半導體材料吸收光子能量轉(zhuǎn)換成電能是光電器件的工作基礎。光垂直入射到半導體表面時，進入到半導體內(nèi)的光強遵照吸收定律：

I_x=I₀(1-r)e^-αx

光垂直入射于半導體表面時發(fā)生反射與吸收

I_x：距離表面x遠處的光強

I₀：入射光強

r：材料表面的反射率

α：材料吸收系數(shù)，與材料、入射光波長等因素有關(guān)

本征吸收與非本征吸收：

本征吸收:

    半導體吸收光子的能量使價帶中的電子激發(fā)到導帶，在價帶中留下空穴，產(chǎn)生等量的電子與空穴，這種吸收過程叫本征吸收。

    產(chǎn)生本征吸收的條件：入射光子的能量（hν）至少要等于材料的禁帶寬度E_g。即

hν≥E_g

從而有

ν₀≥E_g/h

λ₀≤h/E_g=1.24μm·eV/E_g

h：普朗克常數(shù)

c：光速

ν₀：材料的頻率閾值

λ₀：材料的波長閾值

幾種重要半導體材料的波長閾值

材料 溫度/K E_g /eV λ/μm 材料 溫度/K E>g /eV λ/μm Se 300 1.8 0.69 InSb 300 0.18 6.9 Ge 300 0.81 1.5 GaAs 300 1.35 0.92 Si 290 1.09 1.1 Gap 300 2.24 0.55 PbS 295 0.43 2.9 　 　 　 　

 

 

 

 

非本征吸收：

[各種非本征吸收的示意圖，表示出不同能量光子的不同吸收非本征吸收包括雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收、激子吸收和晶格吸收等。

雜質(zhì)吸收：雜質(zhì)能級上的電子（或空穴）吸收光子能量從雜質(zhì)能級躍遷到導帶（空穴躍遷到價帶），這種吸收稱為雜質(zhì)吸收。雜質(zhì)吸收的波長閾值多在紅外區(qū)或遠紅外區(qū)。

自由載流子吸收：導帶內(nèi)的電子或價帶內(nèi)的空穴也能吸收光子能量，使它在本能帶內(nèi)由低能級遷移到高能級，這種吸收稱為自由載流子吸收，表現(xiàn)為紅外吸收。

激子吸收：價帶中的電

子吸收小于禁帶寬度的光子能量也能離開價帶，但因能量不夠還不能躍遷到導帶成為自由電子。這時，電子實際還與空穴保持著庫侖力的相互作用，形成一個電中性系統(tǒng)，稱為激子。能產(chǎn)生激子的光吸收稱為激子吸收。這種吸收的光譜多密集與本征吸收波長閾值的紅外一側(cè)。

晶格吸收：半導體原子能吸收能量較低的光子，并將其能量直接變?yōu)榫Ц竦恼駝幽�，從而在遠紅外區(qū)形成一個連續(xù)的吸收帶，這種吸收稱為晶格吸收。

半導體對光的吸收主要是本征吸收。對于硅材料，本征吸收的吸收系數(shù)比非本征吸收的吸收系數(shù)要大幾十倍到幾萬倍，一般照明下只考慮本征吸收，可認為硅對波長大于1.15μm的可見光透明。

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