半导体中的光吸收机制及应用

光通过半导体时，会出现光的吸收现象。其原因是光与电子、晶格振动、激子、杂质相互作用而发生。吸收主要分为本征吸收、晶格振动吸收、自由载流子吸收、激子吸收、杂质吸收。

1.本征吸收 这是指电子吸收光子能量后，由价带跃迁到导带的过程。本征吸收的基本条件是光子能量必须大于或等于禁带宽度E_g，即

hν≥E_g=hν₀ （2-59）

ν₀为能够引起本征吸收的最低频率，相应的波长为本征吸收光谱中的长波限λ₀。λ₀按下式计算：

h为普朗克常数，c为真空中光速。不同的材料禁带宽度不同，长波限λ₀也不同。不同材料的长波限λ₀值见图2-15。

图2-15 不同材料的长波限λ₀值

电子从价带到导带的跃迁必须既满足能量守恒，又满足动量守恒。本征吸收可分为直接跃迁和间接跃迁两种类型。

（1）直接跃迁。电子波矢在跃迁前后保持不变，这种带间跃迁称为直接跃迁。图2-16所示为电子直接跃迁。

介电常数在固有频率有极大值，吸收系数也有极大值。对应电子从基态到基态之间的光跃迁频率，价带电子吸收一个光子跃迁到导带，满足能量守恒定律，光子波矢可以忽略，因此，电子在价带的波矢约等于导带波矢。

（2）间接跃迁。有些半导体价带吸收光子的同时，还与声子相互作用吸收一个声子或放出一个声子，才能跃迁到导带。由于这类吸收需要两个过程同时发生，概率较小，相应的吸收系数也小，这个过程也满足能量守恒定律。图2-17示出电子直接跃迁与间接跃迁。

图2-16 电子直接跃迁

2.晶格振动吸收 晶体内部原子是按一定的几何规律排列的。为了便于理解，把原子看成是一个球体，则金属晶体就是由这些小球有规律堆积而成的物体。为了形象地表示晶体中原子排列的规律，可以将原子简化成一个点，用假想的线将这些点连接起来，构成有明显规律性的空间格架。这种表示原子在晶体中排列规律的空间格架叫做晶格。

图2-17 电子直接跃迁与间接跃迁(www.xing528.com)

晶格振动（Crystal lattice vibration）就是晶体原子在格点附近的热振动。这是力学中的小振动问题，可用简正振动和振动模来描述。由于晶格具有周期性，则晶格的振动模具有波的形式，称为格波。一个格波就表示晶体所有原子都参与的一种振动模式。格波可区分为声学波和光学波两类两种模式。格波能量的量子称为声子，有声学波声子和光学波声子之分。晶体的比热、热导、电导等都与晶格振动（或者声子）有关。

通常把组成晶体的原子看成是固定在平衡位置上不动。实际晶体中的原子并非如此，而是会在平衡位置附近作微小的振动。由于晶体内原子存在着相互作用，原子的振动就不是孤立的，而是要以波的形式在晶体内传播，形成所谓的格波，因此晶体可视为一个相互耦合的振动系统，这个系统的运动就叫晶格振动。

在光10～100μm的红外波段，所有固体都具有一个光子和晶格振动相互作用而引起的吸收区域。光吸收大小与多种因素有关，如光的偏振方向、晶格振动方式（纵波或横波）、晶体的尺寸等。当光子频率ω介于长光学纵波和长光学短波之间时，介电常数ε（ω）将是负值，晶体的吸收系数α变得很大；当光的频率等于晶格振动模式的频率时，光吸收达到最大值。一个光子吸收产生的只是一个声子或二个声子，因为光子的波矢很小，可以忽略不计。

3.自由载流子的光吸收 当入射光的能量比较低时，导带中的电子或价带中的空穴吸收光子后，引起载流子在能带中的跃迁，这个过程称为自由载流子的光吸收，通常所吸收的能量范围在红外波段。与本征吸收的间接跃迁过程类似，载流子的跃迁也需要满足能量守恒和动量守恒。为了满足动量守恒，电子动量的改变可以由声子的吸收或发射，以及电离杂质的散射而获得补偿，自由载流子动量的变化只发生在同一能带内。理论分析表明，总的自由载流子吸收系数是由以下三种散射产生的总和：电子的跃迁是由于受到声学声子的散射产生；电子的跃迁是由于受到光学声子的散射产生；电子的跃迁是由于受到电离杂质的散射产生。在许多半导体材料中，都能发现自由载流子的光吸收。本征吸收限以外的长波部分出现不断增强的吸收作用，正是自由载流子在同一带内的跃迁所引起的。

4.激子吸收 当光子能量小于禁带宽度E_g时，价带中的电子虽然跃出了价带，但无法到达导带，因而不能成为自由电子，而仍然受到空穴的库仑作用。这时受激电子与价带中空穴相互束缚成一个新的系统，电子与空穴既没有完全分离，也没有完全复合，处于这种状态的电子称为激子。

激子的吸收光谱基本集中在本征长波限附近。激子的全部能级都处于禁带之中。由于半导体禁带宽度较小，因此激子能级非常密集，差不多是连续的。激子不带净电荷，所以不形成电流。激子是处于中间状态，可能以两种方式消失掉：一种是吸收上更多的能量（热激发）后，电子与空穴完全分离；另一种是激子中的电子与空穴在释放掉部分能量后（发射光子或同时发射光子和声子）而实现复合。

5.杂质吸收 半导体材料的杂质来自两方面：一是本身存在的；二是有意进行掺杂的。杂质能级常常出现在禁带中，位置离导带或价带不远。当光照射到晶体上，这些能级也可能吸收光，电子可以吸收光子跃迁到导带，空穴也可以吸收光子跃迁到价带，这种光吸收就称为杂质吸收。杂质吸收见图2-18。它可分为以下几种类型：

1）施主能级与导带能级之间的跃迁，见图2-18中a，c。

2）受主能级与价带能级之间的跃迁，见图2-18中b，d。

3）施主能级与价带之间的跃迁，见图2-18中e。

4）受主能级与导带能级之间的跃迁，见图2-18中f。

前两种类型的大多出现在远红外区域（远红外线波长为2.5～30μm）；后两种类型大多出现在本征吸收长波限以外附近，即光子能量hν₀略小于禁带宽度E_g。

杂质能级的位置靠近导带或价带时称为浅能级，离得较远的则称为深能级。杂质吸收所引起的跃迁主要发生在杂质能级与导带底部或价带顶部之间。通常材料中的杂质含量很少，使得杂质吸收变弱，也很难被观测到，如果对半导体材料重掺杂，会导致本征长波限变短。

图2-18 杂质吸收