子的能量光子的能量hk-hk=光子的动量光子的动量假定半导体中的电子在吸收一个光子后从假定半导体中的电子在吸收一个光子后从k态跃迁到态跃迁到k态。态。光子能量很大，动量很小光子能量很大，动量很小声子能量较小，动量很大声子能量较
8、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。在跃迁前后的波失基本不改变。ABEgE(k)OO如果价带电子仅仅吸收了一个光子发如果价带电子仅仅吸收了一个光子发生跃迁，则图中价带状态生跃迁，则图中价带状态A的电子只的电子只能跃迁到导带中的状态能跃迁到导带中的状态B，A、B在在E(k)曲线上位于同一垂直线上，因而曲线上位于同一垂直线上，因而这种跃迁称为这种跃迁称为直接跃迁直接跃迁。k直接带隙半导体能带结直接带隙半导体能带结构简图（构简图（GaAs）理论计算可得，对于直接带隙半导体理论计算可得，对于直接
9、带隙半导体(GaAs)，在直接跃迁中，在直接跃迁中，吸收系数与光子能量的关系为：吸收系数与光子能量的关系为：EghvEghvEhvAhvg 0 2/1A是与半导体自身性质及温度相关的常数是与半导体自身性质及温度相关的常数ABEgE(k)OOk直接带隙半导体能带结构简直接带隙半导体能带结构简图（图（GaAs）三、本征吸收的间接跃迁三、本征吸收的间接跃迁本征吸收本征吸收对于硅、锗半导体，价带顶与导带底不在同一对于硅、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空间点，称为间接带隙半导体E(x)OO直接跃迁直接跃迁间接跃迁间接跃迁SEgk间接带隙半导体能带结构间接带隙半导体能带结构简
10、图（锗）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根据右图，任何直接跃迁所吸收的光子能量都比禁带宽度度Eg大，与本征吸收的光子能量限（大，与本征吸收的光子能量限（hv=Eg）相矛盾）相矛盾存在另外的一种存在另外的一种非直接带间跃迁非直接带间跃迁机制机制考虑图中考虑图中O-S的非直接跃迁，波失变化大（动量变的非直接跃迁，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。接跃迁是电子、光子、声子同时参与的
11、跃迁过程。能量关系为：能量关系为：gpEEEhv电子能量差Ep声子能量；声子能量；“+”吸收声子；吸收声子；“-”发射声子发射声子由于由于Ep非常小，可以忽略不计，因此非常小，可以忽略不计，因此O-S过程的过程的hvEg，符合，符合本征吸收的光本征吸收的光子能量限子能量限三、本征吸收的间接跃迁三、本征吸收的间接跃迁本征吸收本征吸收间接跃迁的动量关系：间接跃迁的动量关系：光子动量光子动量声子动量电子动量差hqhkhk 略去光子的动量：略去光子的动量：hqhkhk q声子波失，声子波失，“-、+”发射或吸收一个声子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，电子的波失在非直接跃迁中
12、，伴随发射或吸收适当的声子，电子的波失k可以改变，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。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，在理论上是一种种二级过程二级过程。这一过程发生的概率比只取决于电子与光子（电磁波）
13、。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。相互作用的直接跃迁概率小得多。理论表明间接跃迁的吸收系数为：理论表明间接跃迁的吸收系数为：pgppgppgEEhvTkEEEhvTkEEEhvAhv ,exp11exp0202pgpgppgEEhvEETkEEEhvAhv ,1exp02pgEEhvhv ,0吸收声子的跃迁吸收声子的跃迁 发射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。发生概率比直接跃迁小得多，相应的吸收系数也小。1
14、64131010101cmcm直直间间；四、补充四、补充1.直接带隙半导体中直接带隙半导体中,涉及声子发射和吸收的间接跃迁也可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，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。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。间接禁带半导体中，仍可能发生直接跃迁。Ge吸收谱的吸收谱的肩形结构的解释，肩形结构的解释，P285，
15、图，图10.8。3.重掺杂半导体（如重掺杂半导体（如n型），型），Ef进入导带，低温时，进入导带，低温时，Ef以下以下能级被电子占据，价带电子只能跃迁到能级被电子占据，价带电子只能跃迁到Ef以上的状态，因而本征以上的状态，因而本征吸收长波限蓝移，即吸收长波限蓝移，即伯斯坦移动伯斯坦移动(Burstein-Moss效应效应)。4.强电场作用下，能带倾斜，小于强电场作用下，能带倾斜，小于Eg的光子可通过光子诱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，即弗朗兹弗朗兹-克尔德什（克尔德什（Franz-Keldysh）效应）效应。
16、激子吸收和其它吸收过程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、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。自由载流子吸收和杂质吸收。一、激子吸收一、激子吸收1.光子能量光子能量hvrp电子陷阱电子陷阱rnrp空穴陷阱空穴陷阱2、Et=EF时，陷阱效应最显著。时，陷阱效应最显著。3、通常多子浓度远大于通常多子浓度远大于Nt，陷阱效应不显著；，陷阱效应不显著；少子浓度可以小于少子浓度可以小于Nt，陷阱效应显著。陷阱效应显著。21 tptpppGdtpdGpp 则：则：假定是均匀的。假定是均匀的。，：光激发产生率：光激发产生率度；度；穴浓穴
17、浓：陷阱能级上的过剩空：陷阱能级上的过剩空度；度；：价带中的过剩空穴浓：价带中的过剩空穴浓价带的速率价带的速率陷阱中空穴重新激发到陷阱中空穴重新激发到俘获率俘获率陷阱对价带过剩空穴的陷阱对价带过剩空穴的穴的复合率穴的复合率复合中心对价带过剩空复合中心对价带过剩空:2:1:tpppp 12-,稳态时0 0tttdppdppdpdtdtdtttDDDDD=：，陷阱中的空穴：陷阱中的空穴：pnpppnGppptpt ，则则若若陷陷阱阱效效应应显显著著，必必有有电电中中性性条条件件：过过剩剩空空穴穴浓浓度度）（陷陷阱阱没没有有改改变变价价带带中中所所以以1212121 陷阱作用陷阱作用1：使得过剩多子
18、浓度比无陷阱时高出许多倍使得过剩多子浓度比无陷阱时高出许多倍 pn12p12npn12nppnpn12ppnp1pn2eGpe1eGnepe ，则，则因为因为稳态时，稳态时，导的灵敏度。导的灵敏度。：陷阱可显著增加光电：陷阱可显著增加光电陷阱作用陷阱作用，时，时，（无陷阱）（无陷阱）（有陷阱）（有陷阱）陷阱作用陷阱作用3：陷阱使多子的稳态寿命比少子的大得多。：陷阱使多子的稳态寿命比少子的大得多。红外淬灭：在激发本征光电导的同时，用适当波长的红红外淬灭：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，这种现象称外光照射半导体样品，可能导致光电导显著下降，这种现象
19、称为为红外淬灭红外淬灭。610 410 210 121041013101300129012801270123 阻阻电电）时间（时间（s型硅的光电导衰减型硅的光电导衰减P 陷阱作用陷阱作用4：对光电导衰减的影响：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）。放）。陷阱效应陷阱效应丹倍效应和光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，在光照面与背面之由于光激发非平衡载流子的扩散，在光照面与
20、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。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。这个效应称为这个效应称为丹倍效应（丹倍效应（Dember effect）2.如果沿如果沿x方向用光照射半导体表面的同时，还在方向用光照射半导体表面的同时，还在z方向方向施加磁场，则在施加磁场，则在y方向的样品两端将产生电势差，这个效应称方向的样品两端将产生电势差，这个效应称为为光磁效应或光电磁效应。光磁效应或光电磁效应。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，例如用适当波长的光照射非均匀半导体，例如P-N结和金属结和金属-半导体接触等，由于势垒区中内建电场（也称为自建电场）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。生伏特效应。
