【正文】 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學 光電器件 1 光電器件 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 Physics and Technology of Modern Semiconductor Devices 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學 光電器件 2 本章內(nèi)容 ? 輻射躍遷與光的吸收 ? 發(fā)光二極管 ? 半導體激光 ? 光探測器 ? 太陽能電池 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學 光電器件 3 輻射躍遷 光子和固體內(nèi)的電子之間有三種主要的相互作用過程： 吸收、 自發(fā)輻射 、 受激輻射 。 如圖為在一個原于內(nèi)的兩個能級 E1和 E2，其中 E1相當于基態(tài) ， E2相當于激發(fā)態(tài) ， 則在此兩能態(tài)之間的任何躍遷 ， 都包含了光子的輻射或吸收 ， 此光子的頻率為 ν12， 而 hν12=E2E1。 室溫下 ， 固體內(nèi)的大多數(shù)原子處于基態(tài) 。此時若有一能量恰好等于 hν12的光子撞擊此系統(tǒng) ， 則原本處于基態(tài)的原子將會吸收光子的能量而跑到激發(fā)態(tài) 。 這一過程稱為 吸收過程 。 1E2E吸收)( a12?h12?h自發(fā)輻射)( b12?h1E2E1E2E12?h12?h受激輻射)( c)(同相位之前 之后圖 在兩個能級間的三種基本躍遷過程 . 其中黑點表示原子的能態(tài) . 最初的能態(tài)在左邊，經(jīng)過躍遷后，其最終的能態(tài)則在右邊圖輻射躍遷和光的吸收 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學 光電器件 4 在激發(fā)態(tài)中的原子是很不穩(wěn)定的 ， 經(jīng)過短暫的時間后 ， 不需要外來的激發(fā) ， 它就會跳回基態(tài) ， 并放出一個能量為 hν12的光子 ， 這個過程即稱為 自發(fā)輻射 [圖 (b)]。 當一能量為 hν12的光子撞擊一原本在激發(fā)態(tài)的原子時 [圖 c]， 此原子被激發(fā)后 ， 會轉(zhuǎn)移到基態(tài) ，并且放出一個 與入射輻射同相位、 能量為 hν12的光子 。 這個過程即稱為 受激輻射 。 由受激輻射所造成的輻射是 單色 的 ， 因為每一個光子具有的能量都是 hν12。 同時 ，此輻射也是 相干 的 ， 因為所有的光子都是同相位發(fā)射 。 1E2E吸收)( a12?h12?h自發(fā)輻射)( b12?h1E2E1E2E12?h12?h受激輻射)( c)(同相位之前 之后圖 在兩個能級間的三種基本躍遷過程 . 其中黑點表示原子的能態(tài) . 最初的能態(tài)在左邊，經(jīng)過躍遷后，其最終的能態(tài)則在右邊圖輻射躍遷和光的吸收 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學 光電器件 5 發(fā)光二極管的主要工作過程是 自發(fā)輻射 ， 激光二極管則是 受激輻射 ， 而光探測器和太陽能電池的工作過程則是 吸收 。 設能級 E1和 E2的電子分布分別是 n1和 n2。 在熱平衡的條件下 ， 若 (E2E1)＞ 3kT， 根據(jù)玻爾茲曼分布 ?????? ???????? ??? kThvkT EEnn 121212 e xpe xp 其中 負指數(shù) 表示在熱平衡時 n2小于 n1， 即大多數(shù)的電子是處于較低的能級 。 在 穩(wěn)態(tài) 時 ， 受激輻射的速率 (即單位時間內(nèi)受激輻射躍遷的次數(shù) )和自發(fā)輻射的速率必須與吸收的速率達成平衡 ， 以保持分布 n1和 n2不變 。 輻射躍遷和光的吸收 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學 光電器件 6 受激輻射速率正比于光子場能量密度 ρ(hν12)， 此能量密度是在輻射場內(nèi)單位體積 、 單位頻率的總能量 。 因此 ， 受激輻射速率可以寫成B21n2ρ(hν12)。 其中 n2是較高能級的電子濃度 ， 而 B21則是比例常數(shù) 。 自發(fā)輻射速率只和較高能級的分布成正比 ， 因此可以寫成 A21n2， 其中 A21是常數(shù) 。 吸收速率則是正比于較低能級的電子分布及 ρ(hν12)， 此速率可以寫成B12n1ρ(hν12)， 其中 B12是比例常數(shù) 。 因此在穩(wěn)態(tài)時 由 受激輻射速率 + 自發(fā)輻射速率 = 吸收速率 可見 )()( 1211222112221 ???? hnBnAhnB ??)h( 122121 vAB ?＝自發(fā)輻射速率受激輻射速率得 輻射躍遷和光的吸收 欲使受激輻射大于自發(fā)輻射 ， 必須要有很大的光子場能量密度 ρ(hν12)。 為了達到這樣的密度 ， 可以用一 光學共振腔來提高光子場 。 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學 光電器件 7 假如光子的受激輻射大于光子的吸收 ， 則電子在較高能級的濃度會大于在較低能級的濃度 。 這種情況稱為 分布反轉(zhuǎn) ，因其 與平衡條件下的情況恰好相反 。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是激光產(chǎn)生的必要條件 ， 有許多種方法可以得到很大的光子場能量密度以達到分布反轉(zhuǎn) 。 受激輻射遠比自發(fā)輻射和吸收來得重要 。 2 1 21 2 1BnBn??????受 激 輻 射 速 率 ＝吸 收 速 率輻射躍遷和光的吸收 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學 光電器件 8 如圖顯示的是半導體中的基本躍遷 ． 當半導體被光照射后 ， 如果光子的能量等于禁帶寬度 (即 hν=Eg)， 則半導體會吸收光子而產(chǎn)生電子 空穴對 ， 如 (a)所示 ． 若 hν大于 Eg， 則除了會產(chǎn)生電子 空穴對之外 ， 多余的能量 (hνEg)將以熱的形式耗散 ， 如 (b)所示 。 以上 (a)與 (b)的過程皆稱為 本征躍遷 ， 或稱為 能帶至能帶的躍遷 。 另一方面 ， 若 hν小于 Eg， 則只有在禁帶中存在由化學雜質(zhì)或物理缺陷所造成的能態(tài)時 ， 光子才會被吸收 ， 如 (c)所示 ，這種過程稱為 非本征躍遷 。 一般而言 ，以上所述在因果倒置時也是正確 。 光的吸收 輻射躍遷和光的吸收 C E V E g E ) ( a ) ( b ) ( c ? h t E 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學 光電器件 9 假設半導體被一光子 hν能量大于 Eg且光子通量為 Φ0(即每秒每平方厘米所具有的光子數(shù) )的光源照射 ， 當此光子通量進入半導體時 ， 光子被吸收的比例是與通量的強度成正比 。 因此 ， 在一增量距離 Δx[圖 (a)]內(nèi) ， 被吸收的光子數(shù)目為 αΦ(x)Δx， 其中 α稱為吸收系數(shù) ， 由光子通量的連續(xù)性可得 負號表示由于吸收作用 ， 導致光于通量強度減少 。 代入邊界條件 ， 當x=0時 ， Φ(x)= Φ0可得上式的解為 ? ? ? ? ? ? ? ? xxaxdx xdxxx ?????????????? ? ? ?xadxxd ????? ? axex ???? 00?)( x? )( xx ???W在光照射下的半導體)( a0?x??? e0x W0光通量的指數(shù)衰減)( b圖 光的吸收輻射躍遷和光的吸收 0?)( x? )( xx ???W在光照射下的半導體)( a0?x??? e0x W0光通量的指數(shù)衰減)( b圖 光的吸收現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學 光電器件 10 當 x＝ W[圖 (b)]時 ， 由半導體的另一端出射的光子通量為 吸收系數(shù) α是 hν的函數(shù) ， 也同 λ有關(guān) 。 右下圖為幾種應用于光電器件的重要半導體的光吸收系數(shù) ， 其中以虛線表示的是非晶硅 ， 它是制造太陽能電池的重要材料 。 在截止波長 λc時 ， 吸收系數(shù)會迅速地減小 ， 亦即 ? ? aWeW ???? 00?)( x? )( xx ???W在光照射下的半導體)( a0?x??? e0x W0光通量的指數(shù)衰減)( b圖 光的吸收)( mEgc ?? ? 1 110210310410510610 3102101101110?210?m)(0. 51C dS?m)(0. 82Si?? ?m)Si( ?m)(0. 87Ga As?m)(1 .4PAsInGa.?m) 4/EGe(gC?? ??K300m/ ?波長圖 數(shù)種半導體材料的光吸收系數(shù) ( 括號內(nèi)的數(shù)值為截止波長 )eV/?hm/1??透光深度1cm/??吸收系數(shù) 因為光的本征吸收在 hνEg或 λλc時變得微不足道 輻射躍遷和光的吸收 ()mh????現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學 光電器件 11 例 1：一 3eV的單色光照射 ， 其入射功率為 10mW。 試求此半導體每秒所吸收的總能量 、 多余熱能耗散到晶格的速率以及通過本征躍遷的復合作用每秒所放出的光子數(shù) 。 解：根據(jù)資料圖知單晶硅的吸收系數(shù)為 4 104cm1， 則每秒所吸收的能量為 每一光子能量轉(zhuǎn)換成熱能的比例為 ? ? mWsJeh aw ) x p (110)1( 4420 ?????????? ????% ????hv Ehv g因此 ， 每秒耗散到品格的能量為 ％ ≈ ． 又因為在 ， 復合輻射需要 (即 )的能量 ，所以每秒通過復合作用放出的光子數(shù)目為 )( 1619 3 個???? ?? ?輻射躍遷和光的吸收 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學 光電器件 12 發(fā)光二極管 (LED)是一種 pn結(jié) ， 它能在紫外光 、 可見光或紅外光區(qū)域輻射自發(fā)輻射光 。 可見光 LED被大量用于各種電子儀器設備與使用者之間的信息傳送 。 而紅外光 IED則應用于光隔離及光纖通訊方面 。 由于人眼只對光子能量 hν≥ (λ≤ )的光線感光 ， 因此所選擇的半導體 ， 其禁帶寬度必須大于此極限值 （ Eg ≥ ） 。 右圖標示了幾種半導體的禁帶寬度值 。 可見光發(fā)光二極管： 人眼的相對靈敏度FW H Mm?? ?紅外 紅 綠 紫 紫外橙 黃 藍Si G aAs C dSe G aP C dS Si C G aN ZnSyy1PG aAs紅 綠 紫橙 黃 藍 m/ ??eV/gE圖 常作為可見光 LED 的半導體 . 途中還表示了人眼的相對靈敏度發(fā)光二極管 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學 光電器件 13 下表列出了用來在 可見光與紅外光譜 區(qū)產(chǎn)生光源的半導 體 。 在所列出的半導體材料中 ， 對于可見光 LED而言 ， 最重要的是 GaAs1yPy 與GaxIn1xN合金的 Ⅲ V族化合物 系統(tǒng) 。 發(fā)光二極管 材 料 波長／ nm InAsSbP／ InAs 4200 InAs 3800 GaInAsP/GaSb 2022 GaSb 1800 GaxIn1xAs1yPy 1100~1600 1550 1300 GaAs: Er, InP: Er 1540 Si: C 1300 GaAs: Yb, InP: Yb 1000 AlxGa1xAs: Si 650~940 GaAs: Si 940 : Si 830 : Si 650 660 620 590 (AlxGa1x) 655 GaP 690 GaP: N 550~570 GaxIn1xN 340, 430, 590 SiC 400~460 BN 260, 310, 490 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學 光電器件 14 右圖表示 GaAs1yPy的禁帶寬度是物質(zhì)的量的比 y的函數(shù) 。 當 0＜ y＜ ， 它屬于 直接禁帶 半導體 ， 由 y=0時的 Eg=， 增加到 y= 。 當 y＞ ， 則屬于間接禁帶 半導體 。 0 K300?Tyy1PG aA s2. 26 1g ?E1. 97 7g??Ey直接禁帶間接禁帶 ?EG