半导体物理第十章半导体的光学性质

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1、1 第十章半导体的光学性质 半导体的光学性质是半导体物理性质的最主要的方面之一 半导体光电效应是各种光电器件的基础 光学方法是研究半导体的能带结构和检测材料参数的一种重要手段 2 第十章半导体的光学性质 10 2本征吸收 10 3激子吸收和其它吸收过程 10 4光电导 10 5丹倍效应和光磁效应 10 6光生伏特效应 3 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 10 11 10 12 称为吸收系数 的物理意义 光在介质中传播距离为时 光的强度衰减到原来的 角频率为的平面电磁波 沿固体中x方向传播时 电场强度 光强 4 10 11 反射率与透射率的关系 R 反射率T 透

2、射率 5 10 2本征吸收 一 光在电介质中传播时强度衰减的现象 称为光吸收 电子吸收光子能量后将跃迁 即能量状态改变 1 本征吸收 电子由价带向导带的跃迁所引起的光吸收 它是最重要的吸收 又叫基本吸收 本征吸收产生电子 空穴对 从而引起光电导 6 2 本征吸收限 3 吸收谱 4 吸收边 吸收限附近的吸收谱 吸收曲线在短波段陡峭上升 是半导体吸收谱的一个突出特点 标志着本征吸收的开始 7 5 本征吸收 直接跃迁间接跃迁 8 二 直接跃迁 对于典型半导体 假定Eg 1eV 引起本征吸收的光子波长为 光子的动量 原子间距 电子跃迁要求满足两个守恒 能量守恒 准动量守恒 9 电子吸收光子产生跃迁时波

3、矢保持不变 电子能量增加 这就是电子跃迁的选择定则 为了满足选择定则 以使电子在跃迁的过程中波矢保持不变 则原来在价带中的状态A的电子只能跃迁到导带中的状态B A与B在E k 曲线上位于同一垂线上 因而这种跃迁称为直接跃迁 在A到B直接跃迁中所吸收光子的能量与图 因而从光吸收的测量 也可求得禁带宽度 中垂直距离AB相对应 显然 对应于不同的k 垂直距离各不相等 即 相当于任何一个k值的不同能量的光子都有可能被吸收 而吸收的光子最小能量应等于禁带宽度Eg 由此可见 本征吸收形成一个连续吸收带 并具有一个长波吸收限 10 理论计算可得 在直接跃迁中 对任何k值的跃迁都是允许的 则吸收系数与光子能量

4、关系为 直接跃迁吸收系数与光子能量的关系 直线 0 10 42 图10 4 p300 11 三 间接跃迁电子 光子和声子共同参与跃迁过程 间接带隙半导体 Si Ge GaP 能量守恒 动量守恒 间接带间跃迁所涉及的光子能量仍然接近禁带宽度 声子角频率 光子角频率 声子波矢 光子波矢 12 间接跃迁为一个二级过程 电子与光子作用 电子与声子作用 因此其发生概率比直接跃迁小得多 相应的吸收系数也小 吸收系数的理论表达式为 13 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

5、 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 P306 图10 8 3 重掺杂半导体 如n型 Ef进入导带 低温时 Ef以下能级被电子占据 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Eg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 14 研究本征吸收的意义 研究半导体的本征吸收光谱 不仅可以根据吸收限决定禁带宽度Eg 还有助于了解能带的复杂结构 也可作为区分直接带隙

6、和间接带隙半导体的重要依据 15 光吸收 光在电介质中传播时强度衰减的现象 称为光吸收 上节课内容回顾 直接跃迁 只有电子与光子的作用 一级过程 电子跃迁前后波矢改变很小 可以忽略 所以又称为垂直跃迁 间接跃迁 电子和光子作用 电子和声子作用 二级过程 电子跃迁前后波矢改变较大 光子和声子的动能与动量之比较 光子 动能大 动量极小 声子 动能极小 动量大 无论是直接跃迁还是间接跃迁 都需要满足 能量守恒动量守恒 本征吸收 分为直接跃迁和间接跃迁 本征吸收限 直接带隙半导体中 也存在间接跃迁 间接带隙半导体中 也存在直接跃迁 16 10 3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

7、吸收 激子吸收 自由载流子吸收和杂质吸收 一 激子吸收 exciton 1 光子能量hv Eg 虽然电子已从价带激发 但还不足以进入导带成为自由电子 因库仑作用仍然和价带中留下的空穴联系起来 形成束缚态 电子与空穴间的这种束缚态 称为激子 在激子态中 电子和空穴的相对运动是局域化的 但整体可自由运动 整体电中性 所以激子的运动不产生电流 2 导致激子产生的光吸收称为激子吸收 3 Frenkel激子 紧束缚激子 电子 空穴形成电偶极矩 电子 空穴相互距离与晶格常数相仿 常出现在绝缘体和分子晶体中 Wannier激子 电子和空穴弱作用 之间距离远大于晶格常数 可用类氢模型模拟 可迁移 常出现在半导

8、体和绝缘体中 激子的消失 激子自由电子和空穴 激子复合光子或光子 声子 17 4 激子的能级激子的运动 分为两部分 类似于氢原子中电子与质子在相互库仑引力作用下的运动 忽略质心运动 由类氢模型 得激子能量 激子能级与导带底的距离 为 质心运动 电子与空穴的相对运动 mr 电子和空穴的折合有效质量EH 氢原子基态电子电离能 激子束缚能 激子基态能级与导带底之间的能量差 18 5 激子吸收谱低温时才能观察到 第一个吸收峰对应光子能量为Eg Eex1 n值变大 激子能级准连续 与本征吸收合并 室温下 激子吸收峰完全被抹掉 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

9、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 激子吸收谱 图10 9 19 极性光学波散射 n 2 5 电离杂质散射 n 3 3 5 如果以上散射机构同时存在 则吸收相加 自由载流子吸收是二级过程 伴随光子和声子 自由载流子的吸收是它们在同一带内由低能态向高能态的跃迁引起的 必然伴随准动量的变化 它是吸收光子引起的跃迁 但光子动量很小 则只有通过吸收或发射声子 或经电离杂质中心的散射作用 才能满足动量守恒 声学波散射 长波高温时 n 2 低温 短波时 n 1 5 20 自由载流子跃迁的另一种类型

10、 子带间跃迁 吸收谱有明显精细结构P型半导体 价带顶被空穴占据时 引起光吸收的三种过程 图10 12 P312 图10 13 21 由于束缚态没有一定的准动量 则电子或空穴在上述跃迁后的状态的波矢不受限制 可以跃迁到导带或价带的任意能级 三 杂质吸收占据杂质能级的电子或空穴的跃迁所引起的光吸收 1 中性杂质吸收 过程I 吸收光子后 中性施主上的电子可以从基态跃迁到导带 或中性受主上的空穴从基态跃迁到价带 一般情况下 电子跃迁到导带中越高能级 或空穴跃迁到价带越低能级 跃迁几率越小 所以 相应吸收谱主要集中在吸收限EI附近的吸收带 对于通常的浅能级杂质 电离能EI很小 中性杂质的吸收谱出现在远红

11、外区 22 所吸收的光子能量 激发态能量 基态能量吸收光谱为线状谱 不连续 图10 15 过程II 中性施主上的电子或中性受主上的空穴 由基态跃迁到激发态 引起光吸收 深能级中性杂质吸收谱在浅能级中性杂质吸收谱高能侧 深能级杂质EI DL EI SL 则 23 2 电离杂质吸收 电离施主上的空穴或电离受主上的电子 可以吸收光子跃迁到价带或导带 特征 对于浅施主或浅受主 这种跃迁对应的光子能量与禁带宽度接近 将在本征吸收限的低能一侧引起光吸收 形成连续谱 图10 16 吸收阈值 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 24 四 晶格振动吸收远红外区 光子与晶格

12、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 25 五种光吸收过程 1 本征吸收2 激子吸收3 自由载流子吸收4 杂质吸收5 晶格振动吸收 上节课内容回顾 26 1 本征吸收 电子带 带跃迁引起的光吸收 分为直接跃迁和间接跃迁 上节课内容回顾 直接跃迁 只有电子与光子的作用 一级过程 电

13、子跃迁前后波矢改变很小 可以忽略 所以又称为垂直跃迁 间接跃迁 电子和光子作用 电子和声子作用 二级过程 电子跃迁前后波矢改变较大 引起吸收的能量阈值 Eg 吸收谱 为连续谱 在吸收谱高能侧 短波侧 27 2 激子吸收 电子吸收小于Eg的光子 形成激子 引起光吸收 激子能级 为激子中电子能量位置 n个 n 1为基态能级 激子束缚能 激子基态能级与导带底之间的能量差 上节课内容回顾 exciton 吸收谱 为分立谱 线状谱 能量分布略低于本征吸收谱 在本征吸收限长波一侧 在低温可以测到 引起吸收的能量阈值 Eg 28 3 自由载流子吸收 自由载流子吸收小于Eg的光子 在同一能带内跃迁 引起光吸收

14、 吸收过程 吸收光子 吸收或释放声子 存在子带间跃迁 基态 激发态跃迁 形成线状谱 上节课内容回顾 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 吸收系数与散射机制有关 29 4 杂质吸收 占据杂质能级的电子或空穴的跃迁所引起的光吸收 上节课内容回顾 a 中性杂质吸收 光吸收使杂质电离 吸收能量阈值为EIb 电离杂质吸收 光吸收使电离杂质恢复中性状态 吸收能量阈值为Eg EI 吸收谱 在本征吸收限长波一侧 均形成连续谱 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 深能级中性杂质吸收谱在浅能级中性杂质吸收谱高能侧 深能级杂质EI DL EI SL 则

15、30 上节课内容回顾 5 晶格振动吸收 光子与晶格振动的相互作用引起的光吸收 吸收过程 吸收光子 吸收或释放声子 吸收谱 远红外区 31 一 附加电导率 光电导 10 4光电导 1 光照射半导体 使其电导率改变的现象为光电导效应 包括以下过程信息 光吸收 载流子激发与迁移 复合与陷阱效应 认为 n是一致的 p也是一致的 1 本征光电导 本征吸收引起载流子数目变化 2 杂质光电导 杂质吸收引起载流子数目变化 3 带内光电导 载流子吸收引起载流子迁移率变化 但不引起载流子数目变化 32 光照产生的非平衡载流子 开始时它们的能量比平衡载流子的平均能量高 或者说这些载流子的分布不同于平衡分布 但经过极

16、短的时间 通过和晶格的碰撞 它们把多余的能量传递给晶格 使本身的能量相应于平衡分布 因此 非平衡载流子在其存在的大部分时间内 与平衡载流子的迁移率相同 认为 n是一致的 p也是一致的 WHY 33 34 二 定态光电导及其弛豫过程1 定态光电导 恒定光照下 达到稳定态的光电导 光电导的弛豫反映了光生载流子的积累和消失过程 35 3 I 光强 单位时间 通过单位面积的光子数 设强度为I的光均匀地垂直照射到样品表面 为吸收系数 则 吸收一个光子产生载流子的数目 如果I是以光子数表示的光强 即单位时间通过单位面积的光子数 则单位时间 在单位体积中吸收的光子数为 对应于上升曲线 对应于下降曲线 36 图10 17 有光照 停止光照 37 光电导的驰豫代表光电导对于光强变化反应的快慢 通常引入驰豫时间来表征光电导上升和下降所需时间的长短 弛豫时间定义为上升和下降到定态值的一半所用时间 对于小注入 为 对于大注入 为 讨论 定态光电导线性光电导 与光强成正比 抛物线性光电导 与光强平方根成正比 定态光电导越大 光敏电阻的灵敏度越高 线性光电导中 越大 定态值越大 则光敏电阻灵敏度越高 但对于高频信