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1、半导体光电,半导体的光电性质是半导体材料最重要性质之一。 半导体的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。 本章：讨论半导体的光吸收、光生伏特效应等半导体材料基本的光电性质和应用。,半导体的光学常数,设均匀不带电的介质的复折射率为 ，磁导率m=m0（对于光学中所讨论的大多数固体材料，相对磁导率mr=1)，介电常数e=ere0，电导率s，则光（频率为w）在中传播时，有以下关系： 以上公式中n0为折射率，k为消光系数。,反射率,当光照射到介质的界面时，或多或少会发生反射。反射光强与入射光强之比称为反射率。当光从空气垂直人射到介质表面时，可以得出反
2、射率R为 对于吸收很弱的材料，k很小，反射率R比纯电介质的稍大。对于金属，由于k很大，R很接近于1。,透射率,在介质的界面上，除了光的反对外，还有光的透射，透射光强与入射光强之比称为透射率。若不考虑光的吸收，则在界面上透射率T与反射率满足下式： T=1-R 一般情况下，光透过一定厚度的介质时，透射率与反射率之间有以下的关系：,吸收系数,上式中的a称为吸收系数，它与消光系数的关系为 吸收系数的物理意义：光在介质中传播距离1/a时，光的强度衰减到原来的1/e。 对于电介质材料，消光系数趋于，光在这类材料中没有被吸收，因此材料是透明的。 在金属和半导体中，消光系数不为0，即存在光吸收，光的强度随着透
3、入深度的增加按指数规律衰减，即,半导体的光吸收吸收,半导体材料中的电子吸收光子的能量，从能量较低的状态跃迁到能量较高的状态。这种跃迁可以发生在：1、不同的能带之间；2、同一能带的不同状态之间；3、禁带中的分立能级之间；4、禁带中的分立能级和能带之间。 以上各种吸收引起不同的吸收过程。,本征吸收,在半导体中。最主要的吸收过程是电子由价带向导带的跃迁所引起的光吸收，称为本征吸收或基本吸收这种吸收伴随着电子-空穴对的产生，使半导体的电导率增加，即产生光电导。显然，引起本征吸收的光子能量必须等于或大于禁带宽度，即 对应的波长称为本征吸收限。根据上式，可得出本征吸收长波限的公式为,Burstein-Mo
4、ss effect,吸收谱与吸收边,吸收系数对光子能量（或波长）的依赖关系称为吸收谱。 本征吸收限可在吸收谱中明显地表现出来。吸收系数曲线在短波端陡峭地上升，是半导体吸收谱突出的一个特点。它标志着本征吸收的开始。 通常把吸收限附近的吸收谱称为吸收边。它相应于电子由价带顶附近到导带底附近的跃迁。,直接跃迁,电子在跃迁过程中，除了能量必须守恒外，还必须满足准动量守恒。设电子的初态和末态的波矢分别为k和k，则应有 若电子在跃迁前后的波矢可以认为保持不变，则这种跃迁称为直接跃迁。这种跃迁过程相当于电子由价带竖直地跃迁到导带，所以也称为垂直跃迁。 对下图那样的能带结构，直接跃迁的吸收系数为 这种能带结构
5、称为直接能隙半导体材料。,直接跃迁-由吸收谱求能隙宽度,a2与的关系为一直线，将此直线外推到a=0处，可得出禁带宽度Eg。,ZnO film,ZnO film,间接跃迁,若导带底和价带顶位于k空间的不同位置，例如在Si和Ge中，那么任何竖直跃迁所吸收的光子能量都应该比禁带宽度大。 但实验指出，引起本征吸收的最低光子能量还是约等于Eg。 推论：除了竖直跃迁之外，还存在另一类跃迁过程：由价带顶向具有不同值的导带底的跃迁。,在这种跃迁过程中，电子的准动量变化很大。由于光子的动量很小，所以必须吸收或发射声子才能满足准动量守恒。设声子的波矢为，略去光子的动量，准动量守恒由下式给出： 如果用表示声子的能量
6、，则能量守恒可表示为,光子波矢 电子波矢,吸收系数,在以上二式中，正号和负号分别对应于吸收和发射声子的过程。 这种除了吸收光子之外还要吸收或发射声于的跃迁，称为间接跃迁或非竖直跃迁。相应的材料称为间接能隙半导体材料。 由于声子的能量很小，一般不超过百分之几电子伏特，所以间接带间跃迁所涉及的光子能量仍然接近禁带宽度。,吸收谱线,不难看出，如果以 为纵坐标，以光子能量为横坐标，则吸收谱线应为两条直线 对应横坐标上的两个截距，分别为Eg-Ep和Eg+Ep。 由此可以求出禁带宽度和声子的能量。,间接跃迁材料的缺点,实际上在直接禁带半导体中，涉及声子发射和吸收的间接跃迁也可能发生，即直接禁带半导体中也会
7、发生间接跃迁。同样，在间接禁带半导体中，也可能发生直接跃迁。但它们不是能量最低的带间跃迁。 间接跃迁要求同时有光子和声子参加，是一个二级过程，跃迁几率要比直接跃迁的跃迁几率小得多，相应的吸收系数也较小。 因为光电器件一般均涉及电子的跃迁，因此间接能隙半导体材料一般不适宜作为光电材料，尤其不能作为发光材料。,激子吸收,在低温时发现，某些晶体在本征吸收连续光谱区的低能侧靠近吸收限附近存在一系列吸收线，并且对应于这些吸收线不伴随有光电导。 起因：激子吸收电子空穴对）,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，而且吸收系数随着波长的增加而增加。这种吸收
8、是自由载流子在同一能带内的跃迁引起的，称为自由截流子吸收。 载流子对电磁能量的吸收显著地依赖于频率（或波长）。可以证明，自由载流子的吸收系数 。 自由载流子吸收也需要声子参与，因此也是二级过程，与接跃迁过程类似。但这里所涉及的是载流子在同一带内的跃迁。,子带间的跃迁,电子在价带或导带中子带（sub-band）之间的跃迁。在这种情况下，吸收曲线有明显的精细结构，而不同于由自由载流子吸收系数随波长单调增加的变化规律。 多半导体的价带在价带顶附近由三个子带组成，不同子带间可以发生三种引起光吸收的跃迁过程。 （a）从轻空穴带到重空穴带的跃迁 （）从分裂的带到重空穴带的跃迁 （c）从分裂的带到轻空穴带的
9、跃迁。,杂质吸收,杂质可以在半导体的禁带中引入杂质能级，例如Ge和Si中的III族和V族杂质。占据杂质能级的电子或空穴的跃迁可以引起光吸收，这种吸收称为杂质吸收，可以分为下面三种类型： 吸收光子可以引起中性施主上的电子从基态到激发态或导带的跃迁； 中性受主上的空穴从基态到激发态或价带的跃迁； 电离受主到电离施主间的跃迁； 由于杂质能级是束缚态，因而动量没有确定的值，所以不必 满足动量守恒的要求，因此跃迁几率较大。,电子在杂质能级及杂质能级与带间的跃迁,杂质能级吸收示意图,晶格振动吸收,由于光子和晶格振动的相互作用引起的光吸收称为晶格振动吸收。 晶格振动能量一般在红外区。 对于离子晶体或具有离子
10、性的化合物半导体，红外光的高频电场能使正负离子沿相反的方向位移，即激发长光学波振动，这种振动造成交变的电偶极矩，导致光的吸收。 在元素半导体Ge和Si中，虽然不存在固有电偶极矩，但仍能观察到晶格振动吸收。实际上，这是一种二级效应，由于红外光产生的电场感应出电偶极矩，此电偶极矩反过来又与电场耦合引起光吸收。,光生伏特效应-Photovoltaic,用适当波长的光照射非均匀半导体，例如P-N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）的作用，电子和空穴被分开，产生光生电流或者光生电压。 这种由内建电场引起的光-电效应，称为光生伏特效应。 利用光电效应可以制成太阳能电池，直接把光能
11、转换成电能，这是它最重要的实际应用。另外，光生伏特效应也广泛应用于光电探测器。下面以P-N结为例介绍这种效应。,P-N结中光生伏特效应的物理过程,光子能量大于禁带宽度，结较浅，因而光激发在结两边都能产生电子-空穴对。 P-N结的势垒区内存在较强的内建电场，结区附近的少子很容易在这个电场的作用下进入另一区，成为多数载流子，从而在P区形成空穴的积累，在N区形成电子的积累。 这时如果把P-N的两端接上负载，就会有电流通过，这时PN结就成为光电池，在其内部形成由N区流向P区的光生电流。 如果外回路开路，则上述的电荷积累将导致PN结两端形成电势差，使势垒高度降低为，产生正向电流。当光生电流和正向电流相等
12、时，PN两端建立起稳定的电势差Voc（P区相对N区是正的），这也就是光电池的开路电压。,几种光伏结构的能带图,光照前后情况,光电池的I-V特性,光电池的电流电压特性,光电池的伏安特性为 其中Iph为光电流，I为流过负载的电流，Is为反向饱和电流。,太阳能电池的4个参数,开路电压：如果外电路开路，则称为光电池的开路电压。 短路电流：如果将外电路短路，则V=0 填充因子F：光照时I-V曲线IV象限所围面积中最大的矩形面积与Voc、Isc所围的矩形面积之比。,转换效率：光照时I-V曲线IV象限所围面积中最大的矩形面积与光功率之比,半导体发光,发光是光吸收的逆过程。它起源于电子在能级之间的跃迁。 发光
13、反映了：电子在相关能级的分布激发态的寿命载流子弛豫途径能级密度及占有等情况。,发光的五个特征参量,光谱：发光强度随波长变化的规律。它反映了发光的来源、跃迁中的始态及未态、跃迁几率等。 效率：光致发光中有量子效率、光度效率及能量效率三种表示方法。实用中光度效率（流明/瓦）比较流行。这是因为用流明来表示发光强度时计及了眼睛的灵敏度。发光强度既和发光效率有关，又和输入能量有关。 发光期间或激发态寿命：它表示从激发停止起，发光在多长的期间内衰减下来。对于分立中心而言，发光的衰减符合指数规律，但很多情况并非如此。对于复合发光，情况更复杂。衰减曲线对了解发光动力学是十分重要的。 偏振：它说明发光是各向同性
14、的，还是各向异性的。这反映发光中心的结构，它与基质晶体的对称性有关。 相干性：一般情况下，发光是非相干的，而激光则是相干的。因为发光是自发发射，而激光是感生发射。从相干性能可以估计受激发射的成分。,发光的种类,绝缘体与半导体发光的异同,绝缘体及半导体都可产生发光。 绝缘体的发光：发光中心，即靠掺进合适的杂质。 半导体发光：主要依靠能带中载流子的复合，但也可依靠分立发光中心。 绝缘体的发光更多地反映发光中心的性质，而半导体的发光既可反映杂质的性质，又可反映能带的性质。,发光中心发光-色心,发光中心是杂质和缺陷引起的位于禁带中的局域电子态。因为跃迁时不需要遵守动量守恒规则，因而发光效率较高。 在发
15、光材料中常常要掺进少量杂质，其目的有：1、形成发光中心，提高发光中心浓度2、形成淬灭中心，缩短发光余辉，提高器件工作速度。3、改变半导体的导电类型。 常用的杂质：1、过渡族金属离子； 2、稀土离子；3、施主或受主； 4、等电子杂质：和基质原子（或离子）的外层电子数 相同的杂质，但电负性相差较大的杂质； 5、类汞离子。 *主要用于绝缘体，但也可由于半导体材料，如硅中掺铒等。,复合发光,半导体发光主要依靠复合发光。复合过程包括：1、导带电子和价带空穴复合发光；2、导带电子和杂质上的空位复合发光；3、杂质上的电子和价带空穴复合发光。,间接能带半导体的发光,如果是间接能带半导体，那么电子从高能级跃迁到
16、低能级时除了满足能量守恒外，还必需满足动量守恒，因此跃迁几率较低，即发光效率很低。 因为硅是间接能带半导体，因此直接用硅作为发光器件效率很低。这就是硅在光电方面应用时遇到的最大困难。 改进措施：1、掺杂形成发光中心，如掺Er；构成超晶格，如Si-SiO2，GeSi，硅量子点等。,边缘发射,在激发能量和禁带宽度接近时，可以看到能量接近禁带宽度的辐射。它们在低温下是线光谱，包括：1、激子和束缚激子2、等电子陷阱3、施主-受主对的发光等。,激子复合发光,激子是电子-空穴对，在一定的条件下电子和空穴复合发射出能量接近禁带宽度的光。,施主-受主对的发光,当施主与受主靠得很近，以致它们的波函数重叠时，电子可以通过隧道效应和空穴复合发光。 这一现象是1956年Prener 及Williams 为解释ZnS的发光而发现的。后来证实它在很多半导体的发光中都是存在的。它的发光的光子的能量是： e：介电常数，R是施主与受主之间所有可能的晶格距。,等电子杂质与束缚激子,和基质原子（或离子）的外层电子数相同的杂质，但电负性相差较大的杂质称。 如 ZnTe中的
