半导体中的光子吸收原理及电子-空穴对生成机制

在0K温度下，填充满电子的半导体能带称为价带，而最低未填充满的能带称为导带。价带中电子已经占据了所有可能的能级而无法移动，所以价带中的电子可以认为是不导电的。价带顶部与导带底部之间的能量差称为禁带宽度或带隙能量E g。

半导体材料有两种能带结构：直接带隙和间接带隙。大部分半导体的价带顶部在波矢为零处，即k=0。有些半导体的导带底部也出现在k=0处，这种半导体叫直接带隙半导体，例如：GaAs、InP、GaN、InN等。如果导带的底部不在k=0处，则称为间接带隙半导体，例如：Si、Ge、A lAs等。图5.1是直接带隙半导体和间接带隙半导体的能级结构示意图。

图5.1　半导体能级结构

价带中的电子通过吸收光子、声子（热生成）或其他粒子冲击电离等方式，可以跃迁到导带成为自由电子，而电子跃迁后导致价带中有未被占据的空穴，因此生成了电子-空穴对（EHP）。电子和空穴在电场作用下能做定向运动，又称为载流子。

对于直接带隙半导体，价带电子吸收的光子能量大于其带隙能量，便可以生成电子-空穴对，而对于间接带隙半导体，电子跃迁同时需要光子和声子。间接带隙半导体与直接带隙半导体相比，电子更难跃迁到导带，因此光子吸收率比直接带隙半导体低。图5.2是直接带隙半导体和间接带隙半导体光子吸收原理图。由吸收光子生成的电子-空穴对速率可以用式(5.1)表示：

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其中，α0是光子吸收系数，I op t(0)是半导体表面接收到的光照强度，d是光子穿透到半导体内部的深度，h是普朗克常量，ν是光子频率，hν是光子能量。目前半导体行业主要采用硅（Si），它是一种间接带隙半导体，在室温下其带隙能量是1.12 eV。这个能量对应的光子波长大约是1100 nm。因为光子的能量与波长成反比，所以只有小于该波长的光子才可能激发硅中的电子而生成电子-空穴对，这意味着硅只能用来探测小于1100 nm波长的光。

图5.2　半导体材料的光子吸收及生成电子-空穴对

半导体中被激发产生的电子-空穴对是不稳定的，电子会和空穴发生复合。在此过程中会释放出能量，可能以辐射光子或声子的形式，也可能将能量传递给其他电子。电子-空穴对的产生和复合维持着一种动态平衡，本征半导体中电子和空穴的浓度分别用ni、pi表示，则有

其中，A是与半导体材料有关的常数，T是绝对温度，E g是带隙能量，k是玻尔兹曼常数。本征半导体在光信号照射下虽然可以生成自由电子，但是会快速与空穴复合，所以无法用来探测光信号。将本征半导体进行加工制作成P-N结，才能有效地探测光信号。