華南理工大學(xué)半導(dǎo)體物理第八章ppt課件

1、半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 物物 理理第八章第八章 半導(dǎo)體的光電性質(zhì)半導(dǎo)體的光電性質(zhì)及光電效應(yīng)及光電效應(yīng) 華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院 蔡蔡 敏敏 教授教授第八章 半導(dǎo)體的光電性質(zhì)及光電效應(yīng) 8.1 8.1 半導(dǎo)體的光學(xué)常數(shù)半導(dǎo)體的光學(xué)常數(shù) 8.2 8.2 半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收 8.3 8.3 半導(dǎo)體的光電導(dǎo)半導(dǎo)體的光電導(dǎo)半導(dǎo)體的光學(xué)常數(shù)半導(dǎo)體的光學(xué)常數(shù)一、半導(dǎo)體的光吸收系數(shù)一、半導(dǎo)體的光吸收系數(shù)光吸收：光子與半導(dǎo)體光吸收：光子與半導(dǎo)體中的微粒子相互作用而中的微粒子相互作用而引起的能量傳遞過程。引起的能量傳遞過程。光衰減過程可描述為：光衰減過程可描述為：)(xIdxdI解

2、得：解得：)exp()(0 xIxI光強(qiáng)光強(qiáng)I I：單位時(shí)間通過單位面積的光子數(shù)，即光子流密度。：單位時(shí)間通過單位面積的光子數(shù)，即光子流密度。 物理意義：光入射到半導(dǎo)體內(nèi)被吸收，使光強(qiáng)減小到原值物理意義：光入射到半導(dǎo)體內(nèi)被吸收，使光強(qiáng)減小到原值的的1/e時(shí)，光波所傳播的距離即是吸收系數(shù)的倒數(shù)。時(shí)，光波所傳播的距離即是吸收系數(shù)的倒數(shù)。所以，吸收系數(shù)為：所以，吸收系數(shù)為：k4ck22222k1nk1nR二、反射系數(shù)二、反射系數(shù)R R和透射系數(shù)和透射系數(shù)T Tadexp12RT 由電磁理論中麥克斯韋方程組可解得：由電磁理論中麥克斯韋方程組可解得：)2exp(0ckxIIR R為反射能流密度為反射能流

3、密度( (光強(qiáng)度光強(qiáng)度) )與入射能流密度之比與入射能流密度之比T T為透射能流密度與入射能為透射能流密度與入射能流密度之比，由圖可知：流密度之比，由圖可知：第八章 半導(dǎo)體的光電性質(zhì)及光電效應(yīng) 8.1 8.1 半導(dǎo)體的光學(xué)常數(shù)半導(dǎo)體的光學(xué)常數(shù) 8.2 8.2 半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收 8.3 8.3 半導(dǎo)體的光電導(dǎo)半導(dǎo)體的光電導(dǎo)一一. . 本征吸收本征吸收ghEg00chhEm24. 1g0E本征吸收的長波限：本征吸收的長波限：長波限關(guān)系式：長波限關(guān)系式： 價(jià)帶電子吸收光子能量后，由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶中，價(jià)帶電子吸收光子能量后，由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶中，這種光吸收過程稱為本征吸收。這種光吸收過程稱為

4、本征吸收。本征吸收條件：本征吸收條件：顯然，通過測(cè)量半導(dǎo)體材料的吸收光譜可以推算出顯然，通過測(cè)量半導(dǎo)體材料的吸收光譜可以推算出該材料的禁帶寬度。該材料的禁帶寬度。 本征吸收引起的電子帶間躍遷必須遵守能量和動(dòng)本征吸收引起的電子帶間躍遷必須遵守能量和動(dòng)量守恒定律。假如電子躍遷前處于量守恒定律。假如電子躍遷前處于k k狀態(tài)，能量為狀態(tài)，能量為E E，躍遷后處于躍遷后處于kk形狀，能量為形狀，能量為EE。由能量和動(dòng)量守恒定律可得：由能量和動(dòng)量守恒定律可得：EahhEkhhqhk光子動(dòng)量通常，通常， 光子的動(dòng)量比光子的動(dòng)量比 小得多，所以小得多，所以EhEkhhqhkahhhq躍遷前后能量改變?yōu)椋很S遷前

5、后能量改變?yōu)椋海? 1直接躍遷直接躍遷hEEE khhkkk躍遷前后動(dòng)量沒有改變：躍遷前后動(dòng)量沒有改變：（2 2間接躍遷間接躍遷躍遷前后能量改變?yōu)椋很S遷前后能量改變?yōu)椋篽EEE hqhkkh躍遷前后動(dòng)量改變?yōu)椋很S遷前后動(dòng)量改變?yōu)椋簈kk一個(gè)電子只吸收一個(gè)電子只吸收一個(gè)光子，不與一個(gè)光子，不與晶格交換能量。晶格交換能量。二二. . 其他吸收過程其他吸收過程（1 1激子吸收激子吸收電子和空穴互相束縛形成電子和空穴互相束縛形成一個(gè)新的電中性系統(tǒng)。一個(gè)新的電中性系統(tǒng)。特點(diǎn)：特點(diǎn)：* * Ehg* * 激子能在晶體中運(yùn)動(dòng)。激子能在晶體中運(yùn)動(dòng)。* * 激子消失形式：分別；復(fù)合激子消失形式：分別；復(fù)合* *

6、 激子是電中性的。激子是電中性的。（2 2自由載流子吸收自由載流子吸收（3 3雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收i0chE（4 4晶格吸收晶格吸收 電子在導(dǎo)帶中不同能級(jí)間的躍遷，或空穴電子在導(dǎo)帶中不同能級(jí)間的躍遷，或空穴在價(jià)帶中不同能級(jí)間的躍遷。在價(jià)帶中不同能級(jí)間的躍遷。雜質(zhì)能級(jí)上的電子雜質(zhì)能級(jí)上的電子( (或空穴或空穴) )吸收光子躍遷到導(dǎo)帶吸收光子躍遷到導(dǎo)帶( (或價(jià)帶或價(jià)帶) )能級(jí)中，稱為雜質(zhì)吸收。能級(jí)中，稱為雜質(zhì)吸收。所以吸收的長波限為：所以吸收的長波限為：光子能量直接轉(zhuǎn)換為晶格振動(dòng)能。光子能量直接轉(zhuǎn)換為晶格振動(dòng)能。第八章 半導(dǎo)體的光電性質(zhì)及光電效應(yīng) 8.1 8.1 半導(dǎo)體的光學(xué)常數(shù)半導(dǎo)體的光學(xué)常數(shù)

7、8.2 8.2 半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收 8.3 8.3 半導(dǎo)體的光電導(dǎo)半導(dǎo)體的光電導(dǎo)半導(dǎo)體的光電導(dǎo)半導(dǎo)體的光電導(dǎo)一一. . 光電導(dǎo)的描述光電導(dǎo)的描述暗電導(dǎo)率：暗電導(dǎo)率：p0n00pnqp0n0ppqnnqnp設(shè)光注入的附加載流子濃度分別為：設(shè)光注入的附加載流子濃度分別為： 和和半導(dǎo)體電導(dǎo)率為：半導(dǎo)體電導(dǎo)率為：由光照使半導(dǎo)體產(chǎn)生電子或空穴，引起半導(dǎo)體的由光照使半導(dǎo)體產(chǎn)生電子或空穴，引起半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加的現(xiàn)象稱光電導(dǎo)。電導(dǎo)率增加的現(xiàn)象稱光電導(dǎo)。附加光電導(dǎo)為：附加光電導(dǎo)為：)nq(pnp 實(shí)驗(yàn)證明，本征附加光電導(dǎo)往往是由其中一種光實(shí)驗(yàn)證明，本征附加光電導(dǎo)往往是由其中一種光生載流子生載流子(

8、(非平衡多子非平衡多子) )起決定性作用。這是因?yàn)榉瞧饹Q定性作用。這是因?yàn)榉瞧胶舛嘧佑休^長的自由存在時(shí)間，而非平衡少子往平衡多子有較長的自由存在時(shí)間，而非平衡少子往往被深雜質(zhì)能級(jí)陷阱住。往被深雜質(zhì)能級(jí)陷阱住。因此，對(duì)因此，對(duì)p p型半導(dǎo)體有：型半導(dǎo)體有：nppn對(duì)對(duì)n n型半導(dǎo)體有：型半導(dǎo)體有：附加光電導(dǎo)表示為：附加光電導(dǎo)表示為：附加光電導(dǎo)表示為：附加光電導(dǎo)表示為：ppq nnq 注：光照引起雜質(zhì)能級(jí)上的電子或空穴受激電離也注：光照引起雜質(zhì)能級(jí)上的電子或空穴受激電離也會(huì)產(chǎn)生附加光電導(dǎo)，但相對(duì)微弱。會(huì)產(chǎn)生附加光電導(dǎo)，但相對(duì)微弱。二二. . 定態(tài)光電導(dǎo)及其弛豫過程定態(tài)光電導(dǎo)及其弛豫過程（1 1直線

9、性光電導(dǎo)直線性光電導(dǎo) ( (小注入小注入- - 是定值是定值) ) 無外場作用時(shí)，光照下光生非平衡載流子濃度隨無外場作用時(shí)，光照下光生非平衡載流子濃度隨時(shí)間的變化率應(yīng)等于其產(chǎn)生率減去其復(fù)合率時(shí)間的變化率應(yīng)等于其產(chǎn)生率減去其復(fù)合率. .對(duì)非平衡電子：對(duì)非平衡電子： ntdttdnIn由初始條件由初始條件t t0 0， ，方程的特解為：，方程的特解為： nntexp1tIn0n定態(tài)光電導(dǎo)：穩(wěn)定光照下半導(dǎo)體所達(dá)到的穩(wěn)定光電導(dǎo)定態(tài)光電導(dǎo)：穩(wěn)定光照下半導(dǎo)體所達(dá)到的穩(wěn)定光電導(dǎo). .當(dāng)當(dāng) 時(shí)，光生載流子達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)，光生載流子達(dá)到穩(wěn)定值nsInpspIt同理：同理：光照穩(wěn)定狀態(tài)下的定態(tài)光電導(dǎo)為：光照穩(wěn)定狀態(tài)

10、下的定態(tài)光電導(dǎo)為：ppnnsq I這就是光照開始到穩(wěn)態(tài)，光生載流子的變化曲線。這就是光照開始到穩(wěn)態(tài)，光生載流子的變化曲線。假設(shè)假設(shè)pn光電導(dǎo)上升過程的函數(shù)表示式為：光電導(dǎo)上升過程的函數(shù)表示式為：直線性光電導(dǎo)：小注直線性光電導(dǎo)：小注入時(shí)，定態(tài)光電導(dǎo)與入時(shí)，定態(tài)光電導(dǎo)與光強(qiáng)成線性關(guān)系。光強(qiáng)成線性關(guān)系。texp1s光電導(dǎo)的馳豫現(xiàn)象：光照下光電導(dǎo)率逐漸上升和光照停上后光電導(dǎo)的馳豫現(xiàn)象：光照下光電導(dǎo)率逐漸上升和光照停上后光電導(dǎo)率逐漸下降的現(xiàn)象。光電導(dǎo)率逐漸下降的現(xiàn)象。利用初始條件利用初始條件: t=0, ;: t=0, ;可解得光生載流子濃度變化表示式為：可解得光生載流子濃度變化表示式為： 光照停止后非

11、平衡載流子產(chǎn)生率為零，非平衡載光照停止后非平衡載流子產(chǎn)生率為零，非平衡載流子的變化過程可描述為：流子的變化過程可描述為： ntdttdnnnsInn nsnntexptexptnIn同理可得到光電導(dǎo)變化過程的表達(dá)式：同理可得到光電導(dǎo)變化過程的表達(dá)式：texps（2 2拋物線性光電導(dǎo)拋物線性光電導(dǎo) ( ( 強(qiáng)注入強(qiáng)注入- - 不是定值不是定值 ) )不考慮復(fù)合中心和陷阱的情況下，非平衡載流子電子不考慮復(fù)合中心和陷阱的情況下，非平衡載流子電子只有直接復(fù)合，其復(fù)合率為：只有直接復(fù)合，其復(fù)合率為：200rprnnnU 2rdttdnIn在強(qiáng)注入下，光生載流子的變化符合下述方程：在強(qiáng)注入下，光生載流子的

12、變化符合下述方程：( (上升過程上升過程) ) 當(dāng)小注入時(shí)，復(fù)合率與非平衡載流子的濃度成正當(dāng)小注入時(shí)，復(fù)合率與非平衡載流子的濃度成正比，稱為單分子復(fù)合過程。比，稱為單分子復(fù)合過程。 當(dāng)強(qiáng)注入時(shí)，復(fù)合率與非平衡載流子的濃度的平當(dāng)強(qiáng)注入時(shí)，復(fù)合率與非平衡載流子的濃度的平方成正比，稱為雙分子復(fù)合過程。方成正比，稱為雙分子復(fù)合過程。利用初始條件：上升時(shí)：利用初始條件：上升時(shí)：t t0 0 ， ； 下降時(shí)：下降時(shí)：t t0 0 ， 。 trtanhrt2121IIn0nsnn 上升過程和下降過程的解分別為：上升過程和下降過程的解分別為： tr11rt2121IIn（上升過程）（上升過程）（下降過程）（下

13、降過程） 2rdttdnn（下降過程）（下降過程）對(duì)于上升過程的解，當(dāng)對(duì)于上升過程的解，當(dāng) 時(shí)，非平衡載流子時(shí)，非平衡載流子注入穩(wěn)定，其濃度定態(tài)值為：注入穩(wěn)定，其濃度定態(tài)值為：t21srIn 21srpI同理：同理：定態(tài)光電導(dǎo)可表示為：定態(tài)光電導(dǎo)可表示為：pn21sqrI拋物線性光電導(dǎo)：在強(qiáng)注入的條件下，半導(dǎo)體的定拋物線性光電導(dǎo)：在強(qiáng)注入的條件下，半導(dǎo)體的定態(tài)光電導(dǎo)與光強(qiáng)的平方根成正比。態(tài)光電導(dǎo)與光強(qiáng)的平方根成正比。（3 3光電導(dǎo)靈敏度及光電導(dǎo)增益光電導(dǎo)靈敏度及光電導(dǎo)增益光電導(dǎo)靈敏度：單位光照度所引起的光電導(dǎo)光電導(dǎo)靈敏度：單位光照度所引起的光電導(dǎo)sIns由由知，知， 越大越大( (弛豫時(shí)間越長

14、弛豫時(shí)間越長) )，則，則靈敏度越高。靈敏度越高。但弛豫時(shí)間越長，則代表對(duì)光信號(hào)的響應(yīng)就慢，實(shí)際但弛豫時(shí)間越長，則代表對(duì)光信號(hào)的響應(yīng)就慢，實(shí)際應(yīng)用必須兩者兼顧。應(yīng)用必須兩者兼顧。對(duì)光敏電阻來說，其結(jié)構(gòu)不同，產(chǎn)生不同的光電導(dǎo)效果。對(duì)光敏電阻來說，其結(jié)構(gòu)不同，產(chǎn)生不同的光電導(dǎo)效果。通常用光電導(dǎo)增益因子通常用光電導(dǎo)增益因子 表示光電導(dǎo)效應(yīng)的增強(qiáng)。表示光電導(dǎo)效應(yīng)的增強(qiáng)。G對(duì)于電極間距為對(duì)于電極間距為l,l,渡越時(shí)間：渡越時(shí)間：Vlnt2所以，所以，lVGnn2tnG 光電導(dǎo)光譜分布決定因素：光電導(dǎo)光譜分布決定因素：三三. . 本征光電導(dǎo)的光譜分布本征光電導(dǎo)的光譜分布（1 1半導(dǎo)體材料對(duì)不同的光波長的吸

15、收系數(shù)；半導(dǎo)體材料對(duì)不同的光波長的吸收系數(shù)；（2 2光被吸收后激發(fā)光生非平衡載流子的激光被吸收后激發(fā)光生非平衡載流子的激 發(fā)率發(fā)率, ,即量子產(chǎn)額；即量子產(chǎn)額；（3 3光生載流子的激發(fā)對(duì)其壽命的影響光生載流子的激發(fā)對(duì)其壽命的影響其中與吸收波長發(fā)生直接影響的就是吸收系數(shù)。其中與吸收波長發(fā)生直接影響的就是吸收系數(shù)。 光電導(dǎo)的光譜分布是指半導(dǎo)體材料的定態(tài)光電光電導(dǎo)的光譜分布是指半導(dǎo)體材料的定態(tài)光電導(dǎo)隨入射光波長的變化關(guān)系。它表征半導(dǎo)體光電材導(dǎo)隨入射光波長的變化關(guān)系。它表征半導(dǎo)體光電材料的一個(gè)重要特性。料的一個(gè)重要特性。幾種半導(dǎo)體材料本征光電導(dǎo)光譜分布幾種半導(dǎo)體材料本征光電導(dǎo)光譜分布等量子：對(duì)不同波長

16、的光子，在單位時(shí)間單位面積入等量子：對(duì)不同波長的光子，在單位時(shí)間單位面積入射的光子數(shù)相同。射的光子數(shù)相同。等能量：對(duì)不同波長的光子，在單位時(shí)間單位面積入等能量：對(duì)不同波長的光子，在單位時(shí)間單位面積入射光子的總能量相等。射光子的總能量相等。光電導(dǎo)光譜分布的特點(diǎn)：光電導(dǎo)光譜分布的特點(diǎn)：（1 1均在長波方面存在著光電導(dǎo)隨波長迅速下降均在長波方面存在著光電導(dǎo)隨波長迅速下降的現(xiàn)象同，這意味著本征吸收開始。曲線下降到一的現(xiàn)象同，這意味著本征吸收開始。曲線下降到一半時(shí)對(duì)應(yīng)的波長為長波以限。半時(shí)對(duì)應(yīng)的波長為長波以限。（2 2從長波限過渡到短波方面，光電導(dǎo)存在極大從長波限過渡到短波方面，光電導(dǎo)存在極大值甚至可能

17、出現(xiàn)很突出的尖峰，隨后又隨光波長值甚至可能出現(xiàn)很突出的尖峰，隨后又隨光波長的減少，光電導(dǎo)略有下降。的減少，光電導(dǎo)略有下降。（3 3不同的半導(dǎo)體材料由于禁帶寬度不同，本征光不同的半導(dǎo)體材料由于禁帶寬度不同，本征光電導(dǎo)的光譜分布在不同的波長范圍里。電導(dǎo)的光譜分布在不同的波長范圍里。四四. . 復(fù)合中心和陷阱對(duì)光電導(dǎo)的影響復(fù)合中心和陷阱對(duì)光電導(dǎo)的影響（1 1高阻光電材料中典型的復(fù)合中心對(duì)光電導(dǎo)的影響。高阻光電材料中典型的復(fù)合中心對(duì)光電導(dǎo)的影響。假設(shè)復(fù)合中心被陷的假設(shè)復(fù)合中心被陷的非平衡空穴濃度為：非平衡空穴濃度為：npnpt2n010tnnnrnnnprU 由由5.35.3解的間接復(fù)合理論，解的間接

18、復(fù)合理論，得到非平衡電子的復(fù)合率為：得到非平衡電子的復(fù)合率為：強(qiáng)注入時(shí)，由于強(qiáng)注入時(shí)，由于 ，非平衡電，非平衡電子復(fù)合率子復(fù)合率 ，遵循雙分子復(fù)合過程。，遵循雙分子復(fù)合過程。極強(qiáng)注入，極強(qiáng)注入， ，非平衡電子和，非平衡電子和非平衡空穴的復(fù)合率分別為：非平衡空穴的復(fù)合率分別為：小注入時(shí)，由于小注入時(shí)，由于 ，非平衡電子，非平衡電子復(fù)合率復(fù)合率 ，遵循單分子復(fù)合過程。，遵循單分子復(fù)合過程?？梢?，可見，01t0nnpnnnU01t0nnpn2nnU01t0nnppnnprtnnUpnrtppU和和非平衡電子和非平衡空穴都分別遵循單分子復(fù)合過程非平衡電子和非平衡空穴都分別遵循單分子復(fù)合過程（2 2復(fù)合中心和多數(shù)載流子陷阱的綜合作用復(fù)合中心和多數(shù)載流子陷阱的綜合作用對(duì)光電導(dǎo)的影響。對(duì)光電導(dǎo)的影響。（a a如果同時(shí)存在多數(shù)載流子陷阱，陷阱效應(yīng)對(duì)如果同時(shí)存在多數(shù)載流子陷阱，陷阱效應(yīng)對(duì)半導(dǎo)體光電導(dǎo)的弛豫時(shí)間有決定性的影響，延長半導(dǎo)體光電導(dǎo)的弛豫時(shí)間有決定性的影響，延長了光電導(dǎo)的上升和下降的弛豫時(shí)間，并且可使兩了光電導(dǎo)的上升和下降的弛豫時(shí)間，并且可使兩者很不相同。者很不相同。（b b如果同時(shí)存在多數(shù)載流子陷阱，可以使得如果同時(shí)存在多數(shù)載流子陷阱，可以使得在較強(qiáng)注入時(shí)也呈直線性的光電導(dǎo)。在較強(qiáng)注入時(shí)也呈直線性的光電導(dǎo)。（c c如果同時(shí)存在多數(shù)載流子陷阱，多數(shù)載流如果同時(shí)存在多數(shù)載流子陷阱，多