半导体光电器件
半导体的光吸烈的吸收光能，具有数量级为105cm-1的 吸收系数。材料吸收辐射能导致电子从低能级跃迁到较高的能 级。对于半导体材料，自由电子和束缚电子的吸收都是很重要。
I I0e x
大量的实验表明，价带电子跃迁是半导体研究中最重要的吸 收过程。当一定波长的光照射半导体材料时，电子吸收足够的 能量，从价带跃迁导带。电子从低能带跃迁到高能带的吸收， 相当于原子中的电子从能量较低的能级跃迁到能量较高能级的 吸收。其区别在于：原子中的能级是不连续的，两能级间的能 量差是定值，因而电子的跃迁只能吸收一定能量的光子，出现 的是吸收线；而在晶体中，与原子能级相当的是一个由很多能 级组成，实际上是准连续的能带，因而光吸收也就表现为连续 的吸收带。
级组成。如果电子和空穴都以各向同性的有效质量m*n和 mp*来表示，激子的束缚能为：
Eenx
8
q4
02
2 r
h2n2
mr*
mr* m*pmn* /(m*p mn* )
n=1时，是激子的基态能级；n=时，激子能量为零，相
当于导带底能级，表示电子和空穴完全脱离相互束缚，电
子进入导带，空穴仍留在价带。
(h ) A(h Eg )1/2 hν Eg
0
hν Eg
A→B：直接跃，k值不变的跃迁
半导体光吸收-本征吸收
实验上发现，当间接带隙半导体受到大于 禁带宽度的光子照射时，开始发生吸收。 从能带上可以看出，如果发生的是直接跃 迁，其能量都远大于禁带宽度Eg。由此看 出对于间接带隙半导体，直接跃迁与吸收 能量情况发生了矛盾。而光吸收过程中， 电子的跃迁仍然需要满足能量守恒和动量 守恒。此时如果电子从价带等跃迁到导带 底，其动量已经不在同一个值，不满足直 接跃迁条件，这样的跃迁为间接跃迁。而 要想满足间接跃迁的能量和动量守恒，在 光吸收的过程中，需要声子的参与。
激子在晶体中产生后，并不停留在该处，可以在整个晶体中运动； 但由于激子作为一个整体是电中性的，因此不形成电流。
激子可以分为万尼尔（Wannier）激子和弗伦克尔（Frenkel）激 子，前者电子和空穴分布在较大的空间范围，库仑束缚较弱，电子 “感受”到的是平均晶格势与空穴的库仑静电势，这种激子主要是半 导体中；后者电子和空穴束缚在体元胞范围内，库仑作用较强，这种 激子主要是在绝缘体中。
半导体光吸收-自由载流子吸收
在某些p型材料中还能观察到另外一种自由载流子吸收。价带
之间的载流子吸收。这种吸收与半导体材料的价带结构相关。
如Ge的价带是由三个独立的能带组成。每个波失k有三个状
0 (nm)
1240 Eg (eV
)
材料名称 Eg(eV) 0 (nm)
Si
ZnO
1.12
3.36
1107 376(3.30eV)
GaAs 1.43 867
GaN 3.44 360
半导体光吸收-本征吸收
❖
k ' k 光子动量
半导体光吸收-本征吸收
直接带隙半导体在发生本征跃迁时 是直接跃迁过程。对于直接跃迁， 如果对于任何k值的跃迁都是允许的， 吸收系数与能量之间有如下关系：
❖ 光电导效应，连续吸收谱。
❖ 低温时发现，某些晶体在小于禁带的能量就出现 一系列吸收线；并且对应这些吸收线并不伴有光 电导。可见这种吸收并不引起价带电子直接激发 到导带，而是形成所谓的“激子吸收”。
半导体光吸收-激子
理论和实验都表明，如果光子能量小于Eg，价带电子受激发后虽然 跃出了价带，但还不足以进入导带而成为自由电子，仍然受到空穴的 库伦场作用。受激电子和空穴互相束缚而结合在一起成为一个新的系 统，这种系统称为激子，这样的光吸收称为激子吸收。
间接跃迁、二级过程； hv0 EP 电子能量差E
电子跃迁前后k值发 生变化。
k'k q
半导体光吸收-本征吸收
半导体光吸收-本征吸收
弗朗兹-克尔德什（franz-keldysh）效应（强电场效应）: 在强电场作用下，本征吸收的长波限向长波方向移动，意 味着光子能量比禁带小的能量也能被吸收，这是光子诱导 的隧道效应引起的。
半导体材料 ZnO GaN ZnSe 激子束缚能 60meV 25meV 22meV
半导体光吸收-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，不足以 引起电子从带到带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加。这种吸收是自由载流子在同 一带内的跃迁引起的，称为自由载流子吸收，也称带内吸收。 自由载流子吸收中，电子从低能态到较高能态的跃迁是在同 一能带内发生的，这种跃迁同样必须满足能量守恒和动量守 恒关系。自由载流子吸收的能量较低，往往为红外吸收。
半导体光吸收
半导体光吸收-本征吸收
hv hv0 Eg
在绝对零度时，半导体的价带完全被电子占
满，不可能发生带内的电子激发。但是当有
一定能量的光子照射半导体材料时，价带的
电子有可能吸收光子能量从价带跃迁到导带，
而在价带中留下一个空位，形成电子-空穴对。
这种电子从价带跃迁到导带形成的吸收过程
为本征吸收。显然，要发生本征吸收，光子
激子可以通过两种途径消失：一种是通过热激发或其它能量的激发 使激子分离成为自由电子或空穴；另一种是激子中电子和空穴通过复 合，使激子消失而同时放出能量（发射光子或同时发射光子和声子。）
半导体光吸收-激子消失
激子中电子和空穴之间的作用类似氢原子中电子与质子之
间的相互作用。激子的能态也与氢原子相似，由一系列能
能量必须等于或大于禁带宽度Eg。Eg是发生 本征吸收的最低能量限制。对于本征半导体
材料，对应的本征吸收谱在低频方向必然存
在一个低频限制0，当频率小于0，或波长 大于相应的波长L0，称为半导体的本征吸收 限，吸收系数迅速降。
hv0
Eg
hc
0
0 (nm)
1240 Eg (eV
)
hc
hv0 Eg 0
伯斯坦（Burstein）移动（重掺杂效应）: 对于费米能级进入到能带中的重掺杂半导体，如n型重掺杂 半导体。在低温时，费米能级以下的能级均被电子填充， 因此导带的电子吸收光子只能跃迁到高于费米能级以上的 能级上。则吸收限频率增加，波长向短波方向移动，发生 蓝移(短波长，高能量)。
半导体光吸收-本征吸收