半導體中的光吸收

出處：computer00 發(fā)布于：2008-12-01 09:12:32

　　半導體中的光吸收主要包括本征吸收、激子吸收、晶格振動吸收、雜質(zhì)吸收及自由載流子吸收［1］。當入射光能量大于半導體材料禁帶寬度時，價帶中電子便會被入射光激發(fā)，越過禁帶躍遷至導帶而在價帶中留下空穴形成電子－空穴對。這種由于電子在價帶和導帶的躍遷所形成的吸收過程稱為本征吸收。大量實驗證明這種價帶電子躍遷的本征吸收是半導體中重要的吸收，也是光電探測器工作的理論基礎。

　　愛因斯坦和普朗克的理論使人們認識到光不僅具有波動性也具有粒子性，即波粒二象性。光由光子組成，一束光就是—系列的光子流。光子的引入很好地描述了紫外和紅外波段的電磁輻射特性。媒質(zhì)中光子的速度為

　　式中，co是光在真空中速度，n是介質(zhì)折射率。光子可以由它的頻率和波長來描述：

　　光子的頻率在真空和介質(zhì)中都是一樣的，而速度會隨介質(zhì)折射率而變化，因此光在不同介質(zhì)中的波長是不同的。而光子在真空中的波長是恒定的，所以我們通常用真空中波長來描述激光或者發(fā)光二極管光譜特性。

　　光子也可以用它的能量來描述。即

　　式中，乃是普朗克常數(shù)，該式?jīng)Q定了特定禁帶寬度的半導體材料所能吸收的光譜極限，例如硅的禁帶寬度是1.12 eV，則由式（3-3）計算得

　　也就是說硅的光譜吸收極限是1110nm，只有波長小于該極限的光才能被硅所吸收。將普朗克常數(shù)值及光在真空中速度代入式（J-J）可以得到光吸收極限簡單的表達式：

　　式中，Eg為半導體材料禁帶寬度，若Eg的單位為eV（電子伏），則相應的波長單位為nm。

　　如式（3－5）所示光電探測器的工作過程為：當入射光波長小于氣即對應入射光子能量大于半導體材料禁帶寬度時，光子被吸收而產(chǎn)生的電子－空穴對在外電場作用下向正負兩極運動，這樣就在外電路上形成光電流，光電流流過負載電阻產(chǎn)生壓降，從而探測出光信號。為了表征不同半導體材料對不同波長光吸收的強弱，我們引入吸收系數(shù)a：

　　Po為入射光強度，P（x）為體內(nèi)艿處光強度，當x＝1時，P（d）＝PO·e，定義d為光子

　　穿透深度。吸收系數(shù)a=a（r）是波長的函數(shù)，它強烈依賴于波長，當入射光波長小于氣時，吸收系數(shù)隨波長的減小而迅速增大。

　　圖1所示出了不同半導體材料的光吸收系數(shù)與波長的關系曲線囫。由圖可見對于GaAs和InP等直接帶隙半導體材料，其吸收系數(shù)曲線具有陡峭的吸收邊，在可見光區(qū)域吸收系數(shù)很木（對應的穿透深度只有400～700 nm），適合作為高速、高響應度光電探測器。對于51這樣的間接帶隙材料，其吸收邊較平緩，吸收峰值波長為1.1 gm，與式（3-4）計算的結果相吻合，適合工作在可見光和近紅外波段。由于硅的吸收系數(shù)較小，在可見光波段吸收系數(shù)要比GaAs和InP小一到兩個數(shù)量級，因此需要很寬的耗盡區(qū)來吸收光生載流子。雖然硅的光吸收特性不是，但它是極為重要、經(jīng)濟并且已經(jīng)廣泛使用的半導體材料，因此研究硅光電子器件及硅基光電集成電路是有重要意義的。對于窄帶隙的Go（0.61 eV），它具有很寬的波長吸收范圍，覆蓋了光通信中1.3 gm低色散和1.55 gm低損耗兩個窗口波長，因此適合作為光通信探測器。人們通常往Si中摻鍺形成SiGe/Si異質(zhì)結以拓展51的波長吸收范圍致光通信波段。此外三元組分化合物InGaAs的波長吸收范圍也較寬，常用做高速長距離光通信終端探測器。我們將在以下兩節(jié)詳細介紹III-V族化合物和51基光電探測器。