半導(dǎo)體材料中的光吸收機(jī)制

針對半導(dǎo)體材料光電特性的初期研究過程中，光子到電子的轉(zhuǎn)換過程是半導(dǎo)體材料對光子的吸收以及由此產(chǎn)生的一系列的效應(yīng)，例如光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)等。之后通過對半導(dǎo)體材料光吸收效應(yīng)的深入研究，將其應(yīng)用在光傳感器、光電探測器、太陽能電池和半導(dǎo)體光導(dǎo)開關(guān)等領(lǐng)域。但半導(dǎo)體材料對光吸收的機(jī)制是什么呢？本期《漲知識啦》將帶領(lǐng)讀者一起探索半導(dǎo)體材料中光吸收的奧秘。

半導(dǎo)體材料對光的吸收機(jī)制大致可以分為本征吸收、激子吸收、自由載流子吸收、雜質(zhì)吸收和晶格振動吸收 ：

1.?????本征吸收：

如圖1所示，當(dāng)光子能量（hν）大于半導(dǎo)體禁帶寬度（Eg）的時(shí)，就有可能產(chǎn)生本征吸收，即價(jià)帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶形成電子-空穴對。半導(dǎo)體材料的受激本征吸收系數(shù)較高，并具有連續(xù)的吸收譜；吸收譜在光子振蕩頻率ν=Eg/h處有一陡峭的吸收邊；而在ν< Eg/h（即入射波長λ> 1.24/Eg）的區(qū)域內(nèi)，則吸收系數(shù)較小，因此半導(dǎo)體材料對該波段的光子是透明的。與直接帶隙躍遷相比，間接帶隙中的載流子有更低的躍遷速率，因而吸收系數(shù)較小，所以在半導(dǎo)體材料中的光滲透深度更大。

圖1.?半導(dǎo)體中與受激本征吸收相關(guān)的量子躍遷

（Ei為躍遷初態(tài)能量，Ef為躍遷終態(tài)能量）

2.?????激子吸收：

半導(dǎo)體中的電子和空穴之間由于庫侖力作用有可能形成類似于氫原子模型中的電子束縛態(tài)，這種電子和空穴形成的束縛態(tài)稱為激子。激子吸收的物理本質(zhì)為價(jià)帶電子吸收光子后直接躍遷到導(dǎo)帶下面的激子能級所引起的光吸收，如圖2所示。激子不僅在吸收邊外吸收光子，而且還會使帶間躍遷吸收譜的在低于光子能量的一側(cè)出現(xiàn)若干激子吸收峰。

圖2.?直接躍遷產(chǎn)生的激子能級

3.?????自由載流子吸收：

能夠在能帶內(nèi)自由運(yùn)動的載流子稱為自由載流子，在半導(dǎo)體中即為導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴。當(dāng)入射光子的能量不足以引起帶間吸收躍遷或形成激子時(shí)，入射光子卻可使自由載流子在導(dǎo)帶或價(jià)帶的不同能態(tài)之間躍遷，如圖3所示，其中包括導(dǎo)帶電子在不同能谷之間的躍遷、同一谷內(nèi)的電子向高能態(tài)的非豎直躍遷；也包括非簡并價(jià)帶中電子在不同子帶之間的躍遷。顯然，在完全填滿電子的價(jià)帶和空的導(dǎo)帶內(nèi)，不存在自由載流子吸收。

圖3.（a）導(dǎo)帶中自由電子的躍遷；（b）電子在價(jià)帶子能帶之間的躍遷

4.?????雜質(zhì)吸收：

在適當(dāng)能量的光子作用下，雜質(zhì)能級所束縛的電子和空穴也可以產(chǎn)生光躍遷，如圖4所示：（a）中性（即未電離的）施主雜質(zhì)與導(dǎo)帶之間的躍遷；（b）價(jià)帶與中性受主雜質(zhì)之間的躍遷；（c）價(jià)帶與中性施主雜質(zhì)之間的躍遷；（d）中性受主雜質(zhì)與導(dǎo)帶之間的躍遷。與激子吸收不同，激子吸收是發(fā)生在分立能級與完全確定的主能帶之間，而雜質(zhì)吸收是雜質(zhì)能級與整個能帶之間的躍遷。

圖4.?雜質(zhì)能級與主能級之間的躍遷

5.?????晶格振動吸收：

聲子是一種用來描述晶體原子熱振動（晶格振動）規(guī)律的能量粒子，是一種非真實(shí)的準(zhǔn)粒子。當(dāng)入射光子與晶格振動相互作用時(shí)，總會發(fā)生能量交換，吸收或發(fā)射出一個聲子，引起半導(dǎo)體材料的晶格振動吸收。

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