的光子使电子激发，越过禁带跃迁入空的导带，而在价带中留下一个空穴，形成的吸收过程称为本征吸收。显然，要发生本征吸收。光子能量必须等于或大于禁带宽度，即对应于本征吸收光谱，在低频方面必然存在一个频率界线（或者说在长波方面存在一个波长极限）。当频率低于频率界线，或波长大于波长极限时，不可能产生本征吸收，吸收系数迅速下降。这种吸收系数显著下降的特定波长（或特定频率），称为半导体的本征吸收限。

直接跃迁：在光照下，电子吸收光子的跃迁过程，除了能量必须守恒以外，还必须满足动量守恒，即所谓满足选择定则。设电子原来的波矢量是k，要跃迁到波矢量是k'的状态。由于对于能带中的电子， hk具有类似动量的性质，因此在跃迁过程中，k和k'必须满足如下的条件： hk'?hk?光子动量

由于一般半导体所吸收的光子，其动量远小于能带中电子的动量，光子动量可忽略不计因而上式可近似地写为： k'?k

这说明，电子吸收光子产生跃迁时波矢保持不变（电子能量增加）。这就是电子跃迁地选择定则。为了满足选择定则，以使电子在跃迁的过程中波矢保持不变，则原来在价带中的状态A的电子只能跃迁到导带中的状态B。A与B在E(k)曲线上位于统一垂线上，因而这种跃迁称为直接跃迁。在A到B直接跃迁中所吸收光子的能量h?与图中垂直距离AB相对应。显然，对应于不同的k，垂直距离各不相等就是说相当于任何一个k值的不同能量的光子都有可能被吸收，而吸收的光子最小能量应等于禁带宽度。由此可见，本征吸收形成一个连续吸收带，并具有一长波吸收限v0?Eg/h。因而从光吸收的测量，也可求得禁带宽度Eg的数据。在常用半导体中，Ⅲ–Ⅴ族的砷化镓、锑化铟及Ⅱ–Ⅵ族等材料，导带极小值和价带极大值对应于相同的波矢，常称为直接带隙半导体。这种半导体在本征吸收过程中，产生的电子直接跃迁。

间接跃迁：本征吸收中，除了附和选择定则的直接跃迁外，还存在着非直接跃迁过程。在非直接跃迁过程中，电子不仅吸收光子，同时还和晶格交换一定的振动能量，即放出或吸收一个声子。因此，严格讲，能量转换关系应该考虑声子的能量。非直接跃迁过程是电子、光子和声子三者同时参加的过程，能量关系应该是h?0?Ep?电子能量差?E，式中Ep代表声子的能量，加号是吸收声子，减号是发射声子。因为声子的能量非常小，数量级在百分之几电子伏特以下，可以忽略不计。因此，粗略地讲，电子在跃迁前后的能量差就等于所吸收的光子能量，声子的能量只在禁带宽度这个能量附近有微小的变化。所以，由非直接跃迁得出和直接跃迁相同的关系就是?E?h?0?Eg。总之，在光的本征吸收过程中，如果只考虑电子和电磁波的相互作用，则根据动量守恒要求，只可能发生直接跃迁；但如果还考虑电子与晶格的相互作用，则非直接跃迁也是可能的，这是由于

反射或吸收一个声子，使动量守恒原则仍然得到满足。由于间接跃迁的吸收过程，一方面依赖于电子与电磁波的相互作用，另一方面还依赖于电子与晶格的相互作用，故在理论上是一种二级过程。发生这样的过程，其几率要比只取决于电子与电磁波相互作用的直接跃迁的几率小的多。因此，间接跃迁的光吸收系数比直接跃迁的光吸收系数小的多。

硅、锗和砷化镓的吸收光谱：硅和锗是间接带隙半导体，光子能量h?0?Eg时，本征吸收开始。随着光子能量的增加，吸收系数首先上式到一段较平缓的区域，这对应于间接跃迁；向更短波长方面，随着光子能量增加，吸收系数再一次陡增，发生强烈的光吸收，表示直接跃迁的开始。砷化镓是直接带隙半导体，光子能量大于h?0后，一开始就有强烈吸收，吸收系数陡峻上升。反映出直接跃迁过程。

研究本征吸收的意义：研究半导体的本征吸收光谱，不仅可以根据吸收限决定禁带宽度，还有助于了解能带的复杂结构，也可作为区分直接带隙和间接带隙半导体的重要依据。对于重掺杂半导体，例如n型半导体，费米能级将进入导带。温度较低时，费米能级以下的状态将被电子占据，价带电子只能跃迁到费米能级以上的状态。因此，本征吸收的长波限要向短波反向移动，这一现象称为伯斯坦移动。在强电场作用下，本征吸收的长波限将向长波反向移动，这意味着，能量比禁带宽度小的光子也能发生本征吸收，它是通过光子诱导的隧道效应实现的。

掌握本征半导体吸收特点及直接跃迁和间接跃迁的特点(间接跃迁还要考虑电子和晶格的作用,因此,发生间接跃迁的几率比直接跃迁小,故间接跃迁的吸收系数比直接跃迁的吸收系数小).熟悉其它吸收机构产生吸收的机理。

8、光电导：光吸收使半导体中形成非平衡载流子；而载流子浓度的增大必须使样品电导率增大。这种由光照引起半导体电导率增大的现象称为光电导效应。本征吸收引起的附加光电导率称为本征光电导率，简称本征光电导。设光注入的非平衡载流子的浓度分别为?n及?p。当电子刚被激发到导带时，可能比原来在导带中的热平衡电子有较大的能量；但光生电子通过与晶格碰撞，在极短的时间内就以反射声子的形式丢失多余的能量，变成热平衡电子。因此，可以认为在整个光电导过程中光生电子与热平衡电子具有相同的迁移率，因此附加光电导率

???q(?n?n??p?p)。

定态光电导：定态光电导是指恒定光照下产生的光电导。如果光照时间足够长，定态光电导将不随时间变化。光照开始时，由于光的吸收，非平衡载流子即光生载流子的产生率大于复合率，非平衡载流子开始增加。如果光照保持不变，光生载流子浓度应随时间线性增大。但事实上，由于光激发的同时还存在复合过程，因此，光生载流子浓度不可能直线上升。光生载流子浓度随时间的变化为非直线上升，最后达到一稳定值，这时附加电导率也达到稳定值。这就是定态光电导。显然，达到定态光电导时，电子空穴的复合率等于产生率。

光电导的弛豫过程：光照后经过一定的时间才能达到定态光电导，同样，当光照停止后光电导也是逐渐地消失。这种在光照下光电导率逐渐上升和光照停止后光电导率逐渐下降的现象，称为光电导的弛豫现象或叫做光电导的弛豫过程。在小注入情况下，光电导均按指数规律上升或下降；大注入情况下，光电导地上

升或下降规律比小注入复杂。

第十一章 半导体的热电性质

要求掌握PPT课件上所介绍的各种热电效应的物理原理及应用

第十二章 半导体磁和压阻效应

本章要求掌握的内容及考点：

霍耳效应：把通有电流的半导体放于均匀的磁场中，并使磁场方向垂直于电流方向，在垂直于磁场和电流的方向上产生横向电场，这个现象称为霍耳效应。这个横向电场称为霍耳电场。霍耳效应的实质是带电粒子（电子或空穴）在磁场中受到洛仑兹力的结果。实验表明，在磁场不太强的情况下，霍耳电场与电流密度和磁感应强度成正比，即Ey?RHjxBZ，比例系数RH称为霍耳系数，可以通过实验间接测量。在实验中通常用霍耳电压和电流强度代替霍耳电场和电流密度，即RH?VHd，式中d为磁场方向上样品的厚度。理论分析表明，对IxBz于不同的材料，若不考虑载流子速度的统计分布，弱磁场下的霍耳系数： n型半导体： RH??1 nq p型半导体： RH?1 pq由上两式看出，只有一种载流子时，n型和p型半导体的霍耳系数的符号是相反的，原因是它们的霍耳电场方向相反。如果计入载流子速度的统计分布，上两式右端均乘以因子

?H/?，?H称为霍耳迁移率。如果半导体中有两种载流子即电子和空穴，不计入载流子速

度的统计分布时，霍耳系数为：

?n1(p?nb2) RH? （式中 ） b?2q(p?nb)?p?Hn?Hp?H如果计入载流子速度的统计分布，设，在这种情况下，上式右端乘以???n?p??H/?n。

n型半导体和p型半导体的霍耳系数符号相反，也即霍耳电压的正负相反。所以利用霍

耳电压的正负可以判断半导体的导电类型。利用霍耳效应制成的电子器件称为霍耳器件。为了使霍耳效应比较大，常选用迁移率高的半导体材料，因为迁移率高，在同样电场作用下，

漂移速度大，因而加磁场后载流子受到的洛仑兹力就大，霍耳效应就明显。实际上常选用锑化铟、砷化铟等化合物半导体或是锗来作霍耳器件。因为霍耳输出电压正比于控制电流和磁感应强度的乘积，使用上可使其中一个量保持不变，另一个作变量，或者两者都作变量，因而可有各种不同的用途。

掌握霍耳效应原理，掌握弱磁场情况下，不考虑载流子速度的统计分布时，n型或p型半导体中只有一种载流子及有两种载流子半导体的霍耳系数公式的推导过程及应用。能用霍耳效应原理指导实验。了解霍耳效应的基本应用。

掌握光磁电效应的物理原理。