第十章 半導體光學性質半導體光學性質是半導體物理性質最主要方面之一。半導體光電效應是各種光電器件基礎。光學方法是研究半導體能帶結構和檢測材料參數一個主要伎倆。1第1頁第十章 半導體光學性質●10.2 本征吸收●10.3 激子吸收和其它吸收過程●10.4

光電導●10.5 丹倍效應和光磁效應●10.6 光生伏特效應2第2頁光電效應：光電器件基礎；光學方法：研究能帶結構及特征參數伎倆。(10.11)(10.12)稱為吸收系數：物理意義：光在介質中傳輸距離為時，光強度衰減到原來。半導體吸收系數：p.293

角頻率為平面電磁波，沿固體中x方向傳輸時，電場強度：光強：3第3頁(10.11)

反射率與透射率關系：R：反射率T：透射率4第4頁§10.2 本征吸收一、光在電介質中傳輸時強度衰減現象，稱為光吸收電子吸收光子能量后將躍遷（即能量狀態改變）1、本征吸收：電子由價帶向導帶躍遷所引發光吸收。它是最主要吸收，又叫基本吸收。 本征吸收產生電子-空穴對，從而引發光電導。5第5頁2、本征吸收限：3、吸收譜：4、吸收邊：吸收限附近吸收譜。圖10.2InSb吸收譜吸收曲線在短波段陡峭上升，是半導體吸收譜一個突出特點,標志著本征吸收開始。6第6頁5、本征吸收：直接躍遷

間接躍遷7第7頁二、直接躍遷對于經典半導體（假定Eg≈1eV），引發本征吸收光子波長為：光子動量原子間距電子躍遷要求滿足兩個守恒：能量守恒，準動量守恒。8第8頁電子吸收光子產生躍遷時波矢保持不變（電子能量增加）。這就是電子躍遷選擇定則。為了滿足選擇定則，以使電子在躍遷過程中波矢保持不變，則原來在價帶中狀態A電子只能躍遷到導帶中狀態B。A與B在E(k)曲線上位于同一垂線上，因而這種躍遷稱為直接躍遷。在A到B直接躍遷中所吸收光子能量與圖因而從光吸收測量，也可求得禁帶寬度。中垂直距離AB相對應。顯然，對應于不一樣k，垂直距離各不相等。即，相當于任何一個k值不一樣能量光子都有可能被吸收，而吸收光子最小能量應等于禁帶寬度Eg。由此可見，本征吸收形成一個連續吸收帶，并含有一個長波吸收限：9第9頁理論計算可得：在直接躍遷中，對任何k值躍遷都是允許，則吸收系數與光子能量關系為：直接躍遷吸收系數與光子能量關系：直線0（10.42）(圖10.4，p300)10第10頁三、間接躍遷

電子、光子和聲子共同參加躍遷過程。間接帶隙半導體：Si,Ge,GaP能量守恒：動量守恒：間接帶間躍遷所包括光子能量依然靠近禁帶寬度聲子角頻率：光子角頻率：聲子波矢：光子波矢：11第11頁間接躍遷為一個二級過程（電子與光子作用，電子與聲子作用），所以其發生概率比直接躍遷小得多，對應吸收系數也小。吸收系數理論表示式為：12第12頁四、補充

1.直接帶隙半導體中，包括聲子發射和吸收間接躍遷也可能發生。主要是包括光學聲子，發射聲子過程，吸收應發生在直接躍遷吸收限短波一側。吸收聲子過程發生在吸收限長波一側，可使直接躍遷吸收邊不是陡峭地下降為零。 2.間接禁帶半導體中，仍可能發生直接躍遷。Ge吸收譜肩形結構解釋，P306，圖10.8。 3.重摻雜半導體（如n型），Ef進入導帶，低溫時，Ef以下能級被電子占據，價帶電子只能躍遷到Ef以上狀態，因而本征吸收長波限藍移，即伯斯坦移動(Burstein-Moss效應)。 4.強電場作用下，能帶傾斜，小于Eg光子可經過光子誘導隧道效應發生本征躍遷，既本征吸收長波限紅移，即弗朗茲-克爾德什（Franz-Keldysh）效應。13第13頁研究本征吸收意義：研究半導體本征吸收光譜，不但能夠依據吸收限決定禁帶寬度Eg，還有利于了解能帶復雜結構，也可作為區分直接帶隙和間接帶隙半導體主要依據。

14第14頁光吸收：光在電介質中傳輸時強度衰減現象，稱為光吸收上節課內容回顧直接躍遷：只有電子與光子作用，一級過程，電子躍遷前后波矢改變很小，能夠忽略，所以又稱為垂直躍遷。間接躍遷：電子和光子作用，電子和聲子作用，二級過程，電子躍遷前后波矢改變較大。光子和聲子動能與動量之比較：光子：動能大，動量極小；聲子：動能極小，動量大。不論是直接躍遷還是間接躍遷，都需要滿足：能量守恒動量守恒本征吸收：分為直接躍遷和間接躍遷。本征吸收限：直接帶隙半導體中，也存在間接躍遷，間接帶隙半導體中，也存在直接躍遷。15第15頁§10.3 激子吸收和其它吸收過程 比本征吸收限波長還長光子也能被吸收：激子吸收、自由載流子吸收和雜質吸收。一、激子吸收(exciton)1、光子能量hv<Eg，即使電子已從價帶激發，但還不足以進入導帶成為自由電子,因庫侖作用依然和價帶中留下空穴聯絡起來，形成束縛態，電子與空穴間這種束縛態，稱為激子。在激子態中，電子和空穴相對運動是局域化。但整體可自由運動，整體電中性，所以激子運動不產生電流。2、造成激子產生光吸收稱為激子吸收。3、Frenkel激子：緊束縛激子，電子-空穴形成電偶極矩。電子-空穴相互距離與晶格常數相仿。常出現在絕緣體和分子晶體中。Wannier激子：電子和空穴弱作用，之間距離遠大于晶格常數，可用類氫模型模擬，可遷移，常出現在半導體和絕緣體中。

激子消失：①激子自由電子和空穴；②激子復合光子或光子+聲子16第16頁4.激子能級激子運動：分為兩部分：類似于氫原子中電子與質子在相互庫侖引力作用下運動。忽略質心運動，由類氫模型，得激子能量（激子能級與導帶底距離）為：質心運動；電子與空穴相對運動。mr：電子和空穴折合有效質量EH：氫原子基態電子電離能激子束縛能：激子基態能級與導帶底之間能量差。激子能級。17第17頁5.激子吸收譜低溫時才能觀察到,第一個吸收峰對應光子能量為Eg-︱Eex1︳，n值變大，激子能級準連續，與本征吸收合并，室溫下，激子吸收峰完全被抹掉。二、自由載流子吸收當入射光波長較長，不足以引發帶間躍遷或形成激子時，半導體中依然存在光吸收(圖10.2)，原因：自由載流子吸收：自由載流子在同一能帶內躍遷引發吸收.吸收譜在本征吸收限長波一側，吸收系數隨波長增加而增大。激子能級激子吸收譜圖10.918第18頁②極性光學波散射：n≈2.5；③電離雜質散射：n≈3～3.5。假如以上散射機構同時存在，則吸收相加。自由載流子吸收是二級過程（伴隨光子和聲子）自由載流子吸收是它們在同一帶內由低能態向高能態躍遷引發，必定伴隨準動量改變。它是吸收光子引發躍遷，但光子動量很小，則只有經過吸收或發射聲子，或經電離雜質中心散射作用，才能滿足動量守恒。E~k關系導帶中自由電子躍遷①聲學波散射，長波高溫時，n=2；低溫、短波時，n=1.5。

19第19頁自由載流子躍遷另一個類型：子帶間躍遷：吸收譜有顯著精細結構P型半導體，價帶頂被空穴占據時，引發光吸收三種過程：圖10.12(P312，圖10.13)

20第20頁因為束縛態沒有一定準動量，則電子或空穴在上述躍遷后狀態波矢不受限制，能夠躍遷到導帶或價帶任意能級。三、雜質吸收

占據雜質能級電子或空穴躍遷所引發光吸收。1.中性雜質吸收：

過程I：吸收光子后，中性施主上電子能夠從基態躍遷到導帶；或中性受主上空穴從基態躍遷到價帶。

普通情況下，電子躍遷到導帶中越高能級，或空穴躍遷到價帶越低能級，躍遷幾率越小。所以，對應吸收譜主要集中在吸收限EI附近吸收帶。對于通常淺能級雜質，電離能EI很小，

中性雜質吸收譜出現在遠紅外區。

21第21頁

所吸收光子能量＝激發態能量－基態能量吸收光譜為線狀譜，不連續。

（圖10.15)過程II：中性施主上電子或中性受主上空穴，由基態躍遷到激發態，引發光吸收。

深能級中性雜質吸收譜在淺能級中性雜質吸收譜高能側。深能級雜質EI(DL)>EI(SL)，則：22第22頁2.電離雜質吸收:電離施主上空穴或電離受主上電子，能夠吸收光子躍遷到價帶或導帶。

特征：對于淺施主或淺受主，這種躍遷對應光子能量與禁帶寬度靠近，將在本征吸收限低能一側引發光吸收，形成連續譜。（圖10.16)吸收閾值：對于淺雜質，通常Eg-EI>EI，則：電離雜質吸收譜在中性雜質吸收譜高能側。23第23頁四、晶格振動吸收

遠紅外區，光子與晶格振動相互作用引發光吸收。吸收機理：紅外高頻光波電場，使離子晶體正負離子沿相反方向移動激發長光學波振動交變電偶極矩其與電磁場相互作用，造成光吸收。晶格振動吸收，在離子晶體、極性半導體中較顯著；在元素半導體中，不存在固有電極矩偶，但也能觀察到晶格振動吸收較弱。實際上，這是一個二級效應，即，紅外光電場感應產生電偶極矩，它反過來又與電場耦合，引發光吸收。24第24頁五種光吸收過程：1、本征吸收2、激子吸收3、自由載流子吸收4、雜質吸收5、晶格振動吸收上節課內容回顧25第25頁1、本征吸收：電子帶－帶躍遷引發光吸收。分為直接躍遷和間接躍遷上節課內容回顧直接躍遷：只有電子與光子作用，一級過程，電子躍遷前后波矢改變很小，能夠忽略，所以又稱為垂直躍遷。間接躍遷：電子和光子作用，電子和聲子作用，二級過程，電子躍遷前后波矢改變較大。引發吸收能量閾值：Eg吸收譜：為連續譜，在吸收譜高能側（短波側）。26第26頁2、激子吸收：電子吸收小于Eg光子，形成激子，引發光吸收。激子能級：為激子中電子能量位置，n個，n=1為基態能級。激子束縛能：激子基態能級與導帶底之間能量差。上節課內容回顧exciton吸收譜：為分立譜（線狀譜），能量分布略低于本征吸收譜，在本征吸收限長波一側，在低溫能夠測到。引發吸收能量閾值：Eg－27第27頁3、自由載流子吸收：自由載流子吸收小于Eg光子，在同一能帶內躍遷，引發光吸收。吸收過程：吸收光子＋吸收或釋放聲子。（存在子帶間躍遷：基態－激發態躍遷，形成線狀譜）上節課內容回顧吸收譜：在本征吸收限長波一側，吸收系數隨波長增加而增大。吸收系數與散射機制相關。28第28頁4、雜質吸收：占據雜質能級電子或空穴躍遷所引發光吸收。上節課內容回顧a.中性雜質吸收：光吸收使雜質電離；吸收能量閾值為EIb.電離雜質吸收：光吸收使電離雜質恢復中性狀態；吸收能量閾值為Eg－EI吸收譜：在本征吸收限長波一側，均形成連續譜。對于淺雜質，通常Eg-EI>EI，則：電離雜質吸收譜在中性雜質吸收譜高能側.深能級中性雜質吸收譜在淺能級中性雜質吸收譜高能側.深能級雜質EI(DL)>EI(SL)，則：29第29頁上節課內容回顧5、晶格振動吸收：

光子與晶格振動相互作用引發光吸收。吸收過程：吸收光子＋吸收或釋放聲子。吸收譜：遠紅外區。30第30頁一、附加電導率：光電導§10.4 光電導1.光照射半導體，使其電導率改變現象為光電導效應。 包含以下過程信息：光吸收；載流子激發與遷移；復合與陷阱效應。

認為μn是一致，μp也是一致。（1）本征光電導：本征吸收引發載流子數目改變。（2）雜質光電導：雜質吸收引發載流子數目改變。（3）帶內光電導：載流子吸收引發載流子遷移率改變，但不引發載流子數目改變。31第31頁光照產生非平衡載流子，開始時它們能量比平衡載流子平均能量高，或者說這些載流子分布不一樣于平衡分布。但經過極短時間，經過和晶格碰撞，它們把多出能量傳遞給晶格，使本身能量對應于平衡分布。所以，非平衡載流子在其存在大部分時間內，與平衡載流子遷移率相同。認為μn是一致，μp也是一致。WHY?32第32頁本征光電導33第33頁二、定態光電導及其弛豫過程1.定態光電導：恒定光照下，到達穩定態光電導；2.光電導弛豫：光照光電導率逐步增加穩定；停頓光照后光電導率逐步下降消失。光電導弛豫反應了光生載流子積累和消失過程。34第34頁3.I：光強（單位時間，經過單位面積光子數），設強度為I光均勻地垂直照射到樣品表面，α為吸收系數，,則吸收一個光子產生載流子數目假如I是以光子數表示光強(即單位時間經過單位面積光子數)，則單位時間，在單位體積中吸收光子數為.對應于上升曲線對應于下降曲線35第35頁（圖10.17）（有光照：）（停頓光照：）36第36頁光電導馳豫代表光電導對于光強改變反應快慢。通常引入馳豫時間來表征光電導上升和下降所需時間長短，弛豫時間定義為上升和下降到定態值二分之一所用時間，對于小注入，為；對于大注入，為。討論：定態光電導線性光電導：(與光強成正比)拋物線性光電導：(與光強平方根成正比)

定態光電導越大，光敏電阻靈敏度越高。線性光電導中，越大，定態值越大，則光敏電阻靈敏度越高。但對于高頻信號，馳豫時間必須足夠短，光電導才能跟上光信號改變。所以，實際應用中，既要靈敏度高，又要馳豫時間短，則需要選擇適當材料來制作器件。37第37頁四、陷阱效應及其對光電導影響半導體中雜質和缺點在禁帶中形成能級，它們作用除了起施主、受主和復合中心作用外，還能引發陷阱效應。在熱平衡情況下，每種雜質能級上都有一定數目標電子，經過電子俘獲和激發過程與能帶之間保持平衡。當半導體處于非平衡態時，這種平衡遭到破壞，引發雜質能級上電子數目標改變。若電子增加了，則說明該能級能收容一部分電子；若電子降低了，則能夠看成該能級收容了空穴。非平衡載流子注入將使Nt上電子數改變38第38頁1.陷阱效應：雜質或缺點能級對某一個非平衡載流子顯著積累作用。（所俘獲非平衡載流子數目能夠與導帶或價帶中非平衡載流子數目相比擬） 含有顯著陷阱效應雜質能級，稱為陷阱，對應雜質或缺點稱為陷阱中心。39第39頁考慮到陷阱能級對電子和空穴俘獲與激發過程，穩定時由電子凈復合率=空穴凈復合率可得：可見，此時雜質對非平衡載流子沒有顯著陷阱效應。而實際上，有時cn，cp經常相差很大。（P214,7.198式）(10.90)40第40頁若，陷阱俘獲一個電子后，極難再俘獲一個空穴引發復合，這種陷阱就是電子陷阱。則若，陷阱為空穴陷阱。(1)、(2)、設，(10.90)式中略去含Cp項，有：41第41頁n0若為多子，通常Nt<<n0，陷阱效應不顯著；n0若為少子，假如Nt>n0，陷阱效應顯著。實際陷阱問題大都是少數載流子陷阱效應。42第42頁設半導體為N型，在禁帶中除了復合中心能級以外，還存在少數載流子陷阱能級。3.陷阱對穩態光電導影響：43第43頁陷阱中空穴：44第44頁陷阱作用1：陷阱作用使得過剩多子濃度比無陷阱時高出許多倍45第45頁陷阱作用3：陷阱使多子穩態壽命比少子大得多。46第46頁陷阱存在增大了光電導上升和下降弛豫時間，光電導上升（要填充陷阱能級）；光電導衰減（陷阱中載流子遲緩釋放）。

陷阱作用4：對光電導衰減影響：

以電子陷阱為例：電子被陷阱俘獲后，基本上不能直接與空穴復合，它們必須先被激發到導帶，然后才能經過復合中心復合。電子被激發到導帶之前在陷阱中平均存在時間，普通比導帶電子壽命要長得多，所以：47第47頁圖10.20詳細分析P型硅光電導衰減在P型硅中存在深、淺兩種陷阱，開始時兩種陷阱都基本飽和，即陷阱基本上被電子填滿，導帶中還有相當數量非平衡電子。 圖中1，2，3三部分分別對應于導帶中電子、淺陷阱中電子和深陷阱中電子衰減。48第48頁紅外淬滅：在激發本征光電導同時，用適當波長紅外光照射半導體樣品，可能造成光電導顯著下降，這種現象稱為紅外淬滅。陷阱效應原因：在無