第十章半导体的光学性质ppt课件.ppt

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&10.1 半导体的光学常数一、折射率和吸收系数 复数折射率： 其中n是通常的折射率 k那么是表征光能衰减的参量，称为消光系数α称为吸收系数，单位cm-1X dxI0II+dI&10.1 半导体的光学常数&10.1 半导体的光学常数光学常数n,k和电学常数的关系根据得&10.1 半导体的光学常数二、反射系数和透射系数二、反射系数和透射系数反射系数R透射系数T光透过厚度为d的样品时，透射系数和反射系数、吸收系数的关系§10.2 半导体的光吸收一、本征吸收二、直接跃迁和间接跃迁三、激子吸收四、自在载流子的吸收五、杂质吸收§10.2 半导体的光吸收 当一定波长的光照射半导体时，假设 那么价带电子吸收光子跃迁到导带这种电子由带与带之间的跃迁所构成的吸收过程，称为本征吸收 本征吸收发生的条件：一、本征吸收一、本征吸收即：光子的频率下限 当 才干发生本征吸收 光子的波长上限 当 才干发生本征吸收例如：Si Eg=1.12eV λ0=1.1μm GaAs Eg=1.43eV λ0=0.867μm CdS Eg=2.42eV λ0=0.513μm§10.2 半导体的光吸收光谱与波长和禁带宽度之间的关系§10.2 半导体的光吸收二、直接跃迁和间接跃迁二、直接跃迁和间接跃迁1、直接跃迁 电子与光子的相互作用过程中，满足： 能量守恒： 动量守恒：§10.2 半导体的光吸收电子吸收光子子吸收光子产生生跃迁迁时波矢波矢坚持不持不变——电子子跃迁的迁的选择定那定那么么本征吸收为一延续的吸收带§10.2 半导体的光吸收几种半导体资料的吸收系数与波长的关系10.2 半导体的光吸收2.2.间接跃迁间接跃迁 既有电子与光子的相互作用，同时还有电子和声子的相互作用，其发生的概率比直接跃迁发生的概率小 能量守恒： 动量守恒： §10.2 半导体的光吸收 Ep代表声子能量， 代表声子的波矢，“+〞表示吸收声子，“-〞表示发射声子。

实际分析得到： 时，吸收声子和发射声子的跃迁均可发生§10.2 半导体的光吸收 时，只能发生吸收声子的过程当 时，跃迁不能发生，α=0§10.2 半导体的光吸收 间接吸收：α：1～103/cm, 直接吸收： α：104～106/cm 研讨半导体的本征光吸收，不仅可以获得Eg还有助于了解能带的复杂构造，也可以作为区分直接带隙和间接带隙半导体的重要根据§10.2 半导体的光吸收三三三三. . 激子的吸收激子的吸收激子的吸收激子的吸收 激子：半导体中相互束缚而结合在一同的一对电子-空穴对，这一系统称为激子激子在晶体中某一部位产生后，并不停留在该处，可以在整个晶体中运动但由于它作为一个整体是电中性的，因此不构成电流激子是一对束缚的电子-空穴对，类似于氢原子§10.2 半导体的光吸收激子构成一系列的能级§10.2 半导体的光吸收电子和空穴的折合质量电子和空穴的折合质量•激子吸收：光子能量hv

•激子可以在半导体中运动，但不构成电流激子在运动过程中可以经过两种途径消逝，一种经过热激发成为自在的电子-空穴，另一种电子-空穴复合§10.2 半导体的光吸收四四四四. .自在载流子的吸收自在载流子的吸收自在载流子的吸收自在载流子的吸收 自在载流子在同一带内的跃迁所引起的，称为自在载流子的吸收满足： 能量守恒： 动量守恒：§10.2 半导体的光吸收 同时伴随有声子的吸收和发射过程 在P区半导体中，价带有三个带，可察看到三条吸收谱线，吸收谱线的精细构造研讨半导体有重要意义，是确定价带具有重叠构造的重要根据§10.2 半导体的光吸收五五.杂质吸收杂质吸收•束缚在杂质能级上的电子、空穴也能引起光的吸收•束缚态的电子不具有准动量§10.2 半导体的光吸收§10.3 半导体的光电导•半导体被光照射之后，产生非平衡过剩载流子，载流子浓度添加使半导体电导率增大•由光照引起半导体电导率添加的景象称为光电导一一一一. .附加电导率附加电导率附加电导率附加电导率无光照〔暗电导〕：光照后：产生非平衡载流子§10.3 半导体的光电导•附加光电导§10.3 半导体的光电导光电导：电导率的改动量§10.3 半导体的光电导•利用半导体资料的电阻率〔电导率〕随光照不同而改动的景象制成的电阻叫光敏电阻。

• 大，对光敏感，灵敏度高， no,po小，高阻资料制成，低温下运用• 实际证明，有一些半导体资料中，光生少数过剩载流子被圈套俘获，只需过剩多子对附加光电导有奉献 如：p型CdO2中本征光电导主要是空穴的贡 献，少子被圈套俘获 n型CdS中本征光电导主要是电子的贡 献，少子处于被圈套俘获 杂质吸收和杂质光电导是研讨杂质能级 的一种重要方法§10.3 半导体的光电导二、定态光电导及其驰豫过程二、定态光电导及其驰豫过程二、定态光电导及其驰豫过程二、定态光电导及其驰豫过程定态光电导：在恒定光照下产生的光电导分析△σ与哪些要素有关I光强：单位时间经过单位面积的光子数α吸收系数：§10.3 半导体的光电导吸收率：单位时间单位体积内吸收的光子I量子产额：吸收一个光子能产生一对电子-空穴对的几率β，β≤1电子-空穴对的产生率：Q=βIα设某一时辰开场 t=0，光照半导体§10.3 半导体的光电导复合过程： 产生和复合过程到达稳定，Ud=G-R恒定半导体中的△n, △p到达恒定值， △ns, △ps △σ→ △σs定态光电导电子、空穴寿命：τn、τp§10.3 半导体的光电导 β、α表征光和物质的相互作用，决议着光生载流子的激发过程τ、μ表征载流子与物质的相互作用，I外部条件§10.3 半导体的光电导•驰豫过程：光照下光电导逐渐上升和光照停顿后光电导逐渐下降的过程，称为光电导的驰豫过程。

•小注入：•大注入：§10.3 半导体的光电导§10.3 半导体的光电导§10.3 半导体的光电导初始条件： t=0,△n(0)=0△n(0)=A+βIατn,A= - βIατn当t>>τn 时，到达稳定， △ns=βαIτn§10.3 半导体的光电导 光照停顿后：停顿作为计时起点，t=0, △n(0)=βIατn光电导上升过程光电导下降过程§10.3 半导体的光电导•大注入：在强注入的情况下，光电导驰豫过程比较复杂寿命不再是定值，而是光照强度和时间的函数三、光电导的灵敏度及光电导增益三、光电导的灵敏度及光电导增益三、光电导的灵敏度及光电导增益三、光电导的灵敏度及光电导增益•灵敏度：单位光照度引起的光电导§10.3 半导体的光电导•τ越长，可以得到较大的△ns，灵敏度高•但τ长，光电导 驰豫过程长，上升缓慢， τ短，反响快•对高频光信号， τ要小才干跟得上变化§10.3 半导体的光电导四、复合和圈套对光电导的影响四、复合和圈套对光电导的影响四、复合和圈套对光电导的影响四、复合和圈套对光电导的影响 研讨光电导→光生载流子的复合过程→圈套、复合中心→寿命 杂质能级具有积累非平衡载流子的作用 光注入的载流子不一定是小注入，可以是大注入〔会发生圈套作用〕§10.3 半导体的光电导1。

少数载流子的圈套作用•N型半导体中，存在复合中心和空穴圈套，那么光生的大部分空穴被圈套俘获，大大降低了电子-空穴复合率，圈套中的空穴先被激发到价带，然后被复合中心俘获，再与光生电子复合这样延伸了过剩载流子的寿命，使光电导灵敏度增大• 少数载流子圈套有添加定态光电导灵敏度的作用2多数载流子圈套作用•N型半导体中，存在复合中心，还存在浓度很大的电子圈套，于是在光照下，光生的电子大部分被圈套俘获，使被陷电子浓度大于非平衡电子浓度•圈套填充将大大增长光电导上升的驰预时间•光照停顿后，光电导衰减时间将大大增长•多数载流子圈套增长了光电导上升和下降的驰豫过程5 本征光电导的光谱分析。