第2章 半导体基础知识 ii 2014.10.10

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1、半导体对光的吸收物质对光吸收的一般规律光波入射到物质表面上，用透射法测定光通量的衰减时，发现通过路程dx的光通量变化dΦ与入射的光通量Φ和路程dx的乘积成正比，即式中，α称为吸收系数。如图1-8所示，利用初始条件x=0时，Φ=Φ0，解这个微分方程，可以找到通过x路程的光通量为可见，当光在物质中传播时，透过的能量衰减到原来能量的e-1时所透过的路程的倒数等于该物质的吸收系数α，即另外，根据电动力学理论，平面电磁波在物质中传播时，其电矢量和磁矢量都按指数规律exp(-ωμxc-1)衰减。乘积的实数部分应是辐射通量随传播路径x的变化关系。即式中，μ称为消光

2、系数。由此可以得出半导体的消光系数μ与入射光的波长无关，表明它对愈短波长的光吸收愈强。（1-29）（1-28）当不考虑反射损失时，吸收的光通量应为半导体对光的吸收在不考虑热激发和杂质的作用时，半导体中的电子基本上处于价带中，导带中的电子很少。当光入射到半导体表面时，原子外层价电子吸收足够的光子能量，越过禁带，进入导带，成为可以自由运动的自由电子。同时，在价带中留下一个自由空穴，产生电子-空穴对。如图1-9所示，半导体价带电子吸收光子能量跃迁入导带，产生电子空穴对的现象称为本征吸收。显然，发生本征吸收的条件是光子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg，才能使

3、价带EV上的电子吸收足够的能量跃入到导带底能级EC之上，即由此，可以得到发生本征吸收的光波长波限（1-30）（1-31）只有波长短于的入射辐射才能使器件产生本征吸收，改变本征半导体的导电特性。2.杂质吸收N型半导体中未电离的杂质原子（施主原子）吸收光子能量hv。若hv大于等于施主电离能ΔED，杂质原子的外层电子将从杂质能级（施主能级）跃入导带，成为自由电子。同样，P型半导体中，价带上的电子吸收了能量hv大于ΔEA（受主电离能）的光子后，价电子跃入受主能级，价带上留下空穴。相当于受主能级上的空穴吸收光子能量跃入价带。这两种杂质半导体吸收足够能量的光子，

4、产生电离的过程称为杂质吸收。显然，杂质吸收的长波限（1-32）（1-32）由于Eg>ΔED或ΔEA，因此，杂质吸收的长波长总要长于本征吸收的长波长（杂质吸收的波长阈值多在红外区或远红外区）。杂质吸收会改变半导体的导电特性，也会引起光电效应。3.激子吸收当入射到本征半导体上的光子能量hv小于Eg，或入射到杂质半导体上的光子能量hv小于杂质电离能（ΔED或ΔEA）时，电子不产生能带间的跃迁成为自由载流子，仍受原来束缚电荷的约束而处于受激状态。这种处于受激状态的电子称为激子。吸收光子能量产生激子的现象称为激子吸收。显然，激子吸收不会改变半导体的导电特性。4

5、.自由载流子吸收对于一般半导体材料，当入射光子的频率不够高时，不足以引起电子产生能带间的跃迁或形成激子时，仍然存在着吸收，而且其强度随波长增大而增强(表现为红外吸收)。这是由自由载流子在同一能带内的能级间的跃迁所引起的，称为自由载流子吸收。自由载流子吸收不会改变半导体的导电特性。5.晶格吸收晶格原子对远红外谱区的光子能量的吸收直接转变为晶格振动动能的增加，在宏观上表现为物体温度升高，引起物质的热敏效应。以上五种吸收中，只有本征吸收和杂质吸收能够直接产生非平衡载流子，引起光电效应。其他吸收都程度不同地把辐射能转换为热能，使器件温度升高，使热激发载流子运

6、动的速度加快，而不会改变半导体的导电特性。[半导体对光的吸收主要是本征吸收。对于硅材料，本征吸收的吸收系数比非本征吸收的吸收系数要大几十倍到几万倍，一般照明下只考虑本征吸收，可认为硅对波长大于1.15μm的可见光透明（室温下，杂质已全部电离）。载流子的产生与复合过剩载流子半导体的平衡态条件并不总能成立，如果某些外界因素作用于平衡态半导体上，比如，用光子能量hν≥Eg的光照射n型半导体，这时平衡态条件被破坏，样品就处于偏离平衡态的状态，称作非平衡态。1、非平衡态14载流子的产生价带中的电子跃迁到导带后会产生一个准自由电子和一个空穴，这个过程称为载流子的

7、产生过程。电子需要获取足够大的能量（由热激发、光照射或其它外界因素）产生率G（cm-3s-1）G与温度、光照等因素有关许多热敏、光敏器件的就是基于此工作原理。载流子数目增加15载流子的复合每一个被激发到导带的电子经过一段时间后都会重新回到价带的空量子态上，并因此导致一对准自由电子和空穴的消失，这个过程称为载流子的复合过程。复合将以热、辐射光子（LDLED）等方式释放能量复合率R（cm-3s-1）R∝电子浓度×空穴浓度复合需要1个空穴+1个准自由电子大多数发光器件发光的基于此原理。载流子数目减少非平衡载流子的产生1．光注入用波长比较短的光照射到半导体光

8、照∆n∆pnopo光照产生非平衡载流子2．电注入(通过半导体界面把载流子注入半导体，使热平衡受到破坏)光照前