《微电子学概论》第八章-光电子器件课件.ppt

1、光电子器件v光电子器件：光子和电子共同作用的半导体器件发光器件：将电能转换为光能v发光二极管(Light Emitting Diode，缩写为LED)v半导体激光器光电探测器：利用电子学方法检测光信号的太阳能电池：将光能转换为电能OUTLINE固体中的光吸收和光发射固体中的光吸收和光发射半导体发光二极管半导体激光器光电探测器半导体太阳能电池v光具有波粒二象性v 在固体中，光子和电子之间的相互作用有三种基本过程：光吸收自发发射受激发射衡载流子数单位时间内注入的非平数单位时间内产生的光子r两个能级之间的三种基本跃迁过程两个能级之间的三种基本跃迁过程(a)吸收吸收 (b)自发发射自发发射 (c)受激

2、发射受激发射n光电效应光电效应 用光照射某一物体，可以看做是一连串能量用光照射某一物体，可以看做是一连串能量光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收（个电子所吸收（根据爱因斯坦假设根据爱因斯坦假设），电子得到），电子得到光子传递的能量后其能态发生变化，从而使受光光子传递的能量后其能态发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应，把这种物理现象照射的物体产生相应的电效应，把这种物理现象称为称为光电效应。光电效应。光吸收（内光电效应）光吸收（内光电效应）光发

3、射（外光电效应）光发射（外光电效应）当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。光电导效应 在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，引起载流子的激发，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。光吸收（内光电效应）光吸收（内光电效应）过程：过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。导带价带禁带自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带Eg光生伏特效应

4、 在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。基于该效应的光电器件有半导体太阳能电池。以PN结为例，光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在耗尽层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。I光 光电池的工作原理示意图 P N固体中的光吸收过程固体中的光吸收过程本征吸收(a,b)非本征吸收(c)激子吸收 自由载流子吸收晶格吸收杂质吸收 在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发

5、射的电子向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有基于外光电效应的光电器件有半导体发光二级半导体发光二级管管、光电管、光电倍增管等。光电管、光电倍增管等。光发射的前提条件：光发射的前提条件：由于电子从高能级向低能级跃迁由于电子从高能级向低能级跃迁时，释放出的能量以光子的形式存在，当电子处于高时，释放出的能量以光子的形式存在，当电子处于高能级时，系统往往处于不稳定状态能级时，系统往往处于不稳定状态（激发能级）。（激发能级）。光发射（外光电效应）光发射（外光电效应）光发射的方式光发射的方式n自发发射n受激发射n发光器件 n受激辐射受激辐射和自发辐

6、射自发辐射产生的光的特点不同 受激辐射受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光相干光。自发辐射自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光非相干光。n半导体中导致光辐射的非平衡载流子复合非平衡载流子：处于激发状态的少数载流子。半导体中导致光辐射的几种非平衡载流子复合过程衡载流子数单位时间内注入的非平数单位时间内产生的光子rOUTLINE固体中的光吸收和光发射半导体发光二极管半导体发光二极管半导体激光器光电探测器半导体太阳能电池v半导体电致发光有着悠久的历史1907年观察到电流通过硅检波器时

7、发黄光现象1923年在碳化硅检波器中观察到类似的现象1955年观察到III-V族化合物中的辐射1961年观察到磷化镓pn结的发光60年代初期GaAs晶体制备技术的显著发展1962年制成GaAs发光二极管和GaAs半导体激光器异质结的发展对结型发光器件性能的提高也起了很大的推进作用半导体发光二级管半导体发光二级管n工作原理：（电致发光器件）在正向偏置的PN结中，依靠非平衡少数载流子注入作用，使电子和空穴分别注入p区和n区，非平衡少子与多子复合时，以辐射光子的形式将多余能量转变成光能。非平衡载流子：处于激发状态的少数载流子。n发光过程：正向偏置下的载流子注入复合辐射光能传输正向偏置下的载流子注入及

8、复合辐射（以同质PN结为例）正向偏置时的pn结能带图衡载流子数单位时间内注入的非平数单位时间内产生的光子rn扩散电流导致发光二极管辐射复合的主要电流。n辐射效率（内量子效率）产生辐射的电流在总扩散电流中的比例与pn结内部的掺杂浓度有关衡载流子数单位时间内注入的非平数单位时间内产生的光子r半导体发光二级管的材料n具备的条件：具有合适的禁带宽度Eg可获得电导率高的n型和p型晶体晶体的完美性好发光的辐射复合几率大OUTLINE固体中的光吸收和光发射半导体发光二极管半导体激光器半导体激光器光电探测器半导体太阳能电池v半导体发射激光，即要实现受激发射，必须满足下面三个条件：通过施加偏压等方法将电子从能量

9、较低的价带激发到能量较高的导带，建立粒子数反转分布，以产生受激辐射形成光谐振腔，使受激辐射光子增生，产生受激振荡，导致产生的激光沿谐振腔方向发射满足一定的阈值条件，使电子增益大于电子损耗，以产生自激振荡条件1：粒子数反转分布设在单位物质中低能级电子数和高能级电子数分别为N1和N2物质在正常状态下N1N2，受激吸收与受激辐射的速率分别比例于N1和N2且比例系数相等，此时光通过该物质时，光强会衰减，物质为吸收物质。若N2N1，受激吸收小于受激辐射，光通过该物质时，光强会放大，该物质成为激活物质。N2N1的分布与正常状态相反，故称为粒子数反转分布。增益区（粒子数反转分布区）的产生：PN结界面上由于多

10、数载流子扩散运动形成内部空间电场区，该电场导致载流子的漂移运动，无外加电压时，两种运动处于平衡状态，能带发生倾斜。当外加正向电压时，内部电场被削弱，扩散运动加强，能带倾斜减小，在PN结形成一个增益区（粒子数反转分布区），高浓度的电子和空穴进入激发态，可产生自发辐射。条件2：激光振荡和光学谐振腔v激光振荡的产生：激光振荡的产生：粒子数反转分布粒子数反转分布（必要条件)激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择=连续的光放大和激光振荡输出（维持自激振荡）。v光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成。腔内物质具备粒子数反转分布，可用其产生的自发辐射光作入射光，经反射镜反射沿轴线

11、方向传播的光被放大，沿非轴线方向传播的光被减弱，反射光经反射镜多次反射不断被放大，方向性不断改善，使增益大幅度提高。条件3：阀值电流密度n由于半导体内的光子吸收、反射镜面上的部分穿透和反射，使得激光振荡存在损耗n光增益对电流的增大而增大；当光强足够小时，谐振腔增益为常数；当光强增大到一定程度时，增益系数随光强的增加而下降，出现增益饱和；当饱和增益等于损耗时，出现稳态振荡n当增益系数高于某一最低限度，才足以克服损耗，产生振荡，输出激光，此时对应的最小电流密度，称为阀值电流密度OUTLINE固体中的光吸收和光发射半导体发光二极管半导体激光器光电探测器光电探测器半导体太阳能电池v光电探测器：利用入射

12、光子与半导体中处于束缚态的电子(或空穴)相互作用，将它们激发为自由态，引起半导体的电阻降低或者产生电动势v光子探测器的三个基本过程：光子入射到半导体中并产生载流子载流子在半导体中输运并被某种电流增益机构倍增产生的电流与外电路相互作用，形成输出信号，从而完成对光子的探测光电探测器v内光电效应光电导效应：光生载流子改变半导体的电阻率光伏特效应：光生电子和空穴在内建电场作用下作漂移运动，如器件开路，在在器件两端产生光生电动势基本的光电效应v光敏电阻（光电导探测器）：光敏电阻通常由一块状或薄膜状半导体及其两边的欧姆接触构成衡载流子数单位时间内注入的非平数单位时间内产生的光子r光电导探测器n光电二极管光

13、电二极管：光电二极管实际上就是一个工作在反向偏置条件下的pn结np-i-np-i-n管是光电二极管中的一种管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样，PN结的内电场就基本上全集中于 I 层中，提高光电探测器的灵敏度 P-Si N-Si I-SiPIN管结构示意图P-I-N光电二极管OUTLINE固体中的光吸收和光发射半导体发光二极管半导体激光器光电探测器半导体太阳能电池半导体太阳能电池半导体太阳能电池半导体太阳能电池v吸收光辐射而产生电动势，它是半导体太阳能电池实现光电转换的理论基础v产生光生伏特效应的两个基本条件：半导体材料对一定波长的入射光有足够大的光吸收系数，即要求入射光子的能量h大于或等于半导体的禁带宽度Eg具有光生伏特结构，即有一个内建电场所对应的势垒区v影响太阳能影响太阳能电池转换效电池转换效率的主要因率的主要因素有：表面素有：表面太阳光的反太阳光的反射、射、pn结漏结漏电流和寄生电流和寄生串联电阻等串联电阻等作业作业v解释半导体发光二极管的工作原理解释半导体发光二极管的工作原理v解释半导体激光器必须具备的三个基解释半导体激光器必须具备的三个基本条件本条件