1.91半导体对光的吸收

1.5半导体对光的吸收1.5.1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（1-63）xΦΦdd式中，α称为吸收系数。如图1-8所示，利用初始条件x=0时，解这个微分方程，可以找到通过x路程的光通量为（1-64）xΦΦe0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x1（1-65）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。)(jeecnxtcx0YEE)(j0eecnxtcxZHH（1-66）乘积的其实数部分应是辐射通量随传播路径x的变化关系。即cxΦΦ20e式中，μ称为消光系数。由此可以得出π42c（1-67）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。（1-68）普通玻璃的消光系数μ也与波长λ无关，因此，它们对短波长辐射的吸收比长波长强。当不考虑反射损失时，吸收的光通量应为)e1(00xΦΦΦΦ1.5.2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。d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（1-69）gEhvggL24.1EEhc（1-70）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，产生电离的过程称为杂质吸收。显然，杂质吸收的长波限DL24.1EAL24.1E（1-71）（1-72）由于EgΔED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.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。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，使热激发载流子运动的速度加快，而不会改变半导体的导电特性。1.6光电效应光与物质作用产生的光电效应分为内光电效应与外光电效应两类。内光电效应是被光激发所产生的载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象。而被光激发产生的电子逸出物质表面，形成真空中的电子的现象称为外光电效应。本节主要讨论内光电效应与外光电效应的基本原理。1.6.1内光电效应1.光电导效应光电导效应可分为本征光电导效应与杂质光电导效应两种，本征半导体或杂质半导体价带中的电子吸收光子能量跃入导带产生本征吸收，导带中产生光生自由电子，价带中产生光生自由空穴。光生电子与空穴使半导体的电导率发生变化。这种在光的作用下由本征吸收引起的半导体电导率的变化现象称为本征光电导效应。通量为Φe,λ的单色辐射入射到如图1-10所示的半导体上，波长λ的单色辐射全部被吸收，则光敏层单位时间所吸收的量子数密度Ne,λ应为bdlhΦNe,e,(1-73)光敏层每秒产生的电子数密度Ge为e,eNG（1-74）在热平衡状态下，半导体的热电子产生率Gt与热电子复合率rt相平衡。光敏层内电子总产生率应为热电子产生率Gt与光电子产生率Ge之和ttrNGGe,e（1-75）导带中的电子与价带中的空穴的总复合率R应为))((iifppnnKR（1-76）式中，Kf为载流子的复合几率，Δn为导带中的光生电子浓度，Δp为导带中的光生空穴浓度，ni与pi分别为热激发电子与空穴的浓度。同样，热电子复合率与导带内热电子浓度ni及价带内空穴浓度pi的乘积成正比。即iiftpnKr（1-77）在热平衡状态载流子的产生率应与复合率相等。即))((,eiifiifppnnKpnKN（1-78）在非平衡状态下，载流子的时间变化率应等于载流子的总产生率与总复合率的差。即))((dd,eiifiifppnnKpnKNtn)(,eiifnppnpnKN（1-79）下面分为两种情况讨论：（1）在微弱辐射作用下，光生载流子浓度Δn远小于热激发电子浓度ni，光生空穴浓度Δp远小于热激发空穴的浓度pi，并考虑到本征吸收的特点，Δn=Δp，式（1-79）可简化为)(dd,eiifpnnKNtn利用初始条件t=0时，Δn=0，解微分方程得)1(,eteNn（1-80）式中τ=1/Kf(ni+pi)称为载流子的平均寿命。由式（1-80）可见，光激发载流子浓度随时间按指数规律上升，当tτ时，载流子浓度Δn达到稳态值Δn0，即达到动态平衡状态,e0Nn（1-81）光激发载流子引起半导体电导率的变化Δσ为,eNqnq（1-82）式中，μ为电子迁移率μn与空穴迁移率μp之和。半导体材料的光电导g为,eNlbdqlbdg（1-83）可以看出，在弱辐射作用下的半导体材料的电导与入射辐射通量Φe,λ成线性关系。求导可得,2ddelhqg由此可得半导体材料在弱辐射作用下的光电导灵敏度Sg2,ddhclqgSeg（1-85）可见，在弱辐射作用下的半导体材料的光电导灵敏度为与材料性质有关的常数，与光电导材料两电极间的长度l的平方成反比。（2）在强辐射的作用下，Δnni，Δppi（1-79）式可以简化为2,eddnKNtnf利用初始条件t=0时，Δn=0，解微分方程得tKNnftanh21e,（1-86）式中，为强辐射作用下载流子的平均寿命。e,1NKf强辐射情况下，半导体材料的光电导与入射辐射通量间的关系为21,213eflKhbdqg（1-87）抛物线关系。进行微分得,21,213d21deeflKhbdqg（1-88）在强辐射作用的情况下半导体材料的光电导灵敏度不仅与材料的性质有关而且与入射辐射量有关，是非线性的。