半导体的光学性质和光电与发光现象

校历第九周计划（10.21-10.27）：半导体的光学性质和光电与发光现象

10.21

• 半导体的光学常数：

1. 固体对光的吸收过程通常用折射率、消光系数和吸收系数来表征。

   

2. 光波在固体中传播时，速度为c/n，其振幅按照的形式下降。n为折射率，k表征光能衰减的参量，称为消光系数。
3. 光波的电矢量和磁矢量都按指数式衰减，而能流密度（以波印廷矢量表示）正比于电矢量和磁矢量振幅的乘积，其实数部分应该是光强度I随传播距离x的变化关系，因此光强度按衰减，即
4. 采用透射法测定光的衰减，得出，a是和光强度无关的比例系数，称为煤质的吸收系数。将上式与3式相比，得吸收系数，分母为自由空间内光的波长，k为媒质的消光系数。

10.22

• 半导体的光吸收

1.  绝对零度时，价带充满电子，，这时如果有大量的光子使电子激发，越过近代跃迁入空的导带，而在价带中留下一个空穴，形成电子空穴对，这种电子由带与带之间的跃迁所形成的的吸收过程称为本征吸收。要发生本征吸收光子能量要等于或大于禁带宽度。因此光的波长对应一个本征吸收限。当波长大于这个限制时，不可能产生本征吸收。

2. 

   根据半导体材料的禁带宽度不同，可算出相应的本征吸收长波限。Si的禁带宽度为1.12ev，波长限制为1.1um，GaA的禁带宽度为1.43ev，波长限制为0.867um，两者吸收限都在红外区。常见半导体材料如下。

   

3. k空间里，原来价带状态为A的电子只能跃迁到导带中的状态B。A和B在k空间位于同一垂线上，因此电子只需要满足其吸收的能量大于禁带宽度即可，故称为直接跃迁，不同的是，例如硅锗一类半导体，其价带顶和导带底不在同一垂线上，电子跃迁需要满足动量守恒，因此需要其他能量（电子与晶格相互作用）参与，故称为间接跃迁。

   

4. 其他吸收包括激子吸收、杂志吸收、自由载流子吸收，作为了解，激子吸收如下图。

   

10.23

• 半导体的光电导（光敏二极管）

1. 光照引起电子从价带跃迁到导带，载流子浓度增大必会使样品电导率增大，这种现象称为光电导。当电子刚被激发时，可能比原来在导带的电子能量高，通过与晶格碰撞，在极短时间内以发射声子的形式丢失多余的能量，变成热平衡载流子。
2. 光敏电阻要求光电导高，因此一般由高阻材料制成或者在低温下使用。若使光电导较高，n0和p0应该较小。

   

• 半导体的光生伏特效应（光电池）

1. 适当波长光照射非均匀半导体时，由于内建场的作用（不加外电场），半导体内部产生电动势，如将pn结短路，会出现电流。这种由内建场引起的光电效应，称为光生伏特效应。
2. pn结势垒区内存在较强的内建场，n区指向p区，结两边的光生少数载流子受该场的作用，各自向相反的方向运动；p区的电子穿过pn结进入n区；n区的空穴进入p区，使p端电势升高，n端电势降低，于是pn结两端形成了光生电动势。

10.24

• 半导体发光（上）

1. 处于激发态的电子向较低的能级跃迁，以光辐射的形式释放出能量。就是电子从高能级向低能级跃迁，伴随着发射光子，这时半导体发光现象。
2. 前提条件是系统处于非平衡状态，即需要有某种激发过程存在，依照此可以有，电致发光、光致发光、阴极发光。本方向主要涉及电致发光。
3. 非平衡载流子发生复合时有三种过程，第一:有杂质或缺陷参与的跃迁，电子跃迁到手主能级；施主能级电子跃迁到价带；施主能级电子跃迁到受主能级。第二:带与带之间的跃迁，导带电子和价带空穴复合。第三：热载流子（指比零电场下的载流子具有更高平均动能的载流子。）在带内跃迁。

   

10.25

• 半导体发光（下）

1. 带与带之间的跃迁，伴随着发射光子，称为本征跃迁。也是本征吸收的逆过程，对于直接带隙半导体，导带与价带极值都在k空间原点，本征跃迁为直接跃迁，前面说过，此辐射效率高。例如II-VI族化合物和部分III-V族化合物。间接带隙半导体的发光效率较小。

   

2. 除本征跃迁之外的载流子复合方式，称为飞奔正跃迁，对于直接带息半导体，本征跃迁是间接跃迁，费本征跃迁是主要作用。

   

3. 电子跃迁过程中，除辐射跃迁外，还存在无辐射跃迁，两者不同时材料的发光效率各不相同。用‘内部量子效率’和‘外部量子效率’表示发光效率。