《涨知识啦41》——半导体中的光吸收

在针对半导体材料光电特性的初期研究过程中，光子到电子的转换过程是半导体材料对光子的吸收以及由此产生的一系列的效应，例如光电导效应、光生伏特效应等。之后通过对半导体材料光吸收效应的深入研究，将其应用在光传感器、光电探测器、太阳能电池和半导体光导开关等领域。但半导体材料对光吸收的机制是什么呢？本期《涨知识啦》将带领读者一起探索半导体材料中光吸收的奥秘。

半导体材料对光的吸收机制大致可以分为本征吸收、激子吸收、自由载流子吸收、杂质吸收和晶格振动吸收 [1]：

1. 1 本征吸收：

如图1所示，当光子能量（h ）大于半导体禁带宽度（Eg）的时，就有可能产生本征吸收，即价带电子被激发到导带形成电子-空穴对。半导体材料的受激本征吸收系数较高，并具有连续的吸收谱；吸收谱在光子振荡频率  处有一陡峭的吸收边；而在 （即入射波长λ>1.24/Eg ）的区域内，则吸收系数较小，因此半导体材料对该波段的光子是透明的。与直接带隙跃迁相比，间接带隙中的载流子有更低的跃迁速率，因而吸收系数较小，所以在半导体材料中的光渗透深度更大。

图1. 半导体中与受激本征吸收相关的量子跃迁

（Ei为跃迁初态能量，Ef为跃迁终态能量）

1. 2 激子吸收：

半导体中的电子和空穴之间由于库仑力作用有可能形成类似于氢原子模型中的电子束缚态，这种电子和空穴形成的束缚态称为激子。激子吸收的物理本质为价带电子吸收光子后直接跃迁到导带下面的激子能级所引起的光吸收，如图2所示。激子不仅在吸收边外吸收光子，而且还会使带间跃迁吸收谱的在低于光子能量的一侧出现若干激子吸收峰。

图2. 直接跃迁产生的激子能级

1. 3 自由载流子吸收：

能够在能带内自由运动的载流子称为自由载流子，在半导体中即为导带中的电子和价带中的空穴。当入射光子的能量不足以引起带间吸收跃迁或形成激子时，入射光子却可使自由载流子在导带或价带的不同能态之间跃迁，如图3所示，其中包括导带电子在不同能谷之间的跃迁、同一谷内的电子向高能态的非竖直跃迁；也包括非简并价带中电子在不同子带之间的跃迁。显然，在完全填满电子的价带和空的导带内，不存在自由载流子吸收。

图3.（a）导带中自由电子的跃迁；（b）电子在价带子能带之间的跃迁

1. 4 杂质吸收：

在适当能量的光子作用下，杂质能级所束缚的电子和空穴也可以产生光跃迁，如图4所示：（a）中性（即未电离的）施主杂质与导带之间的跃迁；（b）价带与中性受主杂质之间的跃迁；（c）价带与中性施主杂质之间的跃迁；（d）中性受主杂质与导带之间的跃迁。与激子吸收不同，激子吸收是发生在分立能级与完全确定的主能带之间，而杂质吸收是杂质能级与整个能带之间的跃迁。

图4. 杂质能级与主能级之间的跃迁

1. 5 晶格振动吸收：

   声子是一种用来描述晶体原子热振动（晶格振动）规律的能量粒子，是一种非真实的准粒子。当入射光子与晶格振动相互作用时，总会发生能量交换，吸收或发射出一个声子，引起半导体材料的晶格振动吸收。

参考文献

1. 《半导体光电子学》，黄德修，电子工业出版社。

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