半导体的光学性质PPT课件

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GaAs电学性质
电子迁移率高达 8000cm2 VS
GaAs中电子有效质量为自由电子的1/15， 是硅电子的1/3
用GaAs制备的晶体管开关速度比硅的快 3~4倍
高频器件，军事上应用
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本征载流子浓度
T 3 0 0 K n i 1 .3 1 0 6/c m 3
体心原子的划分，属于每个晶胞 1
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9
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（c）面心立方晶体 6个面中心各有1个原子， 6*1/2=3原子； 8个顶角各有1个原子，8*1/8=1个原子。 每个面心立方晶胞有4个原子。
ppt课件. 面心原子的划分，属于每个晶胞 110/2
10
（2）半导体材料的能带结构
间接带隙结构 直接带隙结构
∶ ∶
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按组成
元素半导体 无机半导体
化合物半导体
有机半导体
按结构
晶体
单晶半导体 多晶半导体
非晶、无定形半导体
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5
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3.半导体材料的基本性质及应用
(1)半导体的晶体结构 (2)半导体的能带结构 (3) 半导体的杂质和缺陷 (4) 半导体的电学性质 (5) 半导体的光学性质
带隙大小
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(3) 半导体的杂质和缺陷
轻掺杂
掺杂浓度为1017 cm-3 杂质离子100%电离
中度掺杂 掺杂浓度为1017～1019 cm-3 载流子浓度低于掺杂浓度
重掺杂 掺杂浓度大于1019 cm-3
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硅中的杂质
1. n型掺杂剂：P，As，Sb

0 0
1 . 1 2 7 m 红外 G a A s , E g 1 . 4 e V , 0 . 8 8 5 m
2、非平衡载流子 光发射 电子被光激发到导带而在价带中留下空穴，状态不 稳定。由此产生的电子空穴对称为非平衡载流子。过一 段时间，电子将跃迁回价带，同时发射一个光子，称为 光发射。 光发射应用：半导体发光二极管、半 导体激光器。但非平衡载流子不是由光激 发产生，而由电子、空穴注入产生。
在外电场下，半导体有电流，电流密度：
jE
且与载流子浓度n、载流子有效质量m*和弛豫时间 有 关： 2
ne j E m* j E
e — 迁 移 率 m * 导电性能 n e
半导体中电子运动不同于真空。真空中服从牛顿定 律，F=-eE=m0a。 m0—自由电子质量。半导体中电子于能带中受约束， 也可以用牛顿定律描述运动。但m0要改成m*。不同半 导体m*不同。
Si Si Si
Si
Si中掺5价P，P取代Si原子。4个 价电子与Si组成共价键。第5个价电 子多余，输送到导带上成为自由电 子。导带中电子导电。 产生的自由电子浓度约等于杂质 原子浓度（可控）。
导带
Si Si
e
Si
P
Si
导带
P
P施主Βιβλιοθήκη PPn型半导体
价带
P
P
施主
P
P
价带
P称为施主杂质，表示能给出一个价电子。
4-2 传统的典型半导体材料
一、分类
1、元素半导体
ⅢA-ⅦA族，十几种元素，如Ge、Si、Se（硒）、Te （碲）等。 2、化合物半导体
二元化合物 ⅢA-ⅤA化合物，9种（Al、Ga、In——P、As、Sb）

2.1半导体的带间跃迁过程 2.2带间跃迁的量子力学理论 2.3半导体带间直接跃迁光吸收 过程 2.4间接跃迁的量子力学处理 2.5半导体带间直接跃迁辐射复 合发光过程
第二章半导体带间 光跃迁的基本理论
2.1半导体的带间跃迁过 程
1
2
2.1.1导带底和价带顶
位于波矢空间同一位置
时的允许带间直接跃迁
第四章半导体的吸收光谱和反射光谱——带内跃迁过程及与杂 质、缺陷、晶格振动有关的跃迁过程
4.3杂质吸收光谱 4.3.1浅杂质的有效质量方程和浅杂质吸收光谱 4.3.2浅杂质光热电离谱 4.3.3a⁺态和d^﹣态 4.3.4共振杂质态
4.3杂质吸收光谱 4.3.1浅杂质的有效质量方程和浅杂质吸收光谱 4.3.2浅杂质光热电离谱 4.3.3A<sup>+</sup>态和
4.1带内跃迁和自由载流子吸收 4.1.1带内亚结构间的光跃迁 4.1.2自由载流子吸收 4.1.3等离子激元效应
第四章半导体的吸收光谱和反射光谱——带内跃迁过程及与杂质、缺陷、晶格振动有关的跃迁过程 4.2自由载流子吸收的量子理论 4.2.1散射矩阵元 4.2.2散射几率 4.2.3吸收系数 4.2.4关于吸收系数的讨论
5.2导带-价带辐射复合跃迁
5.2.1带间 的直接辐射 复合跃迁
5.2.2带间 的间接辐射 复合跃迁
第五章半导体的发光光谱和辐射复合
5.3激子复合发光
03
5.3.3电子-空穴滴
及其辐射复合发光
光谱
02
5.3.2激子分子
01

自发辐射光子的位相和传播方向与 入射光子不相同。
吸收 自发吸收
受激辐射：
当处于激发态(E2)的原子收到另一个能量为(E2-E1)的光子 作用时，受激原子立刻跃迁到基态E1,并发射一个能量也 为(E2-E1)的光子。这种在光辐射的刺激下，受激原子从激 发态向基态跃迁的辐射过程，成为受激辐射。 受激辐射光子的全部特性（频率，位相，方向和偏振态等 与入射光子完全相同。 受激辐射过程中，一个入射光子能产生两个相位，同频率 的光子
透过一定厚度d的媒质(两个界面）：
T = (1− R)2 e−αd
如：玻璃，消光系数k=0 T=(1-R)2=0.962~92%
10.2 半导体的光吸收
本征吸收 直接跃迁，间接跃迁 其他吸收过程
10.2.1 本征吸收
本征吸收： 电子吸收光子由价带激发到导带的过程
条件：
hω ≥ hω0 = Eg
反射系数
R = ( n1 − n2 )2 n1 + n2
= ( n −1− ik )2 n +1− ik
=
(n −1)2 + k 2 (n +1)2 + k 2
玻璃折射率为 n~1.5，k~0, 反射率R~4% 如某一材料 n~4, k~0, 反射率为 R~36%
透射系数，透过某一界面的光的能流密度比值： T=1-R
把处于激发态E2的原子数大于处于基态E1的原子数的这种 反常情况，成为“分布反转”或“粒子数反转”。
要产生激光，必须在系统中造成粒子数反转。
粒子数反转条件
为了提高注入效率 异质结发光： PN结两边禁带宽度不等，势垒不对称。 空穴能注入N区，而电子不能注入P区。 P区为注入区，N区为发光区。

.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
.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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图9.5 直接跃迁吸收系数与光子能量的关系曲线
.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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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

重要性
半导体物理学是现代电子科技和信息 科技的基础，对微电子、光电子、电 力电子等领域的发展具有至关重要的 作用。
半导体物理学的发展历程
19世纪末期
半导体概念的形成，科学家开始认识到 某些物质具有导电性介于金属和绝缘体
之间。
20世纪中叶
晶体管的商业化应用，集成电路的发 明，推动了电子科技和信息科技的发
半导体中的热电效应
总结词
解释热电效应的原理及其在半导体中的应用。
详细描述
当半导体受到温度梯度作用时，会在两端产生电压差 ，这一现象被称为热电效应。热电效应的原理在于不 同温度下，半导体内部载流子的分布不同，导致出现 电势差。热电效应在温差发电等领域有应用价值，可 以通过优化半导体的材料和结构来提高热电转换效率 。
分析器件在长时间使用或恶劣环 境下的性能退化，以提高其可靠 性。
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06
半导体材料与工艺
半导体材料的分类和特性
元素半导体
如硅、锗等，具有稳定的化学性质和良好的半导 体特性。
化合物半导体
如砷化镓、磷化铟等，具有较高的电子迁移率和 光学性能。
宽禁带半导体
如金刚石、氮化镓等，具有高热导率和禁带宽度 大等特点。
半导体材料的制备和加工
气相沉积
通过化学气相沉积或物理气相沉积方法制备 薄膜。
05
半导体器件的工作原理
二极管的工作原理
总结词
二极管是半导体器件中最简单的一种 ，其工作原理基于PN结的单向导电性 。
详细描述
二极管由一个P型半导体和一个N型半 导体结合而成，在交界处形成PN结。 当正向电压施加时，电子从N区流向P 区，空穴从P区流向N区，形成电流； 当反向电压施加时，电流极小或无电流 。

2
光电效应：光电器件的基础； 光学方法：研究能带结构及特性参数的手段。
➢ 半导体吸收系数：p.293
角频率为 的平面电磁波，沿固体中x方向传播时，电场强度：
E y
E 0
expi
t
nx c
exp
x
c
(10.11)
光强： I ( x ) I e( x ) 0
(10.12)
称为吸收系数： ＝2
Ec
n1
n2
Eg
图10.9
n1 n2
Ev 激子能级
h
Eenx
激子吸收谱
二、自由载流子吸收
当入射光的波长较长，不足以引起带间跃迁或形成激子时， 半导体中仍然存在光吸收(图10.2)，原因：
自由载流子吸收：自由载流子在同一能带内的跃迁引起的吸收.
吸收谱在本征吸收限长波一侧，吸收系数随波长的增加而增大。
n，n 2，n与散射机制有关。 18
吸收阈值： Eg EI
（图10.16)
Ec Ed
Ev
c
Ec
Ea Ev
d
对于浅杂质，通常Eg-EI>EI，则： 电离杂质吸收谱在中性杂质吸收谱高能侧。
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四、晶格振动吸收
远红外区，光子与晶格振动的相互作用引起的光吸收。 吸收机理：红外高频光波电场，使离子晶体的正负离子沿相 反方向移动 激发长光学波振动 交变的电偶极矩 其与电 磁场相互作用，导致光吸收。 晶格振动吸收，在离子晶体、极性半导体中较显著；在元素 半导体中，不存在固有电极矩偶，但也能观察到晶格振动吸 收较弱。实际上，这是一种二级效应，即，红外光的电场感 应产生电偶极矩，它反过来又与电场耦合，引起光吸收。
k
0
处的跃迁几率不为零的跃迁，称为允许跃迁。

电工电子技术
半导体之所以被作为制造电子器件的主要材料在于它 具有热敏性、光敏性和掺杂性。
热敏性：是指半导体的导电能力随着温度的升高而迅 速增加的特性。利用这种特性可制成各种热敏元件，如热 敏电阻等。
光敏性：是指半导体的导电能力随光照的变化有显著 改变的特性。利用这种特性可制成光电二极管、光电.1 半导体的基本特性
根据导电性能的不同，自然界的物质大体可分为导体、 绝缘体和半导体三大类。其中，容易导电、电阻率小于 10-4Ω·cm的物质称为导体，如铜、铝、银等金属材料；很难 导电、电阻率大于104Ω·cm的物质称为绝缘体，如塑料、橡 胶、陶瓷等材料；导电能力介于导体和绝缘体之间的物质 称为半导体，如硅、锗、硒及大多数金属氧化物和硫化物 等。
（2）反向偏置
给PN结加反向偏置电压，即N区接电源正极，P区接电源 负极，称PN结反向偏置，如下图所示。
由于外加电场与内电场的 方向一致，因而加强了内电场， 促进了少子的漂移运动，阻碍 了多子的扩散运动，使空间电 荷区变宽。此时，主要由少子 的漂移运动形成的漂移电流将 超过扩散电流，方向由N区指向 P区，称为反向电流。由于常温 下少子的数量很少，所以反向 电流很小。此时，PN结处于截 止状态。
（2）P型半导体
在本征半导体硅（或锗）中掺入微量三价元素硼，由 于硼原子只有3个价电子，它与周围硅原子组成共价键时， 因缺少一个价电子而形成一个空穴，相邻的价电子很容易 填补这个空穴，形成新的空穴。这种半导体导电主要靠空 穴，所以称为空穴型半导体或P型半导体，如下图所示。P 型半导体中，空穴是多子，自由电子是少子。
2．PN结的单向导电性
（1）正向偏置
给PN结外加正向偏置电压，即P区接电源正极，N区接电 源负极，称PN结为正向偏置，如下图所示。

当电子从导带回到价带时，会释 放能量并发出光子，这就是发光 效应。发光效应是半导体的一个 重要应用，如发光二极管和激光 器等。
04 半导体中的载流子输运
CHAPTER
载流子的产生与复合
载流子的产生
当半导体受到外界能量（如光、热、电场等）的作用时，其 内部的电子和空穴的分布状态会发生改变，导致电子和空穴 从价带跃迁到导带，产生电子-空穴对。
06 半导体物理的应用与发展趋势
CHAPTER
半导体物理在电子器件中的应用
01
02
03
晶体管
利用半导体材料制成的晶 体管是现代电子设备中的 基本元件，用于放大、开 关和整流信号。
集成电路
集成电路是将多个晶体管 和其他元件集成在一块芯 片上，实现特定的电路功 能。
太阳能电池
利用半导体的光电效应将 光能转化为电能，太阳Hale Waihona Puke 电池是可再生能源的重要 应用之一。
半导体物理在光电子器件中的应用
LED
发光二极管，利用半导体的光电效应发出可见光 ，广泛应用于照明和显示领域。
激光器
利用半导体的光放大效应产生激光，用于数据存 储、通信和医疗等领域。
光探测器
利用半导体的光电效应探测光信号，用于光纤通 信、环境监测等领域。
半导体物理的发展趋势与展望
新材料和新型器件
随着科技的发展，人们不断探索新的半导体材料和新型器件，以 提高性能、降低成本并满足不断变化的应用需求。
闪锌矿结构
如铬、钨等金属的晶体结构。
如锗、硅等半导体的晶体结构。
面心立方结构（fcc）
如铜、铝等金属的晶体结构。
纤锌矿结构
如氮化镓、磷化镓等半导体的晶 体结构。
晶体结构对半导体性质的影响

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。

(一)、半导体材料特性(5学时)
1.半导体材料的发展趋势
2.半导体材料的分类ຫໍສະໝຸດ 3.半导体材料的基本性质及应用
4.实例说明如何运用半导体材料知识开展实验设
计
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2. 半导体材料的分类
禁带宽度的不同，又可分为： 窄带隙半导体材料：Si，Ge 宽带隙半导体材料：GaN，ZnO，SiC，AlN
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GaAs电学性质
电子迁移率高达 8000cm2 VS
GaAs中电子有效质量为自由电子的1/15， 是硅电子的1/3
用GaAs制备的晶体管开关速度比硅的快 3~4倍
高频器件，军事上应用
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本征载流子浓度
T 3 0 0 K n i 1 .3 1 0 6/c m 3
化学组分和结构的不同，又可分为： 元素半导体、化合物半导体、固溶体半导体、非晶半导 体、微结构半导体、有机半导体和稀磁半导体等
使用功能的不同，可分为： 电子材料、光电材料、传感材料、热电致冷材料等
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按功能和应用
光电半导体
热电半导体
微波半导体 气敏半导体 微电子半导体
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（1）半导体材料结构
晶体： 有规则对称的几何外形； 物理性质(力、热、电、光…)各向异性； 有确定的熔点； 微观上，分子、原子或离子呈有规则的周期性 排列，形成空间点阵(晶格)。
简单立方晶格
面心立方晶格
Au、Ag、Cu、Al…
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体心立方晶格 Li、Na、K、Fe…
六角密排晶格 Be，Mg，Zn，Cd…