半导体的光学性质.doc

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1、半导体的光学性质如果用适当波长的光照射半导体，那么电子在吸收了光子后将由价带跃迁到导带，而在价带上留下一个空穴，这种现象称为光吸收。半导体材料吸收光子能量转换成电能是光电器件的工作基础。光垂直入射到半导体表面时，进入到半导体内的光强遵照吸收定律：式中，表示距离表面x远处的光强；为入射光强；为材料表面的反射率；为材料吸收系数，与材料、入射光波长等因素有关。1本征吸收半导体吸收光子的能量使价带中的电子激发到导带，在价带中留下空穴，产生等量的电子与空穴，这种吸收过程叫本征吸收。要发生本征光吸收必须满足能量守恒定律，也就是被吸收光子的能量要大于禁带宽度，即

2、，从而有：其中h是普朗克常量，ν是光的频率．c是光速，ν0：材料的频率阈值，λ0：材料的波长阈值，下表列出了常见半导体材料的波长阀值。几种重要半导体材料的波长阈值电子被光激发到导带而在价带中留下一个空穴，这种状态是不稳定的，由此产生的电子、空穴称为非平衡载流子。隔了一定时间后，电子将会从导带跃迁回价带，同时发射出一个光子，光子的能量也由上式决定，这种现象称为光发射。光发射现象有许多的应用，如半导体发光管、半导体激光器都是利用光发射原理制成的，只不过其中非平衡载流子不是由光激发产生，而是由电注入产生的。发光管、激光器发射光的波长主要由所用材料的禁带宽

3、度决定，如半导体红色发光管是由GaP晶体制成，而光纤通讯用的长波长（1.5μm）激光器则是由GaxIn1-xAs或GaxIn1-xAsyP1-y合金制成的。1非本征吸收非本征吸收包括杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收和晶格吸收等。1.1杂质吸收杂质能级上的电子（或空穴）吸收光子能量从杂质能级跃迁到导带（空穴跃迁到价带），这种吸收称为杂质吸收。杂质吸收的波长阈值多在红外区或远红外区。1.2自由载流子吸收导带内的电子或价带内的空穴也能吸收光子能量，使它在本能带内由低能级迁移到高能级，这种吸收称为自由载流子吸收，表现为红外吸收。1.3激子吸收价带中的电子

4、吸收小于禁带宽度的光子能量也能离开价带，但因能量不够还不能跃迁到导带成为自由电子。这时，电子实际还与空穴保持着库仑力的相互作用，形成一个电中性系统，称为激子。能产生激子的光吸收称为激子吸收。这种吸收的光谱多密集与本征吸收波长阈值的红外一侧。1.4晶格吸收半导体原子能吸收能量较低的光子，并将其能量直接变为晶格的振动能，从而在远红外区形成一个连续的吸收带，这种吸收称为晶格吸收。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。不是所有的半导体都能发射光．例如：最常见的半导体硅和锗就不能发射光，这是由

5、它们的能带性质所决定的．它们的能带称为间接能带，电子从导带通过发射光跃迁到价带的几率非常小，而只能通过其它方式，如同时发射一个声子跃迁至价带．因此硅和锗这两种在微电子器件中已得到广泛应用的材料，却不能用作光电子材料．其它的Ⅲ-Ⅴ族化合物，如GaAs、InP等的能带大部分是直接能带，能发射光，因此被广泛用来制作发光管和激光器．目前科学家正在努力寻求能使硅发光的方法，例如制作硅的纳米结构、超晶格微结构，如果能够成功，则将使微电子器件、光电子器件都做在一个硅片上，能大大提高效率，降低成本，这称为光电集成。2半导体的光学性质有如下特点⑴　绝缘体的禁带宽度大

6、，纯净的离子晶体大致为几个电子伏特以上，三氧化二铝为9eV，氯化钠为8eV，所以从可见光到红外区不会发生光吸收，是透明的，但对紫外光不透明。⑵　掺杂后造成部分较低的局域能级，如Cr3＋有未充满的电子组态3d54s1，形成局域能级（1.7eV），可以吸收较高能量的光（蓝、绿光），造成氧化铝显红颜色。1例子1.1发光二极管发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区

7、注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如下图所示：PN结发光二极管示意图假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、价带中间附近而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比越大光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数微米以内产生。P－N结的辐射发光特点：⑴　受激发电子越过能隙（禁带）与空穴结合，会发生半导体

8、发光；⑵　N`型半导体导带中有电子，价带中无空穴，故不发光；⑶　P型半导体价带中有空穴，导带中无自由电子，也不发光；⑷　n