光电器件现代半导体器件物理与工艺

《光电器件现代半导体器件物理与工艺》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、光电器件现代半导体器件物理与工艺PhysicsandTechnologyofModernSemiconductorDevices2011,7,30本章内容辐射跃迁与光的吸收发光二极管半导体激光光探测器太阳能电池辐射跃迁光子和固体内的电子之间有三种主要的相互作用过程：吸收、自发辐射、受激辐射。如图为在一个原于内的两个能级E1和E2，其中E1相当于基态，E2相当于激发态，则在此两能态之间的任何跃迁，都包含了光子的辐射或吸收，此光子的频率为ν12，而hν12=E2-E1。室温下，固体内的大多数原子处于基态。此时若有一能量恰好等于hν12的光子撞击此系统，则原本处于基态的原子将会

2、吸收光子的能量而跑到激发态。这一过程称为吸收过程。辐射跃迁和光的吸收在激发态中的原子是很不稳定的，经过短暂的时间后，不需要外来的激发，它就会跳回基态，并放出一个能量为hν12的光子，这个过程即称为自发辐射[图(b)]。当一能量为hν12的光子撞击一原本在激发态的原子时[图c]，此原子被激发后，会转移到基态，并且放出一个与入射辐射同相位、能量为hν12的光子。这个过程即称为受激辐射。由受激辐射所造成的辐射是单色的，因为每一个光子具有的能量都是hν12。同时，此辐射也是相干的，因为所有的光子都是同相位发射。辐射跃迁和光的吸收发光二极管的主要工作过程是自发辐射，激光二极管则是受

3、激辐射，而光探测器和太阳能电池的工作过程则是吸收。设能级E1和E2的电子分布分别是n1和n2。在热平衡的条件下，若(E2-E1)＞3kT，根据玻尔兹曼分布其中负指数表示在热平衡时n2小于n1，即大多数的电子是处于较低的能级。在稳态时，受激辐射的速率(即单位时间内受激辐射跃迁的次数)和自发辐射的速率必须与吸收的速率达成平衡，以保持分布n1和n2不变。辐射跃迁和光的吸收受激辐射速率正比于光子场能量密度ρ(hν12)，此能量密度是在辐射场内单位体积、单位频率的总能量。因此，受激辐射速率可以写成B21n2ρ(hν12)。其中n2是较高能级的电子浓度，而B21则是比例常数。自发辐射

4、速率只和较高能级的分布成正比，因此可以写成A21n2，其中A21是常数。吸收速率则是正比于较低能级的电子分布及ρ(hν12)，此速率可以写成B12n1ρ(hν12)，其中B12是比例常数。因此在稳态时由受激辐射速率十自发辐射速率＝吸收速率可见得辐射跃迁和光的吸收欲使受激辐射大于自发辐射，必须要有很大的光子场能量密度ρ(hν12)。为了达到这样的密度，可以用一光学共振腔来提高光子场。假如光子的受激辐射大于光子的吸收，则电子在较高能级的浓度会大于在较低能级的浓度。这种情况称为分布反转，因其与平衡条件下的情况恰好相反。粒子数反转是激光产生的必要条件，有许多种方法可以得到很大的光

5、子场能量密度以达到分布反转。受激辐射远比自发辐射和吸收来得重要。辐射跃迁和光的吸收如图显示的是半导体中的基本跃迁．当半导体被光照射后，如果光子的能量等于禁带宽度(即hν=Eg)，则半导体会吸收光子而产生电子-空穴对，如(a)所示．若hν大于Eg，则除了会产生电子-空穴对之外，多余的能量(hν-Eg)将以热的形式耗散，如(b)所示。以上(a)与(b)的过程皆称为本征跃迁，或称为能带至能带的跃迁。另一方面，若hν小于Eg，则只有在禁带中存在由化学杂质或物理缺陷所造成的能态时，光子才会被吸收，如(c)所示，这种过程称为非本征跃迁。一般而言，以上所述在因果倒置时也是正确。光的吸收

6、辐射跃迁和光的吸收CEVEgE)(a)(b)(cuhtECEVEgE)(a)(b)(cuhtE假设半导体被一光子hν能量大于Eg且光子通量为Φ0(即每秒每平方厘米所具有的光子数)的光源照射，当此光子通量进入半导体时，光子被吸收的比例是与通量的强度成正比。因此，在一增量距离Δx[图(a)]内，被吸收的光子数目为αΦ(x)Δx，其中α称为吸收系数，由光子通量的连续性可得负号表示由于吸收作用，导致光于通量强度减少。代入边界条件，当x=0时，Φ(x)=Φ0可得上式的解为辐射跃迁和光的吸收当x＝W[图(b)]时，由半导体的另一端出射的光子通量为吸收系数α是hν的函数。右下图为几种应

7、用于光电器件的重要半导体的光吸收系数，其中以虚线表示的是非晶硅，它是制造太阳能电池的重要材料。在截止波长λc时，吸收系数会迅速地减小，亦即因为光的本征吸收在hνλc时变得微不足道辐射跃迁和光的吸收例1：一0.25μm厚的单晶硅样品被一能量为3eV的单色光照射，其入射功率为10mW。试求此半导体每秒所吸收的总能量、多余热能耗散到晶格的速率以及通过本征跃迁的复合作用每秒所放出的光子数。解：根据资料图知单晶硅的吸收系数为4×104cm-1，则每秒所吸收的能量为每一光子能量转换成热能的比例为因此，每秒耗散到品格的能量为62