获取材料I

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1、第五章 信息获取材料,信息功能材料,5.1 概述,光电子材料是伴随着“光电子学”和“光电子工业”的产生而迅速发展的新型功能材料，即能够实现光电转换的一类功能材料。 由于在光电子学中信息的获取、存储和处理等功能是由光子和电子联合完成的，而信息的传输则纯粹由光子完成，所以光电子材料是实现光子作为更高频率和速度的信息载体的物质基础，是制作高性能、小型化、集成化的光电子器件的原料。 它主要包括光源和信息获取材料、信息传输材料、信息存储材料以及信息处理和运算材料。 目前信息获取材料主要为光电信息材料，其中最主要的是光电探测器材料。,5.2 光电材料的物理基础,半导体与光的相互作用，最为典型与常见的就是光

2、入射到半导体上时，一部分被反射，一部分被吸收或都透射过半导体。 决定这些相互作用的物理基础是能带结构。决定半导体光学性质的最重要的因素波长，在红外线、可见光的范围内，这是因为几乎所有半导体的带隙能量都处在这个波长范围内。 常用光的波长约为半导体晶格常数的1000倍以上，因此半导体的光学性质可以用宏观的晶体光学中的折射率和吸收系数来表达。即电磁波（光）在半导体内传播的现象可以用 Maxwell 电磁方程来表示。,一、半导体与光之间的相互作用,1. 高双折射光纤,假设电磁波 的波矢设定为 ，则介电常数可以这样表示：这样，复折射率：,2.半导体和电磁波之间的相互作用,光入射进半导体：入射光子的能量

3、hv 大于半导体的禁带宽度 Eg 时,将产生吸收。 本征吸收通常指的是带间吸收。半导体本征吸收的特点是在不大的光谱范围内吸收系数突然增大。 本征吸收限：吸收系数突然增至很大的光波长或频率。可以根据它来确定禁带宽度。 带间吸收跃迁必须满足能量与动量守恒，且有两种跃迁：直接和间接跃迁，相应得出两种不同类型的半导体： 直接带隙半导体：化合物半导体GaAs、GaSb、InP、InAs和Zn, Cr, Pb的硫化物； 间接带隙半导体：Ce、Si、GaP。,二、半导体的光吸收,1. 本征吸收,（1）强电场下的本征吸收夫兰茨凯尔迪什效应：时，光子隧道效应 能带倾斜，且：电场对吸收系数的影响比较复杂。由于St

4、ark效应，强电场时原子发射谱线发生移动和分裂。这些能谱的间距为：,2. 电场、压力和温度对本征吸收的影响,a 为电场方向的晶格常数。,（2）压力对本征吸收限的影响压力改变原子间距，从而改变禁带宽度，进而再改变本征吸收限。（应用：力敏元件）,2. 电场、压力和温度对本征吸收的影响,（3）温度的影响 能级粒子数由 Fermi-Dirac分布函数决定，此函数包括温度和 Fermi 能级。 温度也能通过改变禁带宽度来改变本征吸收限。温度越高，本征吸收限越向低能量方向移动。由以下两种效应引起： 一、在温度升高时，晶体膨胀，晶格原子距离增大，导致禁带宽度减小； 二、温度升高，晶格振动增强，电声作用增强，

5、从而导致允许能带的增宽和禁带宽度的减小。,2. 电场、压力和温度对本征吸收的影响,3. 激子吸收,激子：如果在能量为 的光子作用下，价带的电子受到激发但尚不能进入导带成为自由电子，即仍然受到空穴库仑场的作用，则会形成相互束缚的受激电子空穴对，对外呈中性。这种彼此相互束缚的受激电子和空穴组成的系统称为激子。 自由激子是吸收能量为 的光子形成的。为自由激子的束缚能，也是将自由激子离解为自由电子和自由空穴所需要的能量：,M 为电子和空穴的折合质量。,半导体中可以掺入等价替位式杂质，则可以形成以这个杂质为中心的等电子陷阱或等电子中心，它可以束缚激子，所需要的能量比自由激子低一些。由它所束缚的激子可以复

6、合并发射出光子，所以这些杂质中心也称为等电子复合中心。 原理：如果杂质原子位于晶格原子之上，则它的电子亲和势较大，可以先束缚一个电子，再利用库仑力吸附一个空穴。 反之，则先束缚一个空穴，再吸附一个电子。 总的效果就是形成等电子中心束缚的激子。,4. 等电子中心束缚激子吸收,杂质能级分为施主能级和受主能级两种。前者离导带近，后都离价带近。 光子的作用可以使杂质中心电离，即光致电离，并且在吸收光谱上有所反映，但光子的能量不应小于杂质电离能。,5.能带与杂质能级之间的吸收跃迁,当晶体中同时存在施主杂质和受主杂质时，有一部分受主态被占，而一部分施主态空着。这时可以吸收适当能量的光子，而使电子由受主向施

7、主跃迁。所需要的最低能量为：,6. 受主与施主间的吸收跃迁,（1）无选择性自由载流子吸收 所谓自由载流子是指那些能够在一个允许能带内自由运动并对外界的作用做出反应的载流子。它可以吸收光子，并跃迁到较高的能级。 通常所说的自由载流子吸收是指载流子的吸收跃迁发生在同一能带或亚能带范围之内。,7. 自由载流子吸收,（2）有选择性自由载流子吸收 除了无选择性载流子外，还可以在单调增长的吸收曲线上观察到附加的吸收带。是载流子从一个亚能带到另一个亚能带，或同能带中从一个能谷跃迁到另一个能量较高的能谷。,光电效应是指物质在光的作用之下释放出电子的现象，有外光电效应和内光电效应两类。内外取决于吸收光子后电子是

8、否能够逸出半导体之外。对于均匀半导体，光作用下发生的电性能变化首先是电导的变化，即光电导现象；对于p-n结等存在不均匀性的半导体或者处于一定不均匀条件下的均匀半导体，内光电效应的结果是产生光电势，即光生伏特效应。光电效应是物理上把光信号转化为电信号的重要基础。,三、半导体的光电效应,（1）本征光电导和杂质光电导 取决于不同类型的吸收跃迁过程。从价带至导带的跃迁引起的光电导称为本征光电导。 实现本征光电导的必要条件是：杂质能带或允许能带之间的跃迁所引起的光电导称为杂质光电导。,1. 光电导,深施主能级的n型半导体中，电导率不大； 如果受到量子能量 则电子从中性施主能级跳至导带，增加了电导率； 在

9、具有深受主能级的p型半导体中，如果 ，使电子从价带向中性受主跃迁，形成电离受主。,1. 光电导,（2）光电导灵敏度 表示光电导体把光转变为电流的能力，通常借助比灵敏度Sp来表征，研究表明，它只与材料的性质有关，与外加条件无关。 （3）表面对光电导的影响 晶体的表面比内部有更多缺陷和杂质，产生表面复合效应，致使表面的载流子寿命比体内的短很多，直接影响比灵敏度。,1. 光电导,（4）噪声 光子噪声、热激噪声、产生-复合噪声、陷阱效应噪声、1/f 噪声。,1. 光电导,内建电场是产生光电势一个主要原因，但是均匀半导体中没有内建电场，必须要有附加条件：电子和空穴的迁移率不同（丹倍Dember效应）、存

10、在外加磁场（光磁电效应）。 （1）p-n结的光生伏特效应,2. 光生伏特效应,V为正向偏压; Id为正向暗电流; Is为反向饱和电流.,（2）异质结的光生伏特效应 主要应用异质结中存在的宽带材料的“窗口效应”，其光谱灵敏区将是 带。 （3）Schottky Barrier光生伏特效应 金属和半导体相接触，形成空间电荷区，能带发生弯曲。 1）内光电子发射 2）光生伏特效应光电压:,2. 光生伏特效应,Isci 为短路光电流, Isa 为反向饱和电流。,（4）体积光生伏特效应 1）丹倍(Dember)效应 当光垂直照射在半导体表面，形成从表面到体内的载流子浓度梯度，产生扩散，在光的传播方向产生电势

11、差。 2）光磁电效应 在半导体外加一个与光线垂直的磁场，使得电子和空穴分开。与Dember效应不同，磁扩散电流使得样品在电流方向上发生电荷积累，并且在垂直于光传播和磁场方向建立起电场，引起漂移运动。扩散与漂移是两个相反过程，平衡后，形成稳定的光电压。,2. 光生伏特效应,光电子发射（光电发射）是指固体在光的照射下向外发射电子的过程，属于外光电效应，主要应用于光探测器和光电变换领域，还可以用来研究固体材料能带结构（称为光电子能谱技术）。 （1）体积光电效应 只要电子具有足以从固体逸出的能量，属于表面效应和体积效应的两种光电发射现象可以同时存在。 （2）半导体的光电发射阈 使电子离开半导体的最低光

12、子能量，用 ET 表示。对于重掺杂的 n 型半导体：,3.光电子发射,（3）光电发射的物理过程 光电发射过程主要是一种体积过程。可以把它考虑为三个相对独立的过程。,3. 光电子发射,光激发: 激发特性与半导体的能带结构紧密相关; 受激电子的扩散: 受激电子向固体表面扩散并最终到达表面, 在该过程中电子发生散射并失去部分能量； 受激电子的逸出: 受激电子克服电子的亲和势,越过表面势垒, 逃逸到真空中。,（4）量子效率 为了提高量子发射效率，对半导体材料要求如下： 表面反射系数尽可能低； 电子亲和势尽可能低（增大逃逸几率）； 较高的光吸收系数； 逃逸深度尽可能大于吸收深度； 禁带宽度要适中：从光电

13、发射的阈能 ET 角度来看，Eg 要小；但从光电子向表面运动时的散射考虑，Eg 要大（可降低散射几率、增大逃逸几率）。,3.光电子发射,（5）表面条件的影响1）能带弯曲 表面态引起并建立空间电荷区，致使能带弯曲。2）发射阈和有效电子亲和势的进一步降低 方法加一层低功能涂层：使得整个半导体的能级相对于表面升高了DF或者说使功函数降低了DF。,3. 光电子发射,（6）半导体的光电发射与能带结构 作为重要的光电效应，光电发射除了光电变换方面的应用外，还可以应用于确定能带结构。,3. 光电子发射,1）只有被激发到终态高于真空能级的那些受激电子才可能从半导体逸入真空中，发射效率光谱曲线的形状与半导体的能

14、带结构密切相关； 2）可以测量发射电子的能量分布曲线。,5.3 光电探测器材料的基本特征,光电探测器是将光信号转换成电信号的一族器件。（1）外光电效应（光电发射效应） 入射光子吸收光的物质表面（称为光电阴极）所发生的电子效应称为外光电效应。 （2）内光电效应 按工作原理，内光电有光电导型和光伏型，机理主要有本征和非本征的。,1.光子探测器材料,一、红外探测器材料分类,（1）内光电效应 1）本征型光电导探测器材料 光子能量大于材料的禁带宽度，能将价带中的电子激发到导带上以产生 e-p 对，即产生带间吸收并形成光电导。,1. 光子探测器材料,2）非本征型光电导探测器材料 光子能量小于材料的禁带宽度

15、，也可能将束缚在杂质能级上的载流子激发到导带或价带中并产生光电导。 主要是利用量子阱子能级间吸收。,1. 光子探测器材料,3）内光电发射材料（光伏型光电探测器材料） 利用半导体的 p-n 结或 Schottky 结在光的作用下产生光电压或光电流进行光探测。最典型的例子就是：太阳能电池。,1.光子探测器材料,利用热效应制作的一种探测器，吸收红外辐射后产生温度变化，同时材料的物理性质发生改变： 体积膨胀：高莱探测器； 电阻变化：测辐射热计； 两种不同温差电动势材料上的电压变化：热电偶材料主要有以下三种：（1）辐射温差电偶与温差电堆材料；（2）测辐射热计用材料；（3）热释电红外探测器用材料。,2.

16、热探测器材料,（1）电流响应度、电压响应度：（2）光电探测器的外量子效率：,二、光电探测器的性能参数,（3）光电探测器的暗电流Id与噪声 NEP表示在1Hz的信号带宽上当信噪比SNR为1时对应的输入光功率。在信号带宽或测量带宽为B时，如果SNR仍为1，则此光功率的P(W)的下限为：（4）探测率（5）（3dB）即功率下降到1/2时对应的信号频率,二、光电探测器的性能参数,固体探测器的2个基本性质： （1）热平衡自由载流子少；（2）陷阱复合中心要少。 符合上述两条件的就只有半导体了。下面是具体的一些要求及其目的：1. 对电子和空穴有长的漂移长度：达到有效载流子和好的参量分辨率； 2. 禁带宽度大：可工作的温度高，使用范围宽； 3. 低的净杂质浓度：获得较大的耗尽区； 4. 高的原子序数：对 g 有高的探测效率； 5. 理想的晶体生长技术和电接触技术：便于制备探测器。,三、半导体探测器对材料的要求,1. 一般的基本要求,（1）硅面垒探测器的 n 型和 p 型硅单晶： 用区熔法制取高纯硅单晶，对它的要求是：1. 电阻率要高，但补偿温度要低；2. mt 积要大；（ 迁移率和少子寿命）3. 位错密度要小且均匀，不能存在堆垛层错和位错排；4. 径向和轴间电阻率的不均匀性应小于15%。,