光电子学 (第五章1)

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1、 光电子学 第五章 光辐射的探测 第十八讲 湖南大学物理与微电子科学学院，王玲玲 2016 年 3 月物理与微电子科学学院School of Physics and Microelectronics Science问题一：波导制造技术的目标？ 同基片上制造大量小型互联装置， 及光电二极管、半导体激光器和探测器； 第十七讲要点回顾第十七讲要点回顾 第十七讲要点回顾第十七讲要点回顾 问题二：波导的制造的过程1. 平板波导加工 2. 基片的制备 3. 波导膜的沉积与生长 4. 材料的改性 5. 刻 蚀 6. 金属板印刷 问题三：外延生长条件? 吸附原子表面扩散速率； 基体与薄膜材料结晶相容性（共格）

2、； 基体表面状态。 第十七讲要点回顾第十七讲要点回顾 量子阱：2种不同半导体相间排列成，明显量子限制效 应电子或空穴势阱。 特征： p 量子阱宽度限制（足够小形成），载流子波函数一 维向局域化。 p 三明治结构，中间很薄层半导体膜，外侧两隔离层 。 第十七讲要点回顾第十七讲要点回顾 问题四：量子阱及其特征？第十七讲要点回顾第十七讲要点回顾 问题五：平板波导的主要应用 光开关、 光调制器、 干涉滤波器。 光源传输调制探测成像显示光电子技术的研究内容 光辐射的探测 55-4 光辐射的探测方法 5-3 光辐射探测过程中的噪声 5-2 光探测的基本物理效应 5-1 物质中的光吸收 第十八讲要点第十八讲

3、要点 吸收现象 结合固体（半导体）中几种光吸 收过程特点 1 3 2 本征、 晶格振动、 自由载流子 、 激子、 杂质吸收 5-1 物质中的光吸收5-2 光探测的基本物理效应5-3 光辐射探测过程中的噪声5-4 光辐射的探测方法 光通过物质，与其电子，激子，晶格振动，杂质作用光吸收。 由能量大小，材料能级结构，掺杂物性质，光吸收： 本征吸收 晶格振动吸收 自由载流子的光吸收 激子吸收杂质吸收 直接跃迁 间接跃迁 光吸收 光电探测技术：把被调制光信号转变成电信号并将其提出技术。 半导体本征吸收：电子吸收光子能量，价带跃到导带。 价带顶与导带底间跃迁； 条件： p 光子能量或=Eg，能量与动量守恒

4、定律： p 0引起本征吸收最低 各半导体，Eg不同，0不同 ； 几种半导体Eg0一、本征吸收 二、晶格振动吸收 三、自由载流子的光吸收 5-1 物质中的光吸收5-2 光探测的基本物理效应5-3 光辐射探测过程中的噪声5-4 光辐射的探测方法四、激子吸收 五、杂质吸收 (5-1-1)，引起本征吸收最低本征吸收光谱长波限： 理论分析： p 电子从价带到导带跃迁满足能量守恒、 动量守恒。 电子跃迁： p 满足选择定则。 根据能级结构，本征吸收： 1. 直接跃迁（仅光子）； 2. 间接跃迁（不仅光子）。 5-1 物质中的光吸收5-2 光探测的基本物理效应5-3 光辐射探测过程中的噪声5-4 光辐射的探

5、测方法一、本征吸收 二、晶格振动吸收 三、自由载流子的光吸收 四、激子吸收 五、杂质吸收 半导体波矢k，电子吸收光子跃迁到波矢k态，k和k： 光子动量h/，与能带电子动量（T=300K，电子量级 510-7cm）比极小（0） 电子吸收能量，动量不变准动量守恒（0）； 1. 直接跃迁（只有光子） 2. 间接跃迁（不仅光子） 5-1 物质中的光吸收5-2 光探测的基本物理效应5-3 光辐射探测过程中的噪声5-4 光辐射的探测方法一、本征吸收 二、晶格振动吸收 三、自由载流子的光吸收 四、激子吸收 五、杂质吸收 h=6.6310-34J/s 直接跃迁特点： 图E(k)曲线，动量不变（k=0），电子前

6、后态同垂线上 直接跃迁跃迁（跃迁前后波矢=）： -族GaAs，InSb及-族半导体，导带极小值与价带极 大值同k直接带隙半导体 。 光照，电子跃迁几率大。 5-1 物质中的光吸收5-2 光探测的基本物理效应5-3 光辐射探测过程中的噪声5-4 光辐射的探测方法1. 直接跃迁（只有光子） 2. 间接跃迁（不仅光子） 一、本征吸收 二、晶格振动吸收 三、自由载流子的光吸收 四、激子吸收 五、杂质吸收 Ef Ei 价带顶能量O点，电子初态Ei与末态Ef对应： 抛物线能带结构： 则（下页） pm折合质量； pm*N，m*P电子与空穴有效质量。 能带间直接跃迁，准动量守恒，跃迁几率Pif 常数，与光子能

7、量无关。 5-1 物质中的光吸收5-2 光探测的基本物理效应5-3 光辐射探测过程中的噪声5-4 光辐射的探测方法1. 直接跃迁（只有光子） 2. 间接跃迁（不仅光子） 一、本征吸收 二、晶格振动吸收 三、自由载流子的光吸收 四、激子吸收 五、杂质吸收 Ef Ei E=0 价带顶能量0 |Ei| 由价带顶能量为0点确定 推导(5-1-7)式： 其中： 5-1 物质中的光吸收5-2 光探测的基本物理效应5-3 光辐射探测过程中的噪声5-4 光辐射的探测方法1. 直接跃迁（只有光子） 2. 间接跃迁（不仅光子） 一、本征吸收 二、晶格振动吸收 三、自由载流子的光吸收 四、激子吸收 五、杂质吸收 h

8、Eg，光吸收系数：A，B常数，跃迁几率Pif，计算得B e电子电量；n折射率。 m折合质量；m*N，m*P电子与空穴有效质量 k波矢空间，kk+dk状态数（N(h)）m折合质量5-1 物质中的光吸收5-2 光探测的基本物理效应5-3 光辐射探测过程中的噪声5-4 光辐射的探测方法1. 直接跃迁（只有光子） 2. 间接跃迁（不仅光子） 一、本征吸收 二、晶格振动吸收 三、自由载流子的光吸收 四、激子吸收 五、杂质吸收 Ef Ei E=0 价带顶能量0 |Ei|由价带顶能量为0点确定 Eg，h单位eV 对任何k成立，某些材料，k=0电子直接跃迁禁止，k0直接跃迁，跃迁几率Pifk2，吸收系数： m

9、*N=m*P=m，n=4： k=0被禁止直接跃迁几率k=0直接跃迁几率 k=0直接跃迁几率m*N=m*P=m，m自由电子质量，n=4： 吸收系数吸收系数 k=0被禁止直接跃迁几率5-1 物质中的光吸收5-2 光探测的基本物理效应5-3 光辐射探测过程中的噪声5-4 光辐射的探测方法1. 直接跃迁（只有光子） 2. 间接跃迁（不仅光子） 一、本征吸收 二、晶格振动吸收 三、自由载流子的光吸收 四、激子吸收 五、杂质吸收 (5-1-11)与(5-1-14)比，区别： p (5-1-14)多一项(h -Eg)/hpk=0附近， h-Eg0.01eV，h1eV，(h-Eg)/h=0.01eV/1eV=

10、0.01，2Eg+EP，吸收声子和发射声子跃迁都发生 。 总吸收系数： h 2，能级连续。 激子吸收光谱集中在本征吸收长波限。 5-1 物质中的光吸收5-2 光探测的基本物理效应5-3 光辐射探测过程中的噪声5-4 光辐射的探测方法一、本征吸收 二、晶格振动吸收 三、自由载流子的光吸收 四、激子吸收 五、杂质吸收 价带跃迁到n=1与n=2 能 级吸收谱线易分辨， n3高分别率仪器，低T测出。 p 本段小结: u 光子能量3高分别率，低温测出 ， Eg小，n2，连续。 半导体不纯，存在杂质和缺陷； 掺杂。 杂质与缺陷局部，晶格周期势场破坏，电子能态与晶格其他处不同 。 杂质能级出现在禁带：离导带

11、不远（施主能级）或 离价带不远（受主能级）处。 光照晶体，该能级参与光吸收： p 电子吸收光子跃到导带； p 空穴吸收光子跃到价带（电子离开价带跃到杂质能级），光吸 收杂质吸收。 5-1 物质中的光吸收5-2 光探测的基本物理效应5-3 光辐射探测过程中的噪声5-4 光辐射的探测方法一、本征吸收 二、晶格振动吸收 三、自由载流子的光吸收 四、激子吸收 五、杂质吸收 跃迁特点，杂质吸收： 2, 4(a, c; b, d)杂质吸收出 现在远红外区； 1, 3(e, f)杂质吸收出现在 本征吸收长波限以外附近 ， 光子能量h0略1。 第五章 思考与练习（答案） 9. 功率谱密度的物理意义是什么。(P

12、146)答：功率谱密度函数反映了随机信号各频率成分的功 率分布情况，可以揭示广义平稳随机信号中随含的周 期性以及靠得很近的谱峰等有用的信息，是随机信号 处理中应用很广的技术。第五章 思考与练习（答案） 10.相干探测方法与直接探测方法相比较的优越性能表现在何处？第五章 思考与练习（答案） 11.电阻为 1k 的器件的频带宽度为 10MHz，在室温（ ）下的热噪声是多少？(P151)答：（室温下的kT值是0.026eV）热噪声功率 第五章 思考与练习（答案） 12.比较以光电效应为基础的光探测器与以热效应为基础的光探测器在工作性能上的区别。 (P144)答：以光电效应为基础得光探测器较之以热效应为基础 的光探测器的区别是选择性好和响应速度快。第五章 思考与练习（答案） School of Physics and Microelectronics Science