半导体对光的吸收优秀课件

.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
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光学区域的电磁波谱图
人眼只能检测波长范围大致在0.4～0.7μm的光。 紫外区的波长范围为0.01～0.4μm。 红外区的波长范围为0.7～1000μm。
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9.2 本 征 吸 收
c
hc
h
1.24
h (eV)
[μm]
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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。
Eg Eg
d C( Eg )3/ 2
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图9.5 直接跃迁吸收系数与光子能量的关系曲线
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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
Ey
Ey0 exp i
t
nx c
exp
c
x
I x Ey 2
2 / c
I (x) I0e x
.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社

• 自由载流子吸收：导带内的电子或价带内的 空穴也能吸收光子能量，使它在本能带内由 低能级迁移到高能级，这种吸收称为自由载 流子吸收，表现为红外吸收。
• 激子吸收：价带中的电子吸收小于禁带宽 度的光子能量也能离开价带，但因能量不 够还不能跃迁到导带成为自由电子。这时， 电子实际还与空穴保持着库仑力的相互作 用，形成一个电中性系统，称为激子。能 产生激子的光吸收称为激子吸收。这种吸 收的光谱多密集与本征吸收波长阈值的红 外一侧。
• 截止波长λg ：
• 半导体禁带宽度会随着温度的升高而减小， 所以光吸收截止波长也将随着温度的升高 而增长 。
非本征吸收
• 非本征吸收包括杂质吸收、自由载流子吸 收、激子吸收和晶格吸收等。
• 杂质吸收：杂质能级上的电子（或空穴）吸 收光子能量从杂质能级跃迁到导带（空穴跃 迁到价带），这种吸收称为杂质吸收。杂质 吸收的波长阈值多在红外区或远红外区。
• 晶格吸收：半导体原子能吸收能量较低的 光子，并将其能量直接变为晶格的振动能， 从而在远红外区形成一个连续的吸收带， 这种吸收称为供参考！ 部分内容来源于网络，如有侵权请与我联系删除！
半导体对光的吸收
本征吸收
• 半导体吸收光子的能量使价带中的电子激发到导 带，在价带中留下空穴，产生等量的电子与空穴， 这种吸收过程叫本征吸收。
• 产生本征吸收的条件：入射光子的能量（hν）至 少要等于材料的禁带宽度Eg。即
hν≥Eg • 半导体对光的吸收主要是本征吸收。对于硅材料，
本征吸收的吸收系数比非本征吸收的吸收系数要 大几十倍到几万倍，一般照明下只考虑本征吸收， 可认为硅对波长大于1.15μm的可见光透明。

• 截止波长λg ：Fra bibliotek• 半导体禁带宽度会随着温度的升高而减小， 所以光吸收截止波长也将随着温度的升高 而增长 。
非本征吸收
• 非本征吸收包括杂质吸收、自由载流子吸 收、激子吸收和晶格吸收等。
• 杂质吸收：杂质能级上的电子（或空穴）吸 收光子能量从杂质能级跃迁到导带（空穴跃 迁到价带），这种吸收称为杂质吸收。杂质 吸收的波长阈值多在红外区或远红外区。 • 自由载流子吸收：导带内的电子或价带内的 空穴也能吸收光子能量，使它在本能带内由 低能级迁移到高能级，这种吸收称为自由载 流子吸收，表现为红外吸收。
半导体对光的吸收
本征吸收
• 半导体吸收光子的能量使价带中的电子激发到导 带，在价带中留下空穴，产生等量的电子与空穴， 这种吸收过程叫本征吸收。 • 产生本征吸收的条件：入射光子的能量（hν）至 少要等于材料的禁带宽度Eg。即 hν≥Eg • 半导体对光的吸收主要是本征吸收。对于硅材料， 本征吸收的吸收系数比非本征吸收的吸收系数要 大几十倍到几万倍，一般照明下只考虑本征吸收， 可认为硅对波长大于1.15μm的可见光透明。
• 激子吸收：价带中的电子吸收小于禁带宽 度的光子能量也能离开价带，但因能量不 够还不能跃迁到导带成为自由电子。这时， 电子实际还与空穴保持着库仑力的相互作 用，形成一个电中性系统，称为激子。能 产生激子的光吸收称为激子吸收。这种吸 收的光谱多密集与本征吸收波长阈值的红 外一侧。 • 晶格吸收：半导体原子能吸收能量较低的 光子，并将其能量直接变为晶格的振动能， 从而在远红外区形成一个连续的吸收带， 这种吸收称为晶格吸收。

白噪声 1/f噪声
f
等效噪声带宽
若光电系统中的放大器或网络的功率增益为A(f),功率 增益的最大值为Am,则噪声带宽为：
Am
f
A(f) N(f)
f
f
f
f 1
A( f )df
Am 0
说明：噪声均方电流或均方电压时，用此等效带宽。
探测器的主要参数
响应率（积分灵敏度）
探测器的输出信号电压 Vs或电流Is与入射光功率 s之比
NEP s Is
in2
它反映了能探测到的最小光功率
响应时间：
பைடு நூலகம்f0
1
2
其中为响应时间，
f
为探测器的上限频率
0
积分得到：
n(t
)
n0
(1
exp(
t
))
关于响应时间
同样停止光照时：
n(t)
n0
(t)
exp(
t
)
频率响应：
n g n0 1 2 2 1 2 2
矩形脉冲光照弛豫过程图
正弦光照弛豫过程图
I RPVb RP 2Vb S g
( RL RP )2
( RL RP )2
RP RP 2 S g
常用的偏置方法
恒流偏置：
RL RP时
I
S
gVb
(
RP RL
)2
恒压偏置：
RL RP时 V SgVbRL
I
RP2VbSg (RL RP )2
恒功率偏置：即匹配负载法：RL RP
半导体的光电效应
因光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应 半导体的光电效应可分为:内电光效应与外电光效应 内电光效应: 光电导效应

雪崩 倍增效应 来放大光电信号以提高检测的灵敏度。 PN 结在高反向电
压下产生的雪崩效
应。其基本结构常常采用容易产生雪崩倍增效应的
Read 二极管结构 （即
N+PIP+型结构， P+一面接收光） ，工作时加较大的反向偏压，使得其达
到雪崩倍增状态；它的光吸收区与倍增区基本一致（是存在有高电场的
P 区和 I 区）。
dΦe Φe, d
hv
hv
光源在波长 λ为 0→∞范围内发射的总量子流速率
Ne
Φe, d
0 hv
Φe, max
Φe, r d
hc 0
20. 热释电器件的噪声主要有电阻的热噪声、温度噪声和放大器噪声等。
热噪声：来自晶体的介电损耗和与探测器的并联电阻。
热噪声电压随调制频率的升高而下降
放大器噪声：来自放大器中的有源元件和无源器件，及信号源的阻抗和放大
25. 硅光电池：基本结构：一个大面积的 PN 结。
硅光电池的工作原理是光生伏特效应 . 当光照射在硅光电池的 PN结区时 , 会
在半导体中激发出光生电子空穴对 .PN 结两边的光生电子空穴对 , 在内电场
的作用下 , 属于多数载流子的不能穿越阻挡层 , 而少数载流子却能穿越阻挡
层. 结果 ,P 区的光生电子进入 N 区,N 区的光生空穴进入 P 区, 使每个区中的
分。
电子光学系统——将电子图像成像在荧光屏上。
荧光屏——将电子动能转换成光能，是像管的电 - 光转换部分。
像管的工作原理
亮度很低的可见光图像或者人眼不可见的光学图像经光电阴极转换成电
子图像；
电子光学系统将电子图像聚焦成像在荧光屏上，并使光电子获得能量增

半导体的光吸收
01 本征吸收
10. 2.1 本征吸收 hw0是能够引起本征吸收的最低限度光子能量，也即，对应于本征吸收光谱， 在低频方面必然存在 一个频率界限ω0（或者说在长波方面存在一个波长界限λ0）。当角频率低于ω0或波长大于λ0时， 不可能产生本征吸收，吸收系数迅速减小。这种吸收系数显著减小的特定波长λ0（或特定角频率ω0） 称为半导体的本征吸收限。图10- 4 给出几种半导体材料的本征吸收系数和波长的关系，曲线短波 端陡峻地上升标志着本征吸收的开始。根据式(10-26 ），并应用关系式w= 2πc／λ ，可得出本征 吸收限的公式为
半导体的光学常数
01 折射率和吸收系数
10. 1. 1 折射率和吸收系数 代入式(10 -10 ） ， 得
半导体的光学常数
01 折射率和吸收系数
10. 1. 1 折射率和吸收系数 这说明，当光波在媒质中传播时， H0与§0的数值不同， 且两者之间有一相差θ＝arctan k/n，从 式（10- 14a）得知，当σ≠0 时，光波以c／n的速度沿x方向传播，其振幅按exp (-wkx/c） 的形式 减小。这里n 是通常的折射率，而是则是表征光能衰减的参量， 称为消光系数。既然光波的电矢量 和磁矢量都按指数exp (-wkx/ c） 衰减，而能流密度（ 以坡印廷矢量表示）正比于电矢量和暗矢量 振幅的乘积， 其实数部分应该是光强度I 随传播距离Z 的变化关系。因此，光强度按exp ( -2wkx/ c ） 衰减，即 用透射法测定光的衰减〈见图10 -1 ）时，发现媒质中光的衰减与光强度成正比， 引入比例系数的 得
半导体的光吸收
01 本征吸收
10. 2.1 本征吸收 根据半导体材料不同的禁带 宽度，可算出相应的本征吸 收限。例如，目的Eg=1. 12eV, λ0 ≈ 1.1μm; GaAs的 Eg=1. 43eV ， λ0≈0. 867μm，两者吸收限都在红 外区； CdS 的Eg=2. 42eV， λ0≈ 0.513μm，在可见光区。

半导体中的光吸收和光探测
半导体对光的吸收机构大致可分为： ①本征吸收； ②激子吸收； ③晶格振动吸收； ④杂质吸收； ⑤自由载流子吸收. 参与光吸收跃迁的电子可涉及四种： ①价电子； ②内壳层电子； ③自由电子； ④杂质或缺陷中的束缚电子，
火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂 拥而出 或留恋 财物， 要当机 立断， 披上浸 湿的衣 服或裹 上湿毛 毯、湿 被褥勇 敢地冲 出去
火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂 拥而出 或留恋 财物， 要当机 立断， 披上浸 湿的衣 服或裹 上湿毛 毯、湿 被褥勇 敢地冲 出去
② 因为价电子要能够从价带跃迁到导带，至少应该吸
收禁带宽度Eg大小的能量，这样才能符合能量守恒规 律，所以就存在一个最小的光吸收能量——光子能量
的下限，该能量下限也就对应于光吸收的长波限——
火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂 拥而出 或留恋 财物， 要当机 立断， 披上浸 湿的衣 服或裹 上湿毛 毯、湿 被褥勇 敢地冲 出去
（4）参考曲线：
常见半导体的带间光吸收谱曲线见图2。 IV族半导体属间接跃迁能带结构，它们的光吸收 谱曲线较缓；而III-V族半导体属直接跃迁能带结构，它 们的光吸收谱曲线都很陡峭。 此外，半导体中载流子的光吸收谱曲线一般都位于 带间光吸收谱曲线的截止波长以外。因为载流子光吸收 是在能带内部的各个能级之间跃迁，所以吸收的光子能 量更小，吸收的光波长更长。
式(7.1-8)所能适用的范围是有限的，当(h-Eg)的值较大时，吸收系数 随h变化缓慢，d随h上升的曲线斜率与能带的形状有关。而且当 (h-Eg)与激子激活能(关于激子吸收将在§7.2中讨论)可以相比拟时，式 (7.1-7)还应作适当修改。即使h0，此时吸收系数并不为零而趋于一
稳定值；当h<Eg，也可观察到由激子的高激发态引起的吸收，如图 7.1-3中的点线所示。

4. 自由载流子吸收
对于一般半导体材料，当入射光子的频率不够 高时，不足以引起电子产生能带间的跃迁或形成激 子时，仍然存在着吸收，而且其强度随波长增大而 增强。这是由自由载流子在同一能带内的能级间的 跃迁所引起的，称为自由载流子吸收。自由载流子 吸收不会改变半导体的导电特性。
5. 晶格吸收
晶格原子对远红外谱区的光子能量的吸收直 接转变为晶格振动动能的增加，在宏观上表现为 物体温度升高，引起物质的热敏效应。 以上五种吸收中，只有本征吸收和杂质吸收 能够直接产生非平衡载流子，引起光电效应。其 他吸收都程度不同地把辐射能转换为热能，使器 件温度升高，使热激发载流子运动的速度加快， 而不会改变半导体的导电特性。
λ + dλ
同时，在价带中留下一个 自由空穴，产生电子-空穴 对。如图1-9所示，半导体 价带电子吸收光子能量跃 迁入导带，产生电子空穴 对的现象称为本征吸收。
显然，发生本征吸收的条件是光子能量必须大 于半导体的禁带宽度Eg，才能使价带EV上的电子 吸收足够的能量跃入到导带底能级EC之上，即
hv ≥ Eg
rt = K f ni pi
（1-77）
在热平衡状态载流子的产生率应与复合率相 等。即
ηNe,λ + Kf ni pi = Kf (∆n+ni )(∆p + pi )
（1-78）
在非平衡状态下，载流子的时间变化率应等于 载流子的总产生率与总复合率的差。即
d∆n = ηN e , λ + K f ni pi − K f (∆n + ni )(∆p + pi ) dt
无关， 普通玻璃的消光系数 μ 也与波长 λ 无关 ， 因此，它们对短波长辐射的吸收比长波长强。 因此，它们对短波长辐射的吸收比长波长强。 当不考虑反射损失时， 当不考虑反射损失时，吸收的光通量应为

薄的纯单晶Ge片、在
入射光子能量
h=0.8eV附近表现出
很陡的吸收峰所证实，
如图7.1-6所示。在更
长波长处的吸收则是由
于间接跃迁所引起，而
这必须伴随着声子的发
射和吸收，以满足所需
的动量守恒。
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10
2．间接吸收的吸收系数
在图7.1-4所表示的间接带隙跃迁中，两种从初态至终态的跃迁方式 都必将伴随有声子的发射和吸收，在不考虑多声子吸收时，则有
e1che xE pgEsEks T 2
0
hEgEs hEgEs
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(7.1-23)
14
在价带顶附近的状态与 导带底附近的状态之间 的跃迁(即图7.1-5中箭 头B)是“禁戒”跃迁， 由这种跃迁所引起的吸 收系数是与过剩光子能 量(h-EgEs)的三次方 成正比的。而如上所述， 在这种能带结构中的允 许跃迁(在k=0处发生 竖直跃迁)所产生的吸 收系数是比例于(hEgEs)2 的。
这种二级微扰过程，其跃迁几率
要比一级微扰情况下小得多。
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9
在这种能带结构中，也
可以发生从价带顶
(k=0)至导带次能谷的
竖直跃迁或直接跃迁，
如图7.1-5中的箭头A
表示，只是由于导带底
(k对=0应处k的=k导m带in)能的量能小量很比
多，则跃迁所涉及的能
量比间接跃迁(图7.1-5
中箭头B大．这已为很
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2 ．激子波函数与束缚能
电子-空穴的库仑互作用势能为
Vre rh4 ere2rh
(7.2-1)
式中。为介电常数(对夫伦克耳激子，为常数)。 弱束缚激子的薛定愕方程为
2 m 2 e e 22 m 2 h h 24 e2r F r e,r hEr e F ,r h (7.2-2)

A Pk N
hv d hv
2
4
3
4 k d k
2 3
N
hv d
hv
2m *2

3
hv E g

1 2
d
hv
对 于 k 0 时 Pk 0 B hv E g

hv

1 2
, hv E g , B


E
f
hv Ei , Ei k 2
2
k
2 *
,E
2mh
f
E
g

k
2 *
,
2me
即 : hv E g
1 1 * * me mh
吸收系数
h v 与 跃 迁 几 率 Pk 、 状 态 密 度 有 关 ： hv
2

N
hv
超晶格的光吸收
超晶格
人工、不同材料周期结构 厚度：电子平均自由程、无耦合 常用材料体系：GaAs/Ga1-xAlxAs
能带
二维结构，生长方向量子限域， 出现量子阱
量子阱
量子力学处理
EZ
n , n 1, 2 , 3, * 2me d
2

2

2
态密度与光吸收
杂质吸收
• • • 杂质可以在带隙形成能级。 低温下杂质不能电离。由 于杂质的电离能小，所以 需要低温才能观察到。 电子激发可以从杂质能级 跃迁至导带，也可以由价 带跃迁至杂质能级。 电子由杂质能级跃迁至导 带，光子的能量至少要大 于杂质电离能。电子可以 吸收光子跃迁至高能量状 态，但是跃迁几率随着能 量的升高而降低。 杂质吸收与激子吸收均发 生在吸收边，但是其特征 明显不同：激子是分立能 级与能带边吸收，出现尖 峰；而杂质吸收可以由分 立能级跃迁至整个能带， 因此存在连续谱，即在吸 收边出现肩部。

束缚到杂质中心的附加能。
1、辐射跃迁
特征：发光峰能量略低于自由激子，发射谱线很窄，半峰宽一般低 于1meV。
判定：低温观察KT/ EDx﹤0.3。有效质量比，σ：me*/mh*，对于电离 施主，σ小于0.71，系统能量下降，也有认为，σ小于0.2时，束缚激子 （D+X）才是稳定的。对于电离受主束缚激子，只有当σ大于1.4时，才 可能存在，因此一般电离受主束缚激子很难观察到。 束缚激子的声子伴线：束缚激子在复合时，发射了一个或多个声子，同 时发出的光子。
)
•13.6eV
mr 为电子和空穴的折合质量。n=1，2
1 11 mr mn mp
特征：发光峰能量略低于Eg，发光峰尖锐，半峰宽在几个meV
以内，一般在低温下才可观察到。
1、辐射跃迁
自由激子的声子伴线：自由激子在复合时，发射了一个或多 个声子，同时发出的光子。
发光峰能量：hv=Eg-Eex-mEp 特征：发光峰一般伴随自由激子峰出现。其与自由激子的能量差 为声子能量。出现多声子伴线时，发射峰之间的能量差相等。
α（hv）=A（hv-Eg）1/2，hv ≥Eg
=0
，hv＜Eg
禁带宽度的判断：
α2=A2（hv-Eg）
2、半导体光吸收
实际情况：低能方向的吸收系数并不按理论预期下降， 存在吸收带尾，一般是指数下降，与材料的杂质和缺陷， 生长质量，声子参与有关。（1）声子参与，（2）莫脱 效应：施主间的平均距离：r=（1/ND）1/3 ，当r小于 2a*，施主电子云交叠。 高掺杂杂的情况下，吸收边 向高能方向移动。
a
m0 mn
g r aH
d (ln ) 1
d (hv) kBT
2、半导体光吸收
3、激子吸收

第九讲9.1 半导体中的光吸收光在导电媒质中传播时有光衰减现象，即产生了光的吸收，半导体材料也能强烈的吸收光能。

产生光吸收的机理：入射光子与半导体材料中的载流子相互作用。

当一束光照射到半导体上时，照射光子与半导体中电子的相互作用有以下四种形式：光子与内壳层电子光子与价电子光子与自由载流子光子与束缚在杂质能级或晶格缺陷上的电子其中，内壳层电子的光吸收以及对色散的影响都在X射线波段，与半导体的性质没有直接关系。

在半导体中，根据能带结构的特征，其光吸收可分为以下几类：自由载流子吸收谷间跃迁吸收1、带间吸收本征吸收直接跃迁吸收间接跃迁吸收较高能量带间跃迁吸收2、带内吸收3、能带与局部能级间的吸收4、局部能级间的吸收 D-A对吸收杂质吸收等电子陷阱吸收激子吸收电子在价带与导带之间的跃迁所形成的吸收过程称为本征吸收。

本征吸收的特点：伴随着电子从价带到导带的跃迁，在半导体的价带产生一个空穴，在导带产生一个电子，即产生了电子—空穴对。

产生本征吸收的条件：1、半导体的本征吸收限：()()0g 1.24μm eV E λ≥g 0=h E h ννc E vE几种常见的半导体材料的长波限为：Ge E g= 0.67eVλ0 = 1.85μm红外波段Si E g= 1.12eVλ0 = 1.1μmGaAs E g= 1.43eVλ0 = 0.867μmAlP E g= 2.45eV λ0= 0.506μm可见光波段CdS E g= 2.42eV λ0 = 0.513μm2、直接跃迁和间接跃迁当一定波长的光照射半导体材料，电子吸收能量从价带跃迁入导带产生的光吸收时，必须遵守能量守恒和动量守恒（或者说遵守选择定则），即： 我们把遵守选择定则的跃迁称为直接跃迁（或竖直跃迁）； 把不遵守选择定则的跃迁称为间接跃迁（或非竖直跃迁）。

0E E E k k k k '-=∆⎧⎪⎨''-==⎪⎩ 或()光子动量，=-'∆=-'k h k h E E E 由于光子的动量远小于能带中电子的动量，光子动量可忽略不计，所以有：一、本征吸收直接跃迁（竖直跃迁）：遵守选择定则的跃迁。