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半导体中的光吸收和光探测器

1半导体中的光吸收理论
2半导体中的本征吸收和其他光吸收
3半导体光电探测器的材料和性能参数
4半导体光电探测器半导体中的光吸收和光探测(1)光吸收系数：

半导体吸收光的机理主要有带间跃迁吸收（本征吸收）、载流子吸收、晶格振动吸收等。吸收光的强弱常常采用描述光在半导体中衰减快慢的参量——吸收系数α来表示；若入射光强为I，光进入半导体中的距离为x，则定义：

吸收系数的单位是cm-1。(2)带间光吸收谱曲线的特点：

对于Si和GaAs的带间跃迁的光吸收，测得其吸收系数a与光子能量hv的关系如图1所示。这种带间光吸收谱曲线的特点是：
①吸收系数随光子能量而上升；
②各种半导体都存在一个吸收光子能量的下限（或者光吸收长波限——截止波长），并且该能量下限随着温度的升高而减小（即截止波长增长）；
③GaAs的光吸收谱曲线比Si的陡峭。6为什么半导体的带间光吸收谱曲线具有以上一些特点呢？
——与半导体的能带结构有关。在价带和导带中的能态密度分布较复杂,在自由电子、球形等能面近似下，能态密度与能量是亚抛物线关系，在价带顶和导带底附近的能态密度一般都很小，因此，发生在价带顶和导带底附近之间跃迁的吸收系数也就都很小；随着能量的升高，能态密度增大，故吸收系数就相应地增大，从而使得吸收谱曲线随光子能量而上升。但是由于实际半导体能带中能态密度分布函数的复杂性，而且电子吸收光的跃迁还必须符合量子力学的跃迁规则——k选择定则，所以就导致半导体光吸收谱曲线变得很复杂，可能会出现如图1所示的台阶和多个峰值或谷值。②因为价电子要能够从价带跃迁到导带，至少应该吸收禁带宽度Eg大小的能量，这样才能符合能量守恒规律，所以就存在一个最小的光吸收能量——光子能量的下限，该能量下限也就对应于光吸收的长波限——截止波长：一些用于光电探测器的半导体的禁带宽度、截止波长和带隙类型，如下表所示。
根据光吸收截止波长的这种关系，即可通过光吸收谱曲线的测量来确定出半导体的禁带宽度。
由于半导体禁带宽度会随着温度的升高而减小，所以也将随着温度的升高而增长。③GaAs和Si的光吸收效率比较：

直接跃迁带隙的GaAs：

GaAs的光吸收谱曲线上升得比较陡峭，这是由于GaAs具有直接跃迁能带结构的缘故。在此，当价电子吸收了足够能量的光子、从价带跃迁到导带时，由于它的价带顶与导带底都在布里渊区的同一点上（即kvmax=kcmin），则在跃迁时动量几乎不会发生变化：

同时能量守恒规律为：光子能量hv=Eg
由于这种吸收光的直接跃迁既符合能量守恒、又符合动量守恒的规律，则这种光吸收的效率很高，使得光吸收系数将随着光子能量的增加而快速增大，从而形成陡峭的光吸收谱曲线。
这时，吸收系数与光子能量hv和禁带宽度Eg之间的函数关系可以表示为

式中的γ是常数。当光子能量降低到Eg时，吸收系数即减小到0，这就明确地对应于截止波长。间接跃迁带隙的Si：

Si的能带结构是间接跃迁型的，kvmax≠kcmin，价电子跃迁时，就需要借助于声子的帮助才能达到动量守恒。于是光吸收的动量守恒规律为：

则光吸收的能量守恒规律为：

这时，吸收系数与光子能量hv和禁带宽度Eg之间的函数关系可以表示为:

a）间接跃迁的实现需要第三者（声子）参与，因此光吸收效率要低于直接跃迁的光吸收，所以光吸收谱曲线的上升速度较慢；
b）因为声子的参与，最小的光吸收能量并不完全对应于禁带宽度（多出了一个声子能量Ep），因此光吸收的截止波长并不像直接带隙半导体的那么明显。不过，由于声子能量非常小（Ep<0.1eV），所以最小的光吸收能量往往比较接近于禁带宽度。（4）参考曲线：

常见半导体的带间光吸收谱曲线见图2。
IV族半导体属间接跃迁能带结构，它们的光吸收谱曲线较缓；而III-V族半导体属直接跃迁能带结构，它们的光吸收谱曲线都很陡峭。
此外，半导体中载流子的光吸收谱曲线一般都位于带间光吸收谱曲线的截止波长以外。因为载流子光吸收是在能带内部的各个能级之间跃迁，所以吸收的光子能量更小，吸收的光波长更长。172本征吸收和其他光吸收一、直接带隙跃迁引起的光吸收由式(1.2-25)和式(1.2-26)可以看出，当满足动量守恒时产生允许的直接带隙跃迁，这时价带能量的最大值所对应的波矢k=kmax与导带能量最小值的波矢k=kmin。均在布里渊区的原点，即kmax=kmin=0，如图7.1-2所示。允许的直接跃迁有最大的跃迁几率，且跃迁矩阵元与波矢k基本无关。吸收系数写为(7.1-7)2.禁戒跃迁式中f’if为在非允许的直接带隙跃迁(禁戒跃迁)情况下的振子强度。因而吸收系数可表示为二、间接带隙跃迁引起的吸收在这种能带结构中，也可以发生从价带顶(k=0)至导带次能谷的竖直跃迁或直接跃迁，如图7.1-5中