1、1,8.1 半導(dǎo)體的光電導(dǎo) 8.2 光生伏特效應(yīng) 8.3 半導(dǎo)體發(fā)光,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2),2,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 9.1 半導(dǎo)體硅材料,半導(dǎo)體的光電導(dǎo),光吸收使半導(dǎo)體中形成非平衡載流子；而載流子濃度的增大必然使樣品電導(dǎo)率增大。這種由光照引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率增大的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。,本征光電導(dǎo)：本征吸收引起載流子數(shù)目變化。 雜質(zhì)光電導(dǎo)：雜質(zhì)吸收引起載流子數(shù)目變化。,3,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.1 半導(dǎo)體的光電導(dǎo),無光照時，半導(dǎo)體樣品的（暗）電導(dǎo)率,在整個光電導(dǎo)過程中，光生電子與熱平衡電子具有相同的遷移率。因此，光照下樣品的電導(dǎo)

2、率,熱平衡時,(1) 附加電導(dǎo)率,因為,4,光照引起的附加電導(dǎo)率（光電導(dǎo)）,光電導(dǎo)的相對值,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.1 半導(dǎo)體的光電導(dǎo),5,從上式可看出，要制得相對光電導(dǎo)高的光敏電阻（ ），應(yīng)該使n0和p0有較小數(shù)值（ ）。因此光敏電阻一般由高阻材料制成或在低溫下使用。,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.1 半導(dǎo)體的光電導(dǎo),6,雖然在本征光電導(dǎo)中， ，但是由于陷阱效應(yīng)，只有其中一種光生載流子（一般是多數(shù)載流子）對附加電導(dǎo)率有貢獻。,除本征光電導(dǎo)外，光照也產(chǎn)生雜質(zhì)光電導(dǎo)。但是和本征光電導(dǎo)相比，雜質(zhì)光電導(dǎo)是很微弱的。,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2)

3、 8.1 半導(dǎo)體的光電導(dǎo),7,定態(tài)光電導(dǎo)是指在恒定光照下產(chǎn)生的光電導(dǎo)。,設(shè) I 表示以光子數(shù)計算的光強度， 為樣品吸收系數(shù)，根據(jù),（2） 定態(tài)光電導(dǎo)及其弛豫過程,等于單位體積內(nèi)光子的吸收率, 定態(tài)光電導(dǎo),8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.1 半導(dǎo)體的光電導(dǎo),8,式中代表每吸收一個光子產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)，稱為量子產(chǎn)額。,設(shè)在某一時刻開始以光強 I 的光照射半導(dǎo)體表面，假設(shè)除激發(fā)過程外，不存在其他任何過程，則經(jīng)過 t 秒后，光生載流子的濃度為：,從而，電子-空穴對的產(chǎn)生率可定義為,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.1 半導(dǎo)體的光電導(dǎo),9,但事實上，由于光激發(fā)的同時還存

4、在復(fù)合過程，因此，光生載流子濃度隨時間的變化為非直線上升，如圖7-18實線所示，最后達到一穩(wěn)定值ns ，這時附加電導(dǎo)率 也達到穩(wěn)定值 ，這就是定態(tài)光電導(dǎo)。達到定態(tài)光電導(dǎo)時，電子-空穴對的復(fù)合率等于產(chǎn)生率。,即光生載流子濃度隨時間線性增大。如圖7-18虛線所示。,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.1 半導(dǎo)體的光電導(dǎo),10,從而定態(tài)光電導(dǎo)率,設(shè)光生電子和空穴的壽命分別為 和 ，則定態(tài)光生載流子的濃度：,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.1 半導(dǎo)體的光電導(dǎo),11,當光照停止后光電導(dǎo)也是逐漸地消失。這種在光照下光電導(dǎo)率逐漸上升和光照停止后光電導(dǎo)率逐漸下降的現(xiàn)象，稱為光電導(dǎo)的

5、弛豫現(xiàn)象或叫做光電導(dǎo)的弛豫過程。, 光電導(dǎo)的弛豫過程,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.1 半導(dǎo)體的光電導(dǎo),12,光電導(dǎo)的光譜分布，就是指對應(yīng)于不同的波長，光電導(dǎo)響應(yīng)靈敏度的變化關(guān)系。一般以波長為橫坐標，以相等的入射光能量（或相等的入射光子數(shù)）所引起的光電導(dǎo)相對大小為縱坐標，就得到光電導(dǎo)光譜分布曲線。,（3）本征光電導(dǎo)的光譜分布,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.1 半導(dǎo)體的光電導(dǎo),13,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.1 半導(dǎo)體的光電導(dǎo),14,除了本征吸收限外，本征光電導(dǎo)分布長波限也可用來測量半導(dǎo)體禁帶寬度。,“等量子“和“等能量”的區(qū)別：,一般說

6、，本征光電導(dǎo)的光譜分布都有一個長波限（有時也稱為“截止”波長）。一般選定光電導(dǎo)下降到峰值的1/2的波長為長波限。,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.1 半導(dǎo)體的光電導(dǎo),15,“等量子”，是指對不同的波長，以光子數(shù)計的光強是相同的，也就是說，光電導(dǎo)的測量是在相等的光子流下進行的； “等能量” 是指不同波長光強的能量流是相同的。 對于較短的波（每個光子能量較高），雖然能量與長波時相等，實際上包含的光子數(shù)比長波時少。,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.1 半導(dǎo)體的光電導(dǎo),16,對于雜質(zhì)半導(dǎo)體，光照使束縛于雜質(zhì)能級上的電子或空穴電離，因而增加了導(dǎo)帶或價帶的載流子濃度，產(chǎn)生雜

7、質(zhì)光電導(dǎo)。 和本征光電導(dǎo)相比，雜質(zhì)光電導(dǎo)是十分微弱的。同時，所涉及到的能量都在紅外光范圍，激發(fā)光實際上不可能很強。,（4）雜質(zhì)光電導(dǎo),8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.1 半導(dǎo)體的光電導(dǎo),17,測量雜質(zhì)光電導(dǎo)一般都必須在低溫下進行，以保證平衡載流子濃度很小，使雜質(zhì)中心上的電子或空穴基本上都處在束縛狀態(tài)。 例如對電離能為0.01ev的雜質(zhì)能級，必須采用液氦低溫；對于較深的雜質(zhì)能級，可以在液氮溫度下進行。（液氦和氮溫度分別為4.2K和77K）。,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.1 半導(dǎo)體的光電導(dǎo),18,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.2 光生伏特效應(yīng),

8、當用適當波長的光照射非均勻半導(dǎo)體（p-n結(jié)等）時，由于內(nèi)建電場的作用（不加外電場），半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動勢（光生電壓）；如將p-n結(jié)短路，則會出現(xiàn)電流（光生電流）。這種由內(nèi)建電場引起的光電效應(yīng)稱為光生伏特效應(yīng)。,光生伏特效應(yīng),19,（1） p-n結(jié)光生伏特效應(yīng),用適當波長的光垂直照射p-n結(jié)面 能量大于禁帶寬度的光子，由本征吸收在結(jié)的兩邊產(chǎn)生電子空穴對,在光激發(fā)下，多數(shù)載流子濃度一般改變很小，而少數(shù)載流子濃度卻變化很大，因此應(yīng)主要研究光生少數(shù)載流子的運動。,光生少數(shù)載流子在內(nèi)建電場作用下，n區(qū)空穴向p區(qū)運動，p區(qū)電子向n區(qū)運動；,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.2 光生伏特效應(yīng),

9、20,在n區(qū)聚積負電荷，p區(qū)聚積正電荷，于是n區(qū)和p區(qū)之間出現(xiàn)電位差，這就是p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)。,由于光照在p-n結(jié)兩端產(chǎn)生光生電動勢，相當于在p-n結(jié)兩端加正 向電壓V，使勢壘降低 為 ，產(chǎn)生正 向電流IF 。如圖7-22,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.2 光生伏特效應(yīng),21,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.2 光生伏特效應(yīng),22,RL,+,-,V,p,n,E,（2） 光電池的電流電壓特性,光電池工作時，共有三股電流：,光生電流IL：由于光照產(chǎn)生的載流子在p-n結(jié)內(nèi)各自向相反的方向運動而產(chǎn)生。,正向電流IF ：由于光照在p-n結(jié)兩端產(chǎn)生光生電動勢V 。,

10、流經(jīng)外電路的的電流I,其中IL和IF流經(jīng)p-n結(jié)內(nèi)部，但方向相反。,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.2 光生伏特效應(yīng),23,通過結(jié)的正向電流IF,其中，V是光生電壓， Is是反向飽和電流,光生電流IL,其中， A是p-n結(jié)面積，q是電子電量， 表示在結(jié)的擴散長度 內(nèi)非平衡載流子的平均產(chǎn)生率。,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.2 光生伏特效應(yīng),24,如果電池與負載電阻接成通路，通過負載的電流為,這就是負載電阻上電流與電壓的關(guān)系，也就是光電池的伏安特性，其曲線如下圖。,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.2 光生伏特效應(yīng),25,無光照時,有光照時,8 固

11、體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.2 光生伏特效應(yīng),26,根據(jù),開路電壓,p-n結(jié)在開路情況下，兩端的電壓即為開路電壓 。 這時I=0， IL = IF ，開路電壓為,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.2 光生伏特效應(yīng),27,將p-n結(jié)短路（ V =0），因而IF =0，這時所得的電流為短路電流Isc 。,短路電流,根據(jù),Voc和Isc是光電池的兩個重要參數(shù)。,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.2 光生伏特效應(yīng),28,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.2 光生伏特效應(yīng),29,兩者都隨光照強度的增強而增大；不同的是Isc隨光照強度線性上升，而Vo

12、c則成對數(shù)式增大。 當光生電壓Voc增大p-n結(jié)勢壘消失時，光生電壓達到最大。最大光生電壓Vmax等于p-n結(jié)勢壘高度VD 。,Voc和Isc的變化規(guī)律,光生伏特效應(yīng)最重要的應(yīng)用之一，是將太陽的輻射能量直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芗刺柲茈姵亍?8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.2 光生伏特效應(yīng),30,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.3 半導(dǎo)體發(fā)光,半導(dǎo)體發(fā)光,電子從高能級向低能級躍遷，伴隨著發(fā)射光子。這就是半導(dǎo)體的發(fā)光現(xiàn)象。 產(chǎn)生光子發(fā)射的主要條件是系統(tǒng)必須處于非平衡狀態(tài)，即半導(dǎo)體內(nèi)必須要有某種激發(fā)過程存在，通過非平衡載流子的復(fù)合，才能形成發(fā)光。 本節(jié)主要討論半導(dǎo)體的電致發(fā)光

13、（場致發(fā)光），它是由電場激發(fā)載流子，使電能直接轉(zhuǎn)換為光能的過程。,31,從高能量狀態(tài)到較低能量狀態(tài)的電子躍遷過程，主要有一下幾種： 有雜質(zhì)或缺陷參與的躍遷：,（1） 輻射躍遷,導(dǎo)帶電子躍遷到未電離的受主能級，與受主能級上的空穴復(fù)合,中性施主能級上的電子躍遷到價帶，與價帶中空穴復(fù)合,中性施主能級上的電子躍遷到中性受主能級，與受主能級上的空穴復(fù)合,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.3 半導(dǎo)體發(fā)光,32,帶與帶之間的躍遷：,導(dǎo)帶底的電子直接躍遷到價帶頂部，與空穴復(fù)合,導(dǎo)帶熱電子躍遷到價帶頂與空穴復(fù)合,導(dǎo)帶底的電子躍遷到價帶與熱空穴復(fù)合,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.3

14、 半導(dǎo)體發(fā)光,33,熱載流子在帶內(nèi)躍遷。,電子從高能級向低能級躍 遷時，必然釋放一定的能量。 如果躍遷過程伴隨放出光子， 這種躍遷稱為輻射躍遷。不發(fā) 射光子的稱為無輻射躍遷。 以上例舉的各種躍遷過程并非都能在同一材料和在相同條件下同時存在。作為半導(dǎo)體發(fā)光材料，必須是輻射躍遷占優(yōu)勢。,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.3 半導(dǎo)體發(fā)光,34, 本征躍遷,導(dǎo)帶的電子躍遷到價帶，與價帶空穴相復(fù)合，伴隨著發(fā)射光子，稱為本征躍遷。它是本征吸收的逆過程。,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.3 半導(dǎo)體發(fā)光,35,直接帶隙半導(dǎo)體 本征躍遷為直接躍遷。由于直接躍遷的發(fā)光過程只涉及一個電

15、子空穴對和一個光子，其輻射效率較高。,直接帶隙半導(dǎo)體是常用的發(fā)光材料。,發(fā)射光子的能量：,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.3 半導(dǎo)體發(fā)光,36,間接帶隙半導(dǎo)體： 本征躍遷為間接躍遷。在間接躍遷過程中，除了發(fā)射光子外，還有聲子參與。因此，這種躍遷比直接躍遷的幾率小得多。,硅、鍺都是間接帶隙半導(dǎo)體，他們的發(fā)光比較微弱。,發(fā)射光子的能量：,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.3 半導(dǎo)體發(fā)光,37, 非本征躍遷,電子從導(dǎo)帶躍遷到雜質(zhì)能級，或雜質(zhì)能級上的電子躍遷入價帶，或電子在雜質(zhì)能級之間的躍遷，都可以引起發(fā)光。這種躍遷稱為非本征躍遷。對間接帶隙半導(dǎo)體，本征躍遷是間接躍遷，幾

16、率很小。這時，非本征躍遷起主要作用。,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.3 半導(dǎo)體發(fā)光,38,以施主與受主的躍遷為例,當電子從施主能級向受主能級躍遷時，如果沒有聲子參與，發(fā)射光子的能量,式中， ED和EA分別代表施主和受主的束縛能，r 是母晶體的相對介電常數(shù)。,施主和受主雜質(zhì)之間的庫侖力,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.3 半導(dǎo)體發(fā)光,39,從上式可看出r較小時，相當于比較鄰近的雜質(zhì)原子之間的躍遷，得到分列的譜線。 隨著r的增大，發(fā)射譜線越來越接近，最后出現(xiàn)一發(fā)射帶。當r相當大時，電子從施主向受主完成輻射躍遷所需穿過的距離也越大，因此發(fā)射隨雜質(zhì)距離的增大而減小。

17、一般感興趣的是比較鄰近的雜質(zhì)對之間的輻射躍遷過程。,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.3 半導(dǎo)體發(fā)光,40,電子躍遷過程中，除了發(fā)射光子的輻射躍遷外，還存在無輻射躍遷。,（2） 發(fā)光效率,電子從高能級向低能級躍遷時，可以將多余的能量傳給第三個載流子，使其受激躍遷到更高的能級，這是所謂俄歇過程。,無輻射復(fù)合過程中，能量釋放機理：,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.3 半導(dǎo)體發(fā)光,41,電子和空穴復(fù)合時，也可以將能量轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝幽芰浚@就是伴隨著發(fā)射聲子的無輻射復(fù)合過程。,發(fā)光過程中同時存在輻射復(fù)合和無輻射復(fù)合。發(fā)光效率取決于非平衡載流子的輻射復(fù)合壽命 和無輻射復(fù)合壽

18、命 的相對大小。,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.3 半導(dǎo)體發(fā)光,42,可見，只有當 時，才能獲得有效的光子發(fā)射。,通常用內(nèi)部量子效率內(nèi)和外部量子效率外，來表示發(fā)光效率。,用 和 來表示內(nèi),8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.3 半導(dǎo)體發(fā)光,43,輻射復(fù)合所產(chǎn)生的光子并不是全部都能離開晶體向外發(fā)射。因此引入外部量子效率外，來描述半導(dǎo)體材料的總有效發(fā)光效率。,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.3 半導(dǎo)體發(fā)光,44,為了使半導(dǎo)體材料具有實用發(fā)光價值，不但要選擇內(nèi)部量子效率高的材料，并且要采取適當?shù)拇胧?，以提高其外部量子效率。如將晶體表面做成球面，并使發(fā)光區(qū)

19、域處于球心的位置，這樣可以避免表面全反射。,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.3 半導(dǎo)體發(fā)光,45,（3） 電致發(fā)光激發(fā)機構(gòu), p-n結(jié)注入發(fā)光,pn結(jié)處于平衡時，存在一定的勢壘區(qū)，其能帶圖如下,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.3 半導(dǎo)體發(fā)光,46,正向偏壓下p- n結(jié)能帶圖,pn結(jié)外加正向偏壓時的發(fā)光機理,p區(qū),n區(qū),非平衡少數(shù)載流子不斷與多數(shù)載流子復(fù)合而發(fā)光。,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.3 半導(dǎo)體發(fā)光,47,注意：,1.進入p區(qū)的電子和進入n區(qū)的空穴都是非平衡少數(shù)載流子。 2.電子和空穴通過勢壘區(qū)時因復(fù)合而消失的幾率很小，一般在擴散區(qū)內(nèi)發(fā)

20、生復(fù)合。,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.3 半導(dǎo)體發(fā)光,48,異質(zhì)結(jié)是指由兩種不同半導(dǎo)體材料構(gòu)成的結(jié)。為了提高少數(shù)載流子的注入效率，可采用異質(zhì)結(jié)。 當加正向偏壓時，勢壘降低。但由于p區(qū)和n區(qū)的禁帶寬度不等，勢壘是不對稱的。, 異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.3 半導(dǎo)體發(fā)光,49,p區(qū)：禁帶較寬的區(qū)域,當兩者的價帶達到等高時,p區(qū)的空穴由于不存在勢壘，所以p區(qū)成為注入源。,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.3 半導(dǎo)體發(fā)光,50,n區(qū)：禁帶寬度較小的區(qū)域 n區(qū)的電子由于存在勢壘，不能從n區(qū)注入p區(qū)，積累的電子與p區(qū)擴散過來的空穴復(fù)合，

21、所以n區(qū)為發(fā)光區(qū)。,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.3 半導(dǎo)體發(fā)光,51,發(fā)光區(qū)發(fā)出的光子hvEg2，所以在禁帶寬度大的p區(qū)（注入?yún)^(qū)）不會引起本征吸收。即禁帶寬度較大的p區(qū)對這些光子是透明的。 因此，異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管中禁帶較寬的部分（注入?yún)^(qū)）同時可以作為輻射光的透出窗。,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.3 半導(dǎo)體發(fā)光,52,（4） 半導(dǎo)體激光,激光的特性：方向性好、單色性好、相干性好、能量密度大。, 分布反轉(zhuǎn),要產(chǎn)生激光，必須在系統(tǒng)中造成分布反轉(zhuǎn)狀態(tài)，即處在激發(fā)態(tài)（高能級）的粒子數(shù)大于基態(tài)（低能級）的粒子數(shù)。,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.3 半導(dǎo)體發(fā)光,53,形成反轉(zhuǎn)分布的條件,T=0K時的平衡態(tài),價帶均為電子填滿，導(dǎo)帶全部為空的。,T=0K時的分布反轉(zhuǎn),用hvEg的光子來激發(fā)，使價帶電子向?qū)кS遷，在 范圍內(nèi)，導(dǎo)帶中占滿電子，價帶卻為空。,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.3 半導(dǎo)體發(fā)光,54,可見，在分布反轉(zhuǎn)情況下，如注入光子能量滿足以下關(guān)系，即 就會引起導(dǎo)帶電子向價帶躍遷，產(chǎn)生受激輻射。,8 固體的光學(xué)性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象(2) 8.3 半導(dǎo)體發(fā)光,55, p-n結(jié)激光器原理,為實現(xiàn)分