《半导体器件物理》PPT课件

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1、PhysicsandTechnologyofModernSemiconductorDevices天津工业大学现代半导体器件物理与工艺光电器件1本章内容q辐射跃迁与光的吸收q发光二极管q半导体激光q光探测器q太阳能电池天津工业大学现代半导体器件物理与工艺光电器件2辐射跃迁和光的吸收辐射跃迁光子和固体内的电子之间有三种主要的相互作用过程：吸收、自发辐射、受激辐射。如图为在一个原于内的两个能级E1和E2，其中E1相当于基态，E2相当于激发态，则在此两能态之间的任何跃迁，都包含了光子的辐射或吸收，此光子的频率为ν12，而hν12=E2-E1。之前之后室温下，固体内的大多数原子处于基态

2、。E2此时若有一能量恰好等h12于hν12的光子撞击此系E1统，则原本处于基态的(a)吸收原子将会吸收光子的能量而跑到激发态。这一E2过程称为吸收过程。hE1天津工业大学现代半导体器件物理与工艺(b)自发辐射光电器件3E2h1h12h1(同相位)E1(c)受激辐射图8.2在两个能级间的三种基本跃迁过程.其中黑点表示能态.最初的能态在左边，经过跃迁后，其最终的能态则辐射跃迁和光的吸收之前之后在激发态中的原子是很不稳定的，经过短暂的时间后，不需要外来的激发，它就会跳回基态，并放出一个E2能量为hν12的光子，这个过程即称为自发辐射[图(b)]。h12E1(a)吸收当一

3、能量为hν12的光子撞击一E2原本在激发态的原子时[图c]，此h12原子被激发后，会转移到基态，E1(b)自发辐射并且放出一个与入射辐射同相位、能量为hν12的光子。这个过程即E2h称为受激辐射。由受激辐射所造12h12h12成的辐射是单色的，因为每一个E1(同相位)光子具有的能量都是hν12。同时，(c)受激辐射此辐射也是相干的，因为所有的光子都是同相位发射。图8.2在两个能级间的三种基本跃迁过程.其中黑点表示原子的能态.最初的能态在左边，经过跃迁后，其最终的能态则在右边天津工业大学现代半导体器件物理与工艺光电器件4辐射跃迁和光的吸收发光二极管的主要工作过程是自发辐

4、射，激光二极管则是受激辐射，而光探测器和太阳能电池的工作过程则是吸收。设能级E1和E2的电子分布分别是n1和n2。在热平衡的条件下，若(E2-E1)＞3kT，根据玻尔兹曼分布n2E2E1hv12expexpn1kTkT其中负指数表示在热平衡时n2小于n1，即大多数的电子是处于较低的能级。在稳态时，受激辐射的速率(即单位时间内受激辐射跃迁的次数)和自发辐射的速率必须与吸收的速率达成平衡，以保持分布n1和n2不变。天津工业大学现代半导体器件物理与工艺光电器件5辐射跃迁和光的吸收受激辐射速率正比于光子场能量密度ρ(hν12)，此能量密度是在辐射场内

5、单位体积、单位频率的总能量。因此，受激辐射速率可以写成B21n2ρ(hν12)。其中n2是较高能级的电子浓度，而B21则是比例常数。自发辐射速率只和较高能级的分布成正比，因此可以写成A21n2，其中A21是常数。吸收速率则是正比于较低能级的电子分布及ρ(hν12)，此速率可以写成B12n1ρ(hν12)，其中B12是比例常数。因此在稳态时由受激辐射速率+自发辐射速率=吸收速率得Bn(h)AnBn(h)2121221212112可见受激辐射速率B21＝(hv)12自发辐射速率A21欲使受激辐射大于自发辐射，必须要有很大的光子场能量密度ρ(hν12)。为了达到这样的

6、密度，可以用一光学共振腔来提高光子场。天津工业大学现代半导体器件物理与工艺光电器件6辐射跃迁和光的吸收受激辐射速率Bn212＝吸收速率Bn121假如光子的受激辐射大于光子的吸收，则电子在较高能级的浓度会大于在较低能级的浓度。这种情况称为分布反转，因其与平衡条件下的情况恰好相反。粒子数反转是激光产生的必要条件，有许多种方法可以得到很大的光子场能量密度以达到分布反转。受激辐射远比自发辐射和吸收来得重要。天津工业大学现代半导体器件物理与工艺光电器件7辐射跃迁和光的吸收光的吸收如图显示的是半导体中的基本跃迁．当半导体被光照射后，如果光子的能量等于禁带宽度(即hν=Eg)，

7、则半导体会吸收光子而产生电子-空穴对，如(a)所示．若hν大于Eg，则除了会产生电子-空穴对之外，多余的能量(hν-Eg)将以热的形式耗散，如(b)所示。以上(a)与(b)的过程皆称为本征跃迁，或称为能带至能带的跃迁。另一EC方面，若hν小于Eg，则只有在禁带中Et存在由化学杂质或物理缺陷所造成的h(a)(b)(c)Eg能态时，光子才会被吸收，如(c)所示，这种过程称为非本征跃迁。一般而言，以上所述在因果倒置时也是正确。EV天津工业大学现代半导体器件物理与工艺光电器件8辐射跃迁和光的吸收假设半导体被一