• 这两种杂质半导体吸收足够能量的光子，产生 电离的过程称为杂质吸收。 显然，杂质吸收的长波限
L

1.24 ED
（1-32）
L

1.24 EA
（1-32）
由于Eg>Δ ED或Δ EA ，因此，杂质吸收的长波
长总要长于本征吸收的长波长（杂质吸收的波
长阈值多在红外区或远红外区）。杂质吸收会
改变半导体的导电特性，也会引起光电效应。
载流子的产生与复合 过剩载流子
光照前半导体中电子和空
2、非平衡载流子的产生：穴浓度分别是n0和p0，并且
n0>>p0。 光照后的非平衡态半导体
中电子浓度n=n0+ △n ，空穴 浓度p=p0+ △p ，并且△n= △p 。
比平衡态多出来的这部分
载流子△n和△p就称为非平 衡载流子。n型半导体中称 △n为非平衡多子，△p为非 平衡少子。
• 3. 激子吸收 当入射到本征半导体上的光子能量hv小于Eg，
或入射到杂质半导体上的光子能量hv小于杂质电 离能（Δ ED或Δ EA）时，电子不产生能带间的跃 迁成为自由载流子，仍受原来束缚电荷的约束而 处于受激状态。这种处于受激状态的电子称为激 子。吸收光子能量产生激子的现象称为激子吸收。 显然，激子吸收不会改变半导体的导电特性。
吸收，改变本征半导体的导电特性。
2.杂质吸收
N型半导体中未电离的杂质原子（施主原子） 吸收光子能量hv。若hv大于等于施主电离能Δ ED， 杂质原子的外层电子将从杂质能级（施主能级）跃 入导带，成为自由电子。
同样，P型半导体中，价带上的电子吸收了能量 hv大于Δ EA（受主电离能）的光子后，价电子跃入 受主能级，价带上留下空穴。相当于受主能级上的 空穴吸收光子能量跃入价带。
Φ Φ0ex
可见，当光在物质中传播时，透过的能量衰减到
原来能量的e-1时所透过的路程的倒数等于该物质
的吸收系数α ，即
பைடு நூலகம் 1
x
另外，根据电动力学理论，平面电磁波在物质中传播时， 其电矢量和磁矢量都按指数规律 exp(-ω μ xc-1)衰减。
x j (t nx)
EY E0e c e c
当不考虑反射损失时，吸收的光通量应为
Φ Φ0 Φ Φ0 (1 ex )
（1-28）
半导体对光的吸收
在不考虑热激发和杂质的作用时，半导体中的电 子基本上处于价带中，导带中的电子很少。当光入射到 半导体表面时，原子外层价电子吸收足够的光子能量， 越过禁带，进入导带，成为可以自由运动的自由电子。 同时，在价带中留下一个 自由空穴，产生电子-空穴 对。如图1-9所示，半导体 价带电子吸收光子能量跃 迁入导带，产生电子空穴
R ∝ 电子浓度 × 空穴浓度
复合需要 1个空穴 + 1个准自由电子
大多数发光器件发光的基于此原理。
15
非平衡载流子的产生
1．光注入
∆n
no
用波长比较短的光 光照
h Eg po
照射到半导体
∆p
光照产生非平衡载流子
2．电注入(通过半导体界面把载流子注入半导体，
使热平衡受到破坏)
4. 自由载流子吸收
对于一般半导体材料，当入射光子的频率不够 高时，不足以引起电子产生能带间的跃迁或形成激 子时，仍然存在着吸收，而且其强度随波长增大而 增强(表现为红外吸收)。这是由自由载流子在同一 能带内的能级间的跃迁所引起的，称为自由载流子 吸收。自由载流子吸收不会改变半导体的导电特性。
5. 晶格吸收
[半导体对光的吸收主要是本征吸收。对于硅材料， 本征吸收的吸收系数比非本征吸收的吸收系
数要大几十倍到几万倍，一般照明下只考虑本征吸
收，可认为硅对波长大于1.15μm的可见光透明（室温下， 杂质已全部电离）。
载流子的产生与复合 过剩载流子
1、非平衡态
半导体的平衡态条件并不总能成立，如果某些外 界因素作用于平衡态半导体上，比如，用光子能量 hν≥Eg的光照射n型半导体，这时平衡态条件被破坏， 样品就处于偏离平衡态的状态，称作非平衡态。
半导体对光的吸收
• 物质对光吸收的一般规律
光波入射到物质表面上，用透射法测定光通
量的衰减时，发现通过路程dx的光通量变化dΦ 与入射的光通量Φ 和路程dx的乘积成正比，即
dΦ Φdx
式中，α 称为吸收系数。
如图1-8所示，利用初始条件
x=0时，Φ =Φ 0 ，解这个微
分方程，可以找到通过x路 程的光通量为
对的现象称为本征吸收。
• 显然，发生本征吸收的条件是光子能量必须大
于半导体的禁带宽度Eg，才能使价带EV上的电子 吸收足够的能量跃入到导带底能级EC之上，即
hv Eg
（1-30）
由此，可以得到发生本征吸收的光波长波限
L

hc Eg
1.24 Eg
（1-31）
只有波长短于的入射辐射才能使器件产生本征
晶格原子对远红外谱区的光子能量的吸收直 接转变为晶格振动动能的增加，在宏观上表现为 物体温度升高，引起物质的热敏效应。
以上五种吸收中，只有本征吸收和杂质吸收 能够直接产生非平衡载流子，引起光电效应。其 他吸收都程度不同地把辐射能转换为热能，使器 件温度升高，使热激发载流子运动的速度加快， 而不会改变半导体的导电特性。
载流子的产生
载流子数目增加
价带中的电子跃迁到导带后会产生一个准自由电子 和一个空穴，这个过程称为载流子的产生过程。
电子需要获取足够大的能量 （由热激发、光照射或其它外界因素）
产生率 G （cm-3s-1 ）
G与温度、光照等因素有关 G GTh Gopt L cm3s1


x
j (t nx)
HZ H0e c e c
乘积的实数部分应是辐射通量随传播路径x的变
化关系。即
2 x
Φ Φ0e c
Φ Φ0ex
式中，μ 称为消光系数。
由此可以得出
2 4π c
（1-29）
半导体的消光系数μ 与入射光的波长无 关，表明它对愈短波长的光吸收愈强。
许多热敏、光敏器件的就是基于此工作原理。
14
载流子的复合
载流子数目减少
每一个被激发到导带的电子经过一段时间后 都会重新回到价带的空量子态上，并因此导 致一对准自由电子和空穴的消失，这个过程 称为载流子的复合过程。
复合将以热、辐射光子（LD LED）等方 式释放能量
复合率 R （cm-3s-1 ）