半导体中的光吸收和光探测器解析.ppt

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中的箭头A表示，只是由于导带底(对应k=kmin)的能量比k=0处的导带能量小很多，则跃迁所涉及的能量比间接跃迁(图7.1-5中箭头B大．这已为很薄的纯单晶Ge片、在入射光子能量h?=0.8eV附近表现出很陡的吸收峰所证实，如图7.1-6所示。在更长波长处的吸收则是由于间接跃迁所引起，而这必须伴随着声子的发射和吸收，以满足所需的动量守恒。 2．间接吸收的吸收系数 在图7.1-4所表示的间接带隙跃迁中，两种从初态至终态的跃迁方式都必将伴随有声子的发射和吸收，在不考虑多声子吸收时，则有 (7.1-13) 式中Es为声子能量，尽管Es与Eg相比一般是很小的，但声子的发射与吸收都将影响吸收曲线在吸收边附近的形状，或使吸收曲线的长波限发生漂移。为了区分声子的发射和吸收对吸收系数的贡献，而把间接跃迁吸收系数?i表示为 (7.1-14) 式中?e和?a分别为发射声子和吸收声子时的吸收系数，并且有 (7.1-15) (7.1-16) 经推导(p175～176) 由吸收声子所引起的吸收系数为 式中c为随?缓变的函数。 声子发射时的吸收系数为 (7.1-22) (7.1-23) 经推导(p175～176) 由吸收声子所引起的吸收系数为 式中c为随?缓变的函数。 声子发射时的吸收系数为 (7.1-22) (7.1-23) 间接带隙跃迁的吸收系数为 (7.1-24) 以上只是考虑了一种类型的声子。深入的分析还应区分纵波声学声子、横波声学声子、纵波光学声子、横波光学声子各自的贡献，不同类型的声子能量是不同的，因而?i应该是各种类型声子所引起的吸收系数之和。 在前面的讨论中，我们只考虑单声子过程，所作的?i1/2~h?关系曲线图如图7.1-7所示。对应每一温度的吸收曲线在横轴(h?轴)上的截距分别为Eg-Es和Eg+Es，即分别对应于吸收声子与发射声子的情况。显然在低温下发射声子是主要的。 (7.1-23) 在价带顶附近的状态与导带底附近的状态之间的跃迁(即图7.1-5中箭头B)是“禁戒”跃迁，由这种跃迁所引起的吸收系数是与过剩光子能量(h?-Eg?Es)的三次方成正比的。而如上所述，在这种能带结构中的允许跃迁(在k=0处发生竖直跃迁)所产生的吸收系数是比例于(h?-Eg?Es)2 的。 图7.1-8和图7.1-9是间接跃迁半导体Ge的基本吸收谱。由图7.1-9看出，在k空间?点和在高的光子能量作用下，仍可产生允许的直接跃迁，并得到其值不小的吸收系数。 【注】带间光跃迁的量子力学规则： 按照量子力学的跃迁理论，电子的跃迁需遵从——选择定则。 满足选择定则的跃迁有两种：允许跃迁和禁戒跃迁。这是由于电子在跃迁时的初态和终态的奇偶性需要符合一定的要求，才能吸收光而发生跃迁。 波函数奇偶性不同的状态之间的跃迁是容许跃迁，波函数奇偶性相同的状态之间的跃迁是禁戒跃迁。例如电子从s态跃迁到p态是可以的——容许跃迁，但是从s态跃迁到s态却是不可以的——禁戒跃迁。 然而，实际晶体中，禁戒跃迁并不是完全不会发生，禁戒跃迁也是一种吸收光的跃迁形式，只是跃迁几率非常小——远小于容许跃迁。 这是由于能带之间的相互作用会使得电子状态的奇偶性发生一点改变，禁戒被松动，所以奇偶性相同的电子状态之间，也有可能发生一定几率的光吸收跃迁——禁戒跃迁。 一、常用的半导体光电探测器材料 半导体光电探测器材料的基本要求是希望对所探测的入射光在半导体材料内部能引起大的受激吸收速率，因此直接带隙材料是最理想的。但有些间接带隙跃迁材料对一定波长范围的入射光也能产生明显的吸收。 含有异质结的光电探测器，要考虑异质结材料的晶格常数匹配。 3 半导体光电探测器的材料和性能参数 Si、Ge、GaAs、InGaAsP是几种光纤通信中常用的探测器材料。 在波长λ1um的波段内，硅是目前广泛使用的探测器材料。 在λ1.0um时，Ge是可供选择的材料。 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体光探测器适合在1.3um和1.55um波段的光纤通信系统中使用的，同时还可以调整组分，使吸收边正好处在工作波段之外。 二、半导体光电探测器的性能参数 1. 量子效率和响应度 Si探测器量子效率与波长、吸收层厚度的关系图 图 PIN光电二极管响应度、量子效应率与波长的关系 响应度R：定义为单位入射光功率作用到探测器上后在外电路中产生的光电流的大小。 2. 暗电流和噪声 理想的光电探测器，在无光照时应该没有光电流，然而实际中由于：①在耗尽层中存在有载流子产生复合电流，