塞贝克效应-湖南大学

➢ 跃迁除吸收光子，借助声子（吸 收可发射声子±）。
Ei
k
k’
Eg
➢ 略去光子动量：k f ki q（5 116） ➢ q声子波矢, “–”发出, “+”吸收声子.源自' aA(h
Eg
EP
EP )2
(当h
Eg
EP ) (5 1 23)
e kT 1 吸收一个声子间接跃迁吸收系数
' e
A(h
1
Eg
➢ 剩余射线带短方向, 吸收光谱依赖
T, 吸收有两个以上声子产生. 吸收 一个光子产生两个声子, 守恒定律:
能量守恒 动量守恒
(k )
(q)
(5
1
26)
q k 0
能量守恒 动量守恒
(k
)
(q1
)
(q2（) 5
1
27）
k q1 q2
§5-1 物质中的光吸收
一、本征吸收 二、晶格振动吸收 三、自由载流子的光吸收
➢ 半导体能级结构图.
E0 W=E0-EF 电子亲和
势
Eg
➢ 逸出功W=真空能级E0−费米EF
§5-1 物质中的光吸收
§5-2 光探测的基本物理效应
§5-3 光辐射探测过程中的噪声
一、光电效应 二、光热效应
1. 外光电效应(光电子发射) 2. 内光电效应(光电导效应与光伏效应)
① 光子被材料吸收 ② 光电子向材料表面运动 ③ 光电子逸出界面
§5-4 光辐射的探测方法
一、本征吸收 二、晶格振动吸收 三、自由载流子的光吸收
四、激子吸收 五、杂质吸收
➢ 红外段, 光子和晶格振动互作用引起吸收区. 离子晶体或离子性强化合物(GaAs)存在强晶
➢ 光学或声学波, 原子振 动与波传播方向关系: 一个纵波, 两个横波.
格振动吸收带.
➢ 晶格原子振动由若干不同基本波动按波叠加 原理组合成, 基波—格波.
§5-1 物质中的光吸收
一、本征吸收 二、晶格振动吸收 三、自由载流子的光吸收
§5-2 光探测的基本物理效应
四、激子吸收 五、杂质吸收
§5-3 光辐射探测过程中的噪声
§5-4 光辐射的探测方法
➢ 半导体不纯，存在杂质和缺陷； ➢ 对半导体掺杂。 ➢ 杂质与缺陷局部, 晶格周期势场破坏, 电子能态与晶格其他处不同. ➢ 杂质能级出现在禁带：离导带不远（施主能级）或
a2 (h ) A'Pif N(h ) B' (h Eg )（2 5 1 12）
➢ k=0附近, h -Eg≈0.01eV, h~1eV, (h -Eg)/h =0.01eV/1eV =0.01, 2<<1
➢ k=0被禁止直接跃迁几率比直接跃迁低得多
Ei k' k (5 1 4)
§5-1 物质中的光吸收
1. 直接跃迁(只有光子);
➢ 跃迁在价带顶与导带底间,
2. 间接跃迁(不仅光子).
➢ 产生本征吸收条件:
h Eg h 0 (5 11)
➢ h >Eg, 光吸收系数:
k =0直接跃迁几率
1
a1(h ) APif N(h ) B(h Eg )2 (5 1 9)
Ef
k =0被禁止直接跃迁几率
3
Ei
➢ 略光子:
k
k’
k f ki q（5 116）
问题三：载流子光吸收特点?
受声学声子散射, 1.5 受光学声子散射, 2.5 受电离杂质散射, 3.5
入射光能量低, 导带电子或价带 空穴吸收光子, 载流子能带跃迁.
动量守恒, 电子动量变声子吸收 或发射及电离杂质散射补偿.
➢ 总吸收系数f：
束缚态—激子。
激子在半导体中运动—自由激子。
➢ 运动过程, 激子不带净电荷, 不形成I, 消失:
1. 吸收更多能量(热激发或其他能量激发), 电子与空穴分离;
2. 电子与空穴释放部分能量(发射光子或 发射光子和声子)复合.
➢ 激子处中间态, 光照能量不足产生本征吸收时, 对价带顶电子作用能产生该状态.
a, c施主与导带能级间跃迁
导带 f受主与导带能级间跃迁
施主
e施主与价带能间跃迁
价带
受主 b, d受主与价带能级间跃迁
1. 吸收光 子能量小基态跃到 激发态
2. 入射光子能量小 变大, 现吸收峰
3. 能量一定 杂质电离
4. 能量更大杂质吸收
5
光辐射的探测
§5-1 物质中的光吸收
§5-2 光探测的基本物理效应
I. 锑铯, 锑钾钠铯多碱光电阴极-本征发射体; II. 银氧铯光电阴极-杂质发射体.
Ef
hk' hk 光子动量 0
k' k (5 1 4)
➢ 电子吸收能量, 动量不变-准动量守恒(0)
Ei
问题二：间接跃迁特点?
➢ 间接跃迁: 导带最低能态与价带最高能态k, 跃迁动量变. ➢ 跃迁吸收光子, 借助声子(吸收或发射声子).
Ef
➢ 动量守恒：
k f ki q 光子动量(5 115)
§5-4 光辐射的探测方法
➢ 光照物质, 吸收(本征, 晶格振动, 自由载流子, 杂质和激子);
➢ 电子被激发能量须>真空能级E0逸出表面. 1. 半导体本征吸收系数高, 105cm-1, 本征半导体吸收光子光电子 量子效率高(30%)-本征发射体;
2. 杂质吸收造成光电子发射-杂质发射体;
➢ 杂质浓度低(本征材料1/100), 光电子量子效率<本征吸收光子. ➢ 光电发射体:
§5-1 物质中的光吸收
一、本征吸收 二、晶格振动吸收 三、自由载流子的光吸收
§5-2 光探测的基本物理效应
四、激子吸收 五、杂质吸收
1. 直接跃迁（只有光子） 2. 间接跃迁（不仅光子）
➢ 能级结构, 本征吸收类:
§5-3 光辐射探测过程中的噪声
§5-4 光辐射的探测方法
➢ 半导体本征吸收: 电子吸收光 子能量, 由价带跃迁到导带.
➢ 光辐射探测基础, 物理效应(光电, 光热).
§5-1 物质中的光吸收
一、光电效应 二、光热效应
§5-2 光探测的基本物理效应
§5-3 光辐射探测过程中的噪声
§5-4 光辐射的探测方法
➢ 光照物体使发射电子, 电学性变(电导率, 发射电子, 产生感 应电动势)-光电效应(太阳能电池).
1. 外光电效应: 光辐射, 电子发射(将电子离表面, 器件多阴 极, 倍增效果.
§5-3 光辐射探测过程中的噪声 §5-4 光辐射的探测方法
第十七讲要点
1
2
3
光电效应
光热效应
结合半导 体几种光 吸收过程
特点
分类
光与物质作用
光电效应
外光电效应 内光电效应
光电导效应 光伏效应
热释电效应 光热效应 测辐射热计效应
温差电效应
§5-1 物质中的光吸收
§5-2 光探测的基本物理效应
§5-3 光辐射探测过程中的噪声
§5-4 光辐射的探测方法
➢ 光入射半导体, 光子(EM波)与物质微粒作用, 引起： 1. 光电效应和 2. 光热效应(光化)
➢ 实现: 能量转换, 光辐射能其他能, 辐射信息其他(电热)信息. ➢ 检测信息(电, 热), 光辐射探测.
➢ 光辐射探测法： 光电转换, 光电信号, 测量处理电信号. 物理基础-光电效应。 物质吸收光辐射能量, T变-热效应。
离价带不远（受主能级）处。 ➢ 光照晶体，这些能级参与光吸收：
电子吸收光子跃迁到导带； 空穴吸收光子跃迁到价带(电子离开价带跃迁到杂质能级),
光吸收—杂质吸收.
§5-1 物质中的光吸收
一、本征吸收 二、晶格振动吸收 三、自由载流子的光吸收
§5-2 光探测的基本物理效应
四、激子吸收 五、杂质吸收
➢ 价带跃到n=1与n=2能级 吸收谱线分辨,
➢ n>3高分别率, 低温测
n=1激子基态能级 n=, Ee=0, 电子与空穴 分离激子全部能级禁带 价带 E∞er导带底能级
➢ Eg小, n>2, 连续.
问题五：杂质吸收特点?
➢ 半导体不纯, 杂质和缺陷; 半导体掺杂 电子吸收光子跃到导带; 空穴吸收光子跃到价带(电子离开价带跃迁杂质能级);
§5-1 物质中的光吸收
一、本征吸收 二、晶格振动吸收 三、自由载流子的光吸收
§5-2 光探测的基本物理效应
四、激子吸收 五、杂质吸收
§5-3 光辐射探测过程中的噪声
§5-4 光辐射的探测方法
光子能量<Eg, 价电子中电子虽跃出价带, 无法达导带, 不成为自由电子, 受空穴库伦作用。
受激电子与价带空穴束缚成新系统: 电子与空穴没完全分离, 也没完全复合.
外光电效应: 光辐射, 电子发射
光照金属或金属氧化物, 光 能传给表面电子, 电子获足 能量, 克服正离子吸引, 离表 面进 空间, 外光电效应.
➢ 外光电效应半导体, 金属-光电发射体.
导带底能级 Ec
EF
➢ 光电子材料逸出: 入射光子能>
光电子发射体逸出功. E入射光子>W光电子发射体
Ex价带顶能级
补偿
激子吸 收
能级形 式
能级形 式
不强调
杂质吸收
杂质能级与 导带底部或 价带顶部间 远红外区及 本征吸收长波 限以外附近
第五章习题 1, 2, 3, 5, 8, 9, 11, 12
问题一：直接跃迁特点?
➢ 波矢k电子吸收光子, 跃迁k’, k和k’：
➢ 光子动量h/, 与电子动量(T=300K, 量级510-9m, 光h/10-25, 电3.510-19m, h/10-15)比极小, 0.
2. 内光电效应: 光照物质内电子能态变, 表面不发射电子 {光子激发载流子(电子或空穴)留材料内}.
§5-1 物质中的光吸收
§5-2 光探测的基本物理效应
一、光电效应 二、光热效应
1. 外光电效应(光电子发射) 2. 内光电效应(光电导效应与光伏效应)
§5-3 光辐射探测过程中的噪声
§5-4 光辐射的探测方法
一、本征吸收 二、晶格振动吸收 三、自由载流子的光吸收
§5-2 光探测的基本物理效应
四、激子吸收 五、杂质吸收
1. 直接跃迁（只有光子） 2. 间接跃迁（不仅光子）
Ef
§5-3 光辐射探测过程中的噪声
§5-4 光辐射的探测方法
➢ 间接跃迁: 导带最低与价带最高能 量态k不等, 间接跃迁, 动量变化;
§5-2 光探测的基本物理效应
四、激子吸收 五、杂质吸收
自由载离子动量(k)变化在同 一能带内. 电子与晶格碰撞, 电子跃迁：
受声学声子散射, ∝1.5
受光学声子散射, ∝2.5
受电离杂质散射, ∝3.5
§5-3 光辐射探测过程中的噪声
§5-4 光辐射的探测方法
入射光能量低，导带电子或价带空 穴吸收光子，载流子在能带跃迁— 自由载流子吸收。
物理与微电子科学学院
School of Physics and Microelectronics Science
光电子学 第五章 光辐射的探测 第十七讲
湖南大学 物理与微电子科学学院，王玲玲
2016 年 3 月
5
光辐射的探测（回顾第十六讲内容）
§5-1 物质中的光吸收
§5-2 光探测的基本物理效应 §5-3 光辐射探测过程中的噪声 §5-4 光辐射的探测方法
吸收能量在红外波段。
与本征吸收间接跃迁类似，载流子 跃迁满足能量、动量守恒。
动量守恒，电子动量改变由声子吸 收或发射及电离杂质散射补偿。
➢ 总自由载流子吸收系数f三种和：
f A1.5 B2.5 C3.5 DS (5 1 28)
➢ A, B, C与无关常数；S波长指数；D
与S常数，S随半导体掺杂↑。
§5-3 光辐射探测过程中的噪声
§5-4 光辐射的探测方法
各种吸收性能比较
特点
能量守 恒
本征吸收
能量和 动量守恒
晶格振动吸 收
能量和动量 守恒
能带
导带和 吸收或放出 价带间 声子过程
发生 不强调 红外波段
能量改 变
自由载流子光吸 收
能量和动量守恒
自由载离子 k 变 化发生在同一能
带内
红外波段
电子动量改变由 声子吸收或发射 及电离杂质散射
f A1.5 B2.5 C3.5 DS (5 1 28)
问题四：激子吸收特点?
光子能量<Eg, 价电子跃出价带, 无法达导带, 不为自由电子.
➢ 激子电子与空穴作用, 类 H原子电子与质子, 能级:
Eenx
8
e4m
2 2
0
h2n2
(5 1 29)
受激电子与价带空穴束缚新系统: 激子
导带
➢ a格波, 能量:
Ea
(n
1 2
)h
a
➢ ha—声子(h—光子).
➢ 格波失q表示格波及传播方向, |q| =1/
原胞有一个原子, 每个q有三个格波;
原胞含两个原子, 每个q有6个格波, 及振动 方向不同, 低三个-声学波, 高三个-光学波.
光子与晶格振动作用, 一个光 子产生一个声子, 守恒定律:
吸收光子能量小基态跃到激发态光辐射的探测554光辐射的探测方法53光辐射探测过程中的噪声51物质中的光吸收52光探测的基本物理效应第十七讲要点光电效应结合半导体几种光吸收过程特点132光热效应分类光与物质作用光电效应光热效应热释电效应测辐射热计效应温差电效应外光电效应内光电效应光电导效应光伏效应光入射半导体光子em波与物质微粒作用引起
e
EP kT
EP )2 (当h Eg EP ) (5 1 24)
发射一个声子间接跃迁吸收系数
'
(h
)
' a
(h
)
' e
(h
)
(5
1
25
)
总=吸收一个声子间接跃迁+发射一个声子间接跃迁 ➢ 间接跃迁a’<<直接跃迁a, 差103倍
§5-1 物质中的光吸收
§5-2 光探测的基本物理效应
§5-3 光辐射探测过程中的噪声