1.5 半导体对光的吸收

1．物质对光吸收的一般规律

光波入射到物质表面上，用透射法测定光通量的衰减时，发现通过路程dx的光通量变化dΦ与入射的光通量Φ和路程dx的乘积成正比，即

式中，α称为吸收系数。物质对光的吸收示意图如图1-8所示。利用初始条件x =0时Φ =Φ0，解上式的微分方程，可以找到通过x路程的光通量为

当光在物质中传播时，透过的能量衰减到原来能量的e-1时所通过的路程xα的倒数等于该物质的吸收系数α，即

另外，根据电动力学理论，平面电磁波在物质中传播时，其电矢量和磁矢量都按指数规律衰减。而能流密度正比于电矢量EY=和磁矢量HZ=的乘积，其实数部分为辐通量，它是传播路径x的函数。即

式中，μ称为消光系数。

由此可以得出

该式表明，若消光系数μ是与光波波长无关的常数，则吸收系数α与波长成反比。半导体的消光系数μ与入射光的波长无关，表明它对愈短波长的光吸收愈强。普通玻璃的消光系数μ也与波长λ无关，因此，它们对短波长辐射的吸收比长波长强。

当不考虑反射损失时，吸收的光通量应为

2．半导体对光的吸收

半导体对光的吸收可分为本征吸收、杂质吸收、激子吸收、自由载流子吸收和晶格吸收。

（1）本征吸收

在不考虑热激发和杂质的作用时，半导体中的电子基本上处于价带中，导带中的电子数很少。当光入射到半导体表面时，原子外层价电子吸收足够的光子能量，越过禁带，进入导带，成为可以自由运动的自由电子。同时，在价带中留下一个自由空穴，产生电子-空穴对。如图1-9所示，半导体价带电子吸收光子能量跃迁入导带，产生电子-空穴对的现象称为本征吸收。

显然，发生本征吸收的条件是光子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg，这样才能使价带Ev上的电子吸收足够的能量跃入到导带低能级Ec之上，即

由此，可以得到发生本征吸收的光波长波限为

只有波长短于λL的入射辐射才能使器件产生本征吸收，改变本征半导体的导电特性。

（2）杂质吸收

N型半导体中未电离的杂质原子（施主原子）吸收光子能量hν。若hν≥ΔED（施主电离能），杂质原子的外层电子将从杂质能级（施主能级）跃入导带，成为自由电子。

同样，P型半导体中，价带上的电子吸收能量hν＞ΔEA（受主电离能）的光子后，价电子跃入受主能级，价带上留下空穴。相当于受主能级上的空穴吸收光子能量跃入价带。

这两种杂质半导体吸收足够能量的光子，产生电离的过程称为杂质吸收。

显然，杂质吸收的长波限

或

由于Eg＞ΔED或ΔEA，因此，杂质吸收的长波限总要长于本征吸收的长波限。杂质吸收会改变半导体的导电特性，也会引起光电效应。

（3）激子吸收

当入射到本征半导体上的光子能量hν小于Eg，或入射到杂质半导体上的光子能量hν小于杂质电离能（ΔED或ΔEA）时，电子不产生能带间的跃迁成为自由载流子，仍受原来束缚电荷的约束而处于受激状态。这种处于受激状态的电子称为激子。吸收光子能量产生激子的现象称为激子吸收。显然，激子吸收不会改变半导体的导电特性。

（4）自由载流子吸收

对于一般半导体材料，当入射光子的频率不够高，不足以引起电子产生能带间的跃迁或形成激子时，仍然存在着吸收，而且其强度随波长增大而增强。这是由自由载流子在同一能带内的能级间的跃迁所引起的，称为自由载流子吸收。自由载流子吸收不会改变半导体的导电特性。

（5）晶格吸收

晶格原子对远红外谱区的光子能量的吸收，直接转变为晶格振动动能的增加，在宏观上表现为物体温度升高，引起物质的热敏效应。

以上五种吸收中，只有本征吸收和杂质吸收能够直接产生非平衡载流子，引起光电效应。其他吸收都程度不同地把辐射能转换为热能，使器件温度升高，使热激发载流子运动的速度加快，而不会改变半导体的导电特性。