1.5半導體對光的吸收

1.5.1物質對光吸收的一般規律

光波入射到物質表面上，用透射法測光通量的衰減時，發現通過路程dx的光通量變化dΦ與入射的光通量Φ和路程dx的乘積成正比，即

式中，α稱為吸收系數。

如圖1-8所示，利用初始條件x=0時

，解這個微分方程，可以找到通過x路程的光通量為

當透過的能量衰減到原來能量的e-1時所透過路程的倒數等于該物質的吸收系數α，即

由電動力學理論，平面電磁波在物質中傳播時，電矢量和磁矢量都按指數規律

exp(-ωμxc-1)衰減。

乘積的實數部分應是輻通量隨傳播路徑x的變化關系。即式中，μ稱為消光系數。

得出

半導體的消光系數μ與入射光的波長無關，表明它對愈短波長的光吸收愈強。普通玻璃的消光系數μ也與波長λ無關，因此，它們對短波長輻射的吸收比長波長強。當不考慮反射損失時，吸收的光通量應為1.5.2半導體對光的吸收半導體中的電子處于價帶，若價電子吸收足夠的光子能量，躍遷進入導帶，會產生自由運動的電子。

1.本征吸收在價帶，留下自由空穴，產生電子-空穴對。如圖1-9所示，價帶電子吸收光子能量躍遷入導帶，該現象稱為本征吸收。

顯然，條件是光子能量必須大于半導體的禁帶寬度Eg，即本征吸收的光波長波限

2.雜質吸收

N型半導體中未電離的雜質原子（施主原子）吸收光子能量hv。若hv大于等于施主電離能ΔED，雜質原子的外層電子將從雜質能級（施主能級）躍入導帶，成為自由電子。P型半導體也同樣。這兩種雜質半導體吸收足夠能量的光子，產生電離的過程稱為雜質吸收。顯然，雜質吸收的長波限

由于Eg>ΔED或ΔEA，因此，雜質吸收的長波長總要長于本征吸收的長波長。雜質吸收會改變半導體的導電特性，也會引起光電效應。

3.激子吸收

當入射光子能量hv小于Eg，或小于雜質電離能（ΔED或ΔEA）時，電子不能產生能帶間的躍遷成為自由載流子，但仍受原束縛電荷約束而處于受激狀態。處于受激狀態的電子稱為激子。吸收光子能量產生激子的現象稱為激子吸收。顯然，激子吸收不會改變半導體的導電特性。4.自由載流子吸收當入射光子能量比較低，不足以使電子產生能帶間的躍遷或形成激子時，其強度隨波長增大而增強。這是由自由載流子在同一能帶內的躍遷所致，稱為自由載流子吸收。它不改變導電特性。

5.晶格吸收

晶格原子吸收遠紅外譜光子能量，直接增加晶格振動，宏觀上表現為物體溫度升高，引起物質的熱敏效應。1.6

光電效應

光電效應分為內光電效應與外光電效應兩類。內光電效應是被光激發產生的載流子仍在物質內部運動，使物質的電導率變化或產生光生伏特的現象。被光激發產生的電子逸出物質表面，形成真空中電子的現象稱為外光電效應。本節主要討論內光電效應與外光電效應的基本原理。

1.6.1

內光電效應

1.光電導效應

光電導效應分為本征光電導效應與雜質光電導效應兩種。如圖1-10所示，半導體吸收了入射波長為λ的單色輻射，則光敏層單位時間產生的量子數密度Ne,λ為光敏層每秒產生的電子數密度Ge為

在熱平衡狀態下，熱電子產生率Gt與熱電子復合率rt相平衡。光敏層內電子總產生率為Gt與Ge之和導帶中的電子與價帶中的空穴的總復合率R應為

Kf為復合幾率，Δn為光生電子濃度，Δp為光生空穴濃度，ni與pi分別為熱激發電子與空穴的濃度。

同樣，熱電子復合率與導帶內熱電子濃度ni及價帶內空穴濃度pi的乘積成正比。即在熱平衡狀態載流子的產生率應與符合率相等。即

在非平衡狀態下，載流子的時間變化率應等于載流子的總產生率與總復合率的差。即

分兩種情況討論：（1）在微弱輻射作用下，Δn＜＜ni，Δp＜＜pi，并考慮到本征吸收的特點，Δn=Δp，上式可簡化為利用初始條件t=0時，Δn=0，解微分方程得

式中τ=1/Kf(ni+pi)稱為載流子的平均壽命。

可見，光激發載流子濃度隨時間按指數規律上升，當t>>τ時，達到穩態值Δn0，即達到動態平衡狀態光激發載流子引起半導體電導率的變化Δσ為式中，μ為電子遷移率μn與空穴遷移率μp之和。

半導體材料的光電導g為

可見，在弱輻射作用下的半導體材料的電導與入射輻射通量Φe,λ成線性關系。求導可得

由此可得半導體材料在弱輻射作用下的光電導靈敏度Sg

光電導靈敏度為與光電導材料兩電極間的長度l的平方成反比。

（2）在強輻射的作用下，Δn>>ni，Δp>>pi上式可以簡化為利用初始條件t=0時，Δn=0，解微分方程得

式中，為強輻射作用下載流子的平均壽命。

強輻射情況下，半導體材料的光電導與輻通量間的關系為

拋物線關系。

表明在強輻射作用的情況下半導體材料的光電導靈敏度不僅與材料的性質有關而且與入射輻射量有關，是非線性的。2.光生伏特效應輻射作用于半導體PN結上，光生空穴與光生電子在PN結內建電場作用下分開，如圖1-11所示，形成光生伏特電壓。P區和N區的多數載流子進行相對運動，以便平衡它們的費米能級差，擴散運動平衡時，它們具有同一費米能級EF，在結區形成由正、負離子形成的空間電荷區或耗盡區。內建電場的方向由N指向P。電子被拉到N區，空穴被拉到P區。形成伏特電壓。在PN結兩端接入負載電阻RL，則有電流I流過式中，，為光生電流，ID為暗電流。

當U=0（PN結被短路）時的輸出電流ISC即為短路電流，PN結開路時，PN結兩端的開路電壓UOC為3.丹培（Dember）效應光生載流子擴散運動如圖1-12所示，當半導體材料的一部分被遮蔽，另一部分被光均勻照射時，曝光區因本征而產生高密度的空穴載流子，而遮蔽區電子載流子濃度較高，形成濃度差。因載流子遷移率差別產生受照面與遮光面之間的伏特現象稱為丹培效應。光生電壓由下式計算n0與p0為熱載流子濃度；Δn0為光生載流子濃度；μn與μp為電子與空穴遷移率。μn=1400cm2/(V·s)，μp=500cm2/(V·s)，顯然，μn>>μp。4.光磁電效應在半導體上加磁場，方向如圖B，當產生丹培效應時，電子與空穴在磁場中運動受洛倫茲力的作用，使它們分別偏轉，空穴向上方，電子偏向下方。該現象稱為光磁電效應。光磁電場由下式確定D為雙極性擴散系數，數值上等,于Dn與Dp擴散系數。可用來測量半導體樣品的載流子平均壽命。5.光子牽引效應當動量較強的光作用于半導體的自由載流子（電子）時，使電子順著光傳播方向做相對于晶格的運動。結果，在開路情況下，半導體產生電場。該現象被稱為光子牽引效應。P型鍺的光子牽引探測器光電靈敏度為1.6.2光電發射效應當物質中的電子吸收足夠高的光子能量，電子將逸出物質表面成為真空中的自由電子，這種現象稱為光電發射效應或稱為外光電效應。具有hν能量的光子被電子吸收后，只要光子的能量大于材料的光電發射閾值Eth，則質量為m的電子初始動能便大于0而飛出物質表面。對于半導體，情況較為復雜。光電發射器件具有許多不同于內光電器件的特點：（1）光電發射器件的電子能在真空中運動，通過電場加速電子運動速度，提高光電探測靈敏度，使之能高速度地探測極微弱的光信號，成為像增強器與變相器技術的基本元件。（2）很容易制造出均勻的大面積光電發射器件，非常有利提高真空光電成像器件的空間分辨率。（3）光電發射器件需要高穩定的高壓直流電源設備，使得整個探測器體積龐大，功率損耗大，不適用于野外操作，造價也昂貴。（4）光電發射器件的光譜響應范圍一般不如半導體光電器件寬。第1章思考題與習題解題思路1.1量子流速率是客觀的或物理的計量量，其計算公式中所有量均應該是物理計量量，故不能出現光度量。1.2教材對這些輻度量論述得很清晰，該題的目的是讓讀者充分理解輻度量與光度量的本質差異。1.3該題主要目的是引導讀者對余弦輻射體的重視，理解余弦輻射體屬于理想輻射體。1.4是反映輻射源與接受面問題的兩個方面，不能將其混淆。1.5該題的目的是引起讀者對這三個參數的重視，理解它的量綱與物理意義是非常重要的。1.6二者的差異是能級差與光生電子生成的特性。1.7解該題的關鍵有3點，①要熟悉輻度量與光度量之間的轉換關系；②要考慮激光光源平面發散角在一定距離處所形成的光斑面積；③平面發散角與立體角的關系。1.8該題主要是訓練照度公式，具體分析光出度與照度的關系。1.9該題主要是訓練量子流速率的基本概念與公式。1.10該題主要是熟悉斯忒藩-波耳茲曼輻射定律，并運用其解決實際問題。1.11與1.12題也是用斯忒藩-波耳茲曼輻射定律解決實際問題。1.13解該題的關鍵是運用雜質吸收長波限公式。1.14解該題的關鍵是利用標準鎢絲燈光度、輻度轉換當量將靈敏度的量綱統一。1.15關鍵是理解立體角，并能夠利用標準鎢