半導體中的光吸收和光探測器課件.ppt

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1、半導體中的光吸收和光探測器1半導體中的光吸收理論2半導體中的本征吸收和其他光吸收3半導體光電探測器的材料和性能參數(shù)4半導體光電探測器半導體中的光吸收和光探測半導體對光的吸收機構大致可分為：①本征吸收；②激子吸收；③晶格振動吸收；④雜質吸收；⑤自由載流子吸收.參與光吸收躍遷的電子可涉及四種：①價電子；②內殼層電子；③自由電子；④雜質或缺陷中的束縛電子，(1)光吸收系數(shù)：半導體吸收光的機理主要有帶間躍遷吸收（本征吸收）、載流子吸收、晶格振動吸收等。吸收光的強弱常常采用描述光在半導體中衰減快慢的參量——吸收系數(shù)α來表示；若入射光強為I，光進入半導體中的距離為x，則定義：吸收系數(shù)的單位是

2、cm-1。1半導體中的光吸收理論(2)帶間光吸收譜曲線的特點：對于Si和GaAs的帶間躍遷的光吸收，測得其吸收系數(shù)a與光子能量hv的關系如圖1所示。這種帶間光吸收譜曲線的特點是：①吸收系數(shù)隨光子能量而上升；②各種半導體都存在一個吸收光子能量的下限（或者光吸收長波限——截止波長），并且該能量下限隨著溫度的升高而減?。唇刂共ㄩL增長）；③GaAs的光吸收譜曲線比Si的陡峭。為什么半導體的帶間光吸收譜曲線具有以上一些特點呢？——與半導體的能帶結構有關。(3)對帶間光吸收譜曲線的簡單說明：①因為半導體的帶間光吸收是由于價帶電子躍遷到導帶所引起的，則光吸收系數(shù)與價帶和導帶的能態(tài)密度有關。在

3、價帶和導帶中的能態(tài)密度分布較復雜,在自由電子、球形等能面近似下，能態(tài)密度與能量是亞拋物線關系，在價帶頂和導帶底附近的能態(tài)密度一般都很小，因此，發(fā)生在價帶頂和導帶底附近之間躍遷的吸收系數(shù)也就都很??；隨著能量的升高，能態(tài)密度增大，故吸收系數(shù)就相應地增大，從而使得吸收譜曲線隨光子能量而上升。但是由于實際半導體能帶中能態(tài)密度分布函數(shù)的復雜性，而且電子吸收光的躍遷還必須符合量子力學的躍遷規(guī)則——k選擇定則，所以就導致半導體光吸收譜曲線變得很復雜，可能會出現(xiàn)如圖1所示的臺階和多個峰值或谷值。②因為價電子要能夠從價帶躍遷到導帶，至少應該吸收禁帶寬度Eg大小的能量，這樣才能符合能量守恒規(guī)律，所以

4、就存在一個最小的光吸收能量——光子能量的下限，該能量下限也就對應于光吸收的長波限——截止波長：一些用于光電探測器的半導體的禁帶寬度、截止波長和帶隙類型，如下表所示。根據(jù)光吸收截止波長的這種關系，即可通過光吸收譜曲線的測量來確定出半導體的禁帶寬度。由于半導體禁帶寬度會隨著溫度的升高而減小，所以也將隨著溫度的升高而增長。③GaAs和Si的光吸收效率比較：直接躍遷帶隙的GaAs：GaAs的光吸收譜曲線上升得比較陡峭，這是由于GaAs具有直接躍遷能帶結構的緣故。在此，當價電子吸收了足夠能量的光子、從價帶躍遷到導帶時，由于它的價帶頂與導帶底都在布里淵區(qū)的同一點上（即kvmax=kcmin）

5、，則在躍遷時動量幾乎不會發(fā)生變化：同時能量守恒規(guī)律為：光子能量hv=Eg由于這種吸收光的直接躍遷既符合能量守恒、又符合動量守恒的規(guī)律，則這種光吸收的效率很高，使得光吸收系數(shù)將隨著光子能量的增加而快速增大，從而形成陡峭的光吸收譜曲線。這時，吸收系數(shù)與光子能量hv和禁帶寬度Eg之間的函數(shù)關系可以表示為式中的γ是常數(shù)。當光子能量降低到Eg時，吸收系數(shù)即減小到0，這就明確地對應于截止波長。間接躍遷帶隙的Si：Si的能帶結構是間接躍遷型的，kvmax≠kcmin，價電子躍遷時，就需要借助于聲子的幫助才能達到動量守恒。于是光吸收的動量守恒規(guī)律為：則光吸收的能量守恒規(guī)律為：這時，吸收系數(shù)與光子

6、能量hv和禁帶寬度Eg之間的函數(shù)關系可以表示為:a）間接躍遷的實現(xiàn)需要第三者（聲子）參與，因此光吸收效率要低于直接躍遷的光吸收，所以光吸收譜曲線的上升速度較慢；b）因為聲子的參與，最小的光吸收能量并不完全對應于禁帶寬度（多出了一個聲子能量Ep），因此光吸收的截止波長并不像直接帶隙半導體的那么明顯。不過，由于聲子能量非常?。‥p<0.1eV），所以最小的光吸收能量往往比較接近于禁帶寬度。（4）參考曲線：常見半導體的帶間光吸收譜曲線見圖2。IV族半導體屬間接躍遷能帶結構，它們的光吸收譜曲線較緩；而III-V族半導體屬直接躍遷能帶結構，它們的光吸收譜曲線都很陡峭。此外，半導體中載流子的

7、光吸收譜曲線一般都位于帶間光吸收譜曲線的截止波長以外。因為載流子光吸收是在能帶內部的各個能級之間躍遷，所以吸收的光子能量更小，吸收的光波長更長。2本征吸收和其他光吸收如果有足夠能量的光子作用到半導體上，價帶電子就有可能被激發(fā)到導帶而形成電子一空穴對。這樣的過程稱為本征吸收。第一章已經提到，這種受激本征吸收使半導體材料具有較高的吸收系數(shù)，有一連續(xù)的吸收譜，并在光子振蕩頻率?=Eg/h處有一陡峭的吸收邊，在?1.24/Eg)的區(qū)域內，材料是相當透明的。由于