光電器件現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝

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1、光電器件現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝PhysicsandTechnologyofModernSemiconductorDevices2011,7,30本章內(nèi)容輻射躍遷與光的吸收發(fā)光二極管半導(dǎo)體激光光探測(cè)器太陽(yáng)能電池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(guò)程：吸收、自發(fā)輻射、受激輻射。如圖為在一個(gè)原于內(nèi)的兩個(gè)能級(jí)E1和E2，其中E1相當(dāng)于基態(tài)，E2相當(dāng)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=E2-E1。室溫下，固體內(nèi)的大多數(shù)原子處于基態(tài)。此時(shí)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(huì)

2、吸收光子的能量而跑到激發(fā)態(tài)。這一過(guò)程稱為吸收過(guò)程。輻射躍遷和光的吸收在激發(fā)態(tài)中的原子是很不穩(wěn)定的，經(jīng)過(guò)短暫的時(shí)間后，不需要外來(lái)的激發(fā)，它就會(huì)跳回基態(tài)，并放出一個(gè)能量為hν12的光子，這個(gè)過(guò)程即稱為自發(fā)輻射[圖(b)]。當(dāng)一能量為hν12的光子撞擊一原本在激發(fā)態(tài)的原子時(shí)[圖c]，此原子被激發(fā)后，會(huì)轉(zhuǎn)移到基態(tài)，并且放出一個(gè)與入射輻射同相位、能量為hν12的光子。這個(gè)過(guò)程即稱為受激輻射。由受激輻射所造成的輻射是單色的，因?yàn)槊恳粋€(gè)光子具有的能量都是hν12。同時(shí)，此輻射也是相干的，因?yàn)樗械墓庾佣际峭辔话l(fā)射。輻射躍遷和光的吸收發(fā)光二極管的主要工作過(guò)程是自發(fā)輻射，激光二極管則是受

3、激輻射，而光探測(cè)器和太陽(yáng)能電池的工作過(guò)程則是吸收。設(shè)能級(jí)E1和E2的電子分布分別是n1和n2。在熱平衡的條件下，若(E2-E1)＞3kT，根據(jù)玻爾茲曼分布其中負(fù)指數(shù)表示在熱平衡時(shí)n2小于n1，即大多數(shù)的電子是處于較低的能級(jí)。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，受激輻射的速率(即單位時(shí)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(dá)成平衡，以保持分布n1和n2不變。輻射躍遷和光的吸收受激輻射速率正比于光子場(chǎng)能量密度ρ(hν12)，此能量密度是在輻射場(chǎng)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(jí)的電子濃度，而B21則是比例常數(shù)。自發(fā)輻射

4、速率只和較高能級(jí)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(jí)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(shí)由受激輻射速率十自發(fā)輻射速率＝吸收速率可見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(chǎng)能量密度ρ(hν12)。為了達(dá)到這樣的密度，可以用一光學(xué)共振腔來(lái)提高光子場(chǎng)。假如光子的受激輻射大于光子的吸收，則電子在較高能級(jí)的濃度會(huì)大于在較低能級(jí)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

5、子場(chǎng)能量密度以達(dá)到分布反轉(zhuǎn)。受激輻射遠(yuǎn)比自發(fā)輻射和吸收來(lái)得重要。輻射躍遷和光的吸收如圖顯示的是半導(dǎo)體中的基本躍遷．當(dāng)半導(dǎo)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(dǎo)體會(huì)吸收光子而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，如(a)所示．若hν大于Eg，則除了會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)之外，多余的能量(hν-Eg)將以熱的形式耗散，如(b)所示。以上(a)與(b)的過(guò)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(xué)雜質(zhì)或物理缺陷所造成的能態(tài)時(shí)，光子才會(huì)被吸收，如(c)所示，這種過(guò)程稱為非本征躍遷。一般而言，以上所述在因果倒置時(shí)也是正確。光的吸收

6、輻射躍遷和光的吸收CEVEgE)(a)(b)(cuhtECEVEgE)(a)(b)(cuhtE假設(shè)半導(dǎo)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(dāng)此光子通量進(jìn)入半導(dǎo)體時(shí)，光子被吸收的比例是與通量的強(qiáng)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(fù)號(hào)表示由于吸收作用，導(dǎo)致光于通量強(qiáng)度減少。代入邊界條件，當(dāng)x=0時(shí)，Φ(x)=Φ0可得上式的解為輻射躍遷和光的吸收當(dāng)x＝W[圖(b)]時(shí)，由半導(dǎo)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)。右下圖為幾種應(yīng)

7、用于光電器件的重要半導(dǎo)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(yáng)能電池的重要材料。在截止波長(zhǎng)λc時(shí)，吸收系數(shù)會(huì)迅速地減小，亦即因?yàn)楣獾谋菊魑赵趆νλc時(shí)變得微不足道輻射躍遷和光的吸收例1：一0.25μm厚的單晶硅樣品被一能量為3eV的單色光照射，其入射功率為10mW。試求此半導(dǎo)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(guò)本征躍遷的復(fù)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4×104cm-1，則每秒所吸收的能量為每一光子能量轉(zhuǎn)換成熱能的比例為因此，每秒耗散到品格的能量為62