半导体器件原理 第七章

1、半导体器件原理半导体器件原理第七章第七章 光器件光器件Optical Devices半导体光电器件半导体光电器件 前面讨论了用于放大或者转换前面讨论了用于放大或者转换电信号电信号的晶体管的基本的晶体管的基本物理结构。半导体同样可以设计和生产出物理结构。半导体同样可以设计和生产出探测和产生光探测和产生光信号的器件信号的器件。l光电二极管：光电二极管： 把光子能量转换为电能，目的是把光子能量转换为电能，目的是探测或探测或获取光信息获取光信息。l太阳能电池：太阳能电池： 把把光子能量转换为电能光子能量转换为电能，目的是产生电，目的是产生电能。能。l发光二极管（发光二极管（LED）： 光子发射是由于电

2、子从导带向光子发射是由于电子从导带向价带的自发跃迁，导致很宽的光谱输出带宽。价带的自发跃迁，导致很宽的光谱输出带宽。l激光二极管激光二极管：改进的：改进的LED，带宽很窄且光子输出连续，带宽很窄且光子输出连续把电能转换为光能把电能转换为光能第七章：光器件第七章：光器件7.1 7.1 光学吸收光学吸收7.2 7.2 太阳能电池太阳能电池7.3 7.3 光电探测器光电探测器7.4 7.4 光致发光和电致发光光致发光和电致发光7.5 7.5 发光二极管发光二极管7.6 7.6 激光二极管激光二极管* * l光具有波粒二象性，表明光波能被看成粒子，即光光具有波粒二象性，表明光波能被看成粒子，即光子。子

3、。l光子的波长和能量具有如下关系：光子的波长和能量具有如下关系：mEEhchhcc 24. 1 能量能量动量动量频率频率波长波长hE 1hP PcE c7.1 7.1 光学吸收光学吸收l几种可能的光电半导体的作用机理：几种可能的光电半导体的作用机理：u光子和晶格作用，将能量转换为焦耳热；光子和晶格作用，将能量转换为焦耳热；u光子与杂质、施主或者受主作用；光子与杂质、施主或者受主作用；u与半导体内部缺陷作用；与半导体内部缺陷作用；u最容易与价电子作用，释放出的能量足够将电最容易与价电子作用，释放出的能量足够将电子激发到导带。这样就产生了电子子激发到导带。这样就产生了电子-空穴对，形空穴对，形成过

4、剩载流子浓度。成过剩载流子浓度。7.17.1.1 .1 光子吸收系数光子吸收系数l当一定波长的光照射半当一定波长的光照射半导体时，若导体时，若 Eg则则价带电子吸收光子跃迁价带电子吸收光子跃迁到导带。这种电子由带到导带。这种电子由带与带之间的跃迁所形成与带之间的跃迁所形成的吸收过程，称为本征的吸收过程，称为本征吸收。吸收。l本征吸收发生的条件：本征吸收发生的条件：hhg00Echhh 0gEh00gh cE07.1 半导体的光吸收半导体的光吸收7 7.1.1.1 1 光子吸收系数光子吸收系数)()( gEh gEh gEh hdxx)(xIdxxIxdI)()( )()(xIdxxdI xeI

5、xI )0()(若若E=hEg，光子能和价电子作用，把电子激发到导带。，光子能和价电子作用，把电子激发到导带。光流强度光流强度I(x) 推导推导(是吸收系数）是吸收系数）不同长度的光吸收不同长度的光吸收称为吸收系数，单位称为吸收系数，单位cm-1x)(xI)0( I 大大 小小p光流强度随深入半导体材料光流强度随深入半导体材料的距离指数衰减。的距离指数衰减。p吸收系数大，光的吸收实际吸收系数大，光的吸收实际上集中在很薄的表面层内。上集中在很薄的表面层内。两种不同吸收系数的两种不同吸收系数的光强度与距离关系光强度与距离关系l半导体的吸收系数是半导体的吸收系数是光能和禁带宽度的函光能和禁带宽度的函

6、数。数。几种不同波长的半导体几种不同波长的半导体材料的吸收系数与波材料的吸收系数与波长的关系。长的关系。l若若hEg，不同半导体材料的吸收限：不同半导体材料的吸收限：meVInGaAs 75. 1/71. 0meVSiC 41. 0 3Eg 0 meVGeSi 4 . 1/89. 0光波长范围（大气窗口）：光波长范围（大气窗口）：nmnm780093 可见光：可见光：mm 31 近近红红外外：mm 53 中中红红外外：mm 148 远远红红外外：nmnm390300 紫外光：紫外光：7.1.1 光子吸收系数Si Eg=1.12eV 0=1.1mGe Eg=0.66eV 0=1.88m GaAs

7、 Eg=1.43eV 0=0.867m CdS Eg=2.42eV 0=0.513m从紫外区到红外区的电磁波谱图从紫外区到红外区的电磁波谱图7 7.1.1.1 1 光子吸收系数光子吸收系数假设半导体被一光子能量假设半导体被一光子能量h h大于禁带宽度的光大于禁带宽度的光源源均匀均匀照射。照射。光谱与波长和禁带宽度之间的关系光谱与波长和禁带宽度之间的关系7.1 半导体的光吸收半导体的光吸收硅和砷化镓硅和砷化镓可以完全吸可以完全吸收可见光收可见光1、单位体积吸收的能量：、单位体积吸收的能量：)()(xIxE 2、电子、电子-空穴对的产生率：空穴对的产生率： hxIxg)()( 3、过剩载流子浓度：

8、、过剩载流子浓度：nxgn )( )(xI 单位体积7.1.2 电子电子-空穴对的产生率空穴对的产生率光能大于光能大于Eg时，光子能够被半导体吸收，从而产生电时，光子能够被半导体吸收，从而产生电子子-空穴对空穴对第七章：光器件第七章：光器件7.1 7.1 光学吸收光学吸收7.2 7.2 太阳能电池太阳能电池7.3 7.3 光电探测器光电探测器7.4 7.4 光致发光和电致发光光致发光和电致发光7.5 7.5 发光二极管发光二极管7.6 7.6 激光二极管激光二极管* * 7.2 太阳能电池太阳能电池 pn结太阳能电池结太阳能电池即使施加即使施加0偏压，在空间电荷偏压，在空间电荷区也存在电场。入

9、射光照射区也存在电场。入射光照射能够在空间电荷区产生电子能够在空间电荷区产生电子-空穴对，它们将被扫到结两空穴对，它们将被扫到结两边，形成相反方向的光电流边，形成相反方向的光电流IL。带有负载的带有负载的pn结太阳能电池结太阳能电池 太阳能电池是一种在太阳能电池是一种在pn结处没有施加电压的半导体结处没有施加电压的半导体器件器件P-NP-N结的光生伏特效应结的光生伏特效应 a 无光照平衡无光照平衡PN结结b 光照光照PN结开路状态结开路状态c 光照光照PN结短路状态结短路状态d 光照光照PN结有串联电阻结有串联电阻u光生电流的方向相当于普通二级管光生电流的方向相当于普通二级管反向电流方向。反向

10、电流方向。u光照使光照使PN结势垒降低，等效于结势垒降低，等效于PN结外加正向偏压，同样能引起结外加正向偏压，同样能引起P区空区空穴和穴和N区电子向对方的扩散，形成正区电子向对方的扩散，形成正向注入电流。此电流与光生电流相反，向注入电流。此电流与光生电流相反，对电池不利，应使之减小。对电池不利，应使之减小。PN 结为例，分析光电转换的物理过程结为例，分析光电转换的物理过程理想硅太阳能电池的转换效率：理想硅太阳能电池的转换效率：%28(max) Si 实际硅太阳能电池的转换效率：实际硅太阳能电池的转换效率：%15%10 Si 转换效率转换效率 影响因素：串联电阻、表面反射影响因素：串联电阻、表面

11、反射改进方法：聚光（增大短路电流）改进方法：聚光（增大短路电流）%36(max) GaAs 砷化镓太阳能电池：砷化镓太阳能电池： 注意：注意：串联电阻与光透过率是串联电阻与光透过率是矛盾的矛盾的表面减反和纳米结构可表面减反和纳米结构可以增强光吸收以增强光吸收大的光学透镜可用来将太阳光集中到太阳能电池上，使光照大的光学透镜可用来将太阳光集中到太阳能电池上，使光照强度提高几百倍。短路电流随光照强度线性增加，开路电压强度提高几百倍。短路电流随光照强度线性增加，开路电压仅随光强呈对数增大。仅随光强呈对数增大。串联电阻与复合电流串联电阻与复合电流影响电池效率的因素影响电池效率的因素具有串联电阻的太阳电池

12、的电流具有串联电阻的太阳电池的电流电压特性与等效电路电压特性与等效电路l提高太阳电池的转换效率的因素：提高太阳电池的转换效率的因素：最大功率考虑：选用合适最大功率考虑：选用合适Eg的半导体材料；的半导体材料；光谱考虑；光谱考虑；串联电阻与分流电阻的考虑：采用栅格接触形式，串联电阻与分流电阻的考虑：采用栅格接触形式，这种结构能够有大的曝光面积，而同时又使串联电这种结构能够有大的曝光面积，而同时又使串联电阻保持合理的数值；阻保持合理的数值；表面反射考虑：采用抗反射层；表面反射考虑：采用抗反射层；聚光考虑：聚光是用聚光器面积代替许多太阳能电聚光考虑：聚光是用聚光器面积代替许多太阳能电池的面积，从而降

13、低太阳能电池造价，它的另一个池的面积，从而降低太阳能电池造价，它的另一个优点是增加效率。优点是增加效率。 异质结太阳能电池异质结太阳能电池 优点：双能隙，光谱范围宽，转换效率高优点：双能隙，光谱范围宽，转换效率高cEvEFE1gE2gEhAlGaAspGaAspGaAsnocV异质结由两种不同禁带宽度的半导体形成异质结由两种不同禁带宽度的半导体形成热平衡时热平衡时pn异质结能带图异质结能带图7 7. .2 2. .4 4 非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池 材料：非晶态薄膜，大面积化学气相沉积。材料：非晶态薄膜，大面积化学气相沉积。 氢化：减少悬挂键，提高载流子迁移率。氢化：减少悬挂键，提高载流

14、子迁移率。带隙带隙状态状态导带导带价带价带cEvEE状态密度状态密度N(E)eV7 . 1典典型型值值氢化非晶硅氢化非晶硅单晶硅太阳能电池很昂贵，且直径限制在单晶硅太阳能电池很昂贵，且直径限制在6英才左右。一般英才左右。一般太阳能电池供电系统需要一个大面积的电池组。太阳能电池供电系统需要一个大面积的电池组。非晶硅状态密度与能量关系非晶硅状态密度与能量关系cEvEFEcEvEFEocVhnpi铟锡铟锡氧化层氧化层玻璃玻璃非晶硅具有很高的光学吸收系数，大多数太阳光能在表面非晶硅具有很高的光学吸收系数，大多数太阳光能在表面1微米处被吸收。因此，太阳能电池只需要非常薄的一层非微米处被吸收。因此，太阳能

15、电池只需要非常薄的一层非晶硅。典型非晶硅太阳电池是一个晶硅。典型非晶硅太阳电池是一个pin器件。器件。非晶硅被沉积非晶硅被沉积到一个光学透到一个光学透明的铟锡氧化明的铟锡氧化层玻璃衬底上层玻璃衬底上热平衡时的能带图热平衡时的能带图在光照射下，非晶硅在光照射下，非晶硅PIN太阳能电池的能带图太阳能电池的能带图在本征区产生的过剩载流子在在本征区产生的过剩载流子在电场作用下形成光电流电场作用下形成光电流第七章：光器件第七章：光器件7.1 7.1 光学吸收光学吸收7.2 7.2 太阳能电池太阳能电池7.3 7.3 光电探测器光电探测器7.4 7.4 光致发光和电致发光光致发光和电致发光7.5 7.5

16、发光二极管发光二极管7.6 7.6 激光二极管激光二极管* * l光电探测器可以探测光子的存在；光电探测器可以探测光子的存在；l把把光学信号转换成电信号光学信号转换成电信号的半导体器件；的半导体器件；l当过剩电子和空穴在半导体中产生时，材料的当过剩电子和空穴在半导体中产生时，材料的导电率就会增加；导电率就会增加；l导电率的变化是光电探测器的基础。导电率的变化是光电探测器的基础。 平衡电导率：平衡电导率：V L面积面积A)(000pnepn 非平衡电导率（半导体内产生非平衡电导率（半导体内产生 过剩载流子）：过剩载流子）：)()(00ppnnepn 光电导率（电导率的变化量）：光电导率（电导率的

17、变化量）：pepn )(0 光电电流：光电电流：AEGeAEAJIpLpnLL )( h7.3.1 7.3.1 光电导体光电导体两端具有欧姆接触两端具有欧姆接触的半导体材料的半导体材料V产生产生AEGeIpLpnL)(h电子电子漂移漂移时间时间ELtnnALteGInpnpLL)1( 光电导增益：光电导增益：)1(npnpLLphtALeGI 电荷收集速率与电荷电荷收集速率与电荷产生速率的比值产生速率的比值收集收集收集收集7.3.1 7.3.1 光电导体光电导体 工作于工作于反向偏置下反向偏置下的的pn结或金属结或金属-半导体接触半导体接触7.3.2 光电二极管光电二极管光电二极管工作原理：光

18、照反偏光电二极管工作原理：光照反偏PN结，产生的光结，产生的光生载流子被空间电荷区电场漂移形成反向电流。生载流子被空间电荷区电场漂移形成反向电流。光电二极管把光信号转换成了电信号。反向的光光电二极管把光信号转换成了电信号。反向的光电流的大小与入射光的强度和波长有关。光电二电流的大小与入射光的强度和波长有关。光电二极管用于探测光信号。极管用于探测光信号。光电二极管的光电二极管的I-V特性特性说明：光电流的方向是反偏方向，它比说明：光电流的方向是反偏方向，它比pn结二极结二极管的反向饱和电流大几个数量级管的反向饱和电流大几个数量级pn结光电二极管光谱响应特性和频率响应特性结光电二极管光谱响应特性和

19、频率响应特性频率响应在几十频率响应在几十MHz的范围内，因为扩散是相对较的范围内，因为扩散是相对较慢的过程。慢的过程。7.3.3 p-i-n光电二极管光电二极管l光电探测器中，探测器对随时间变化的光信号的响光电探测器中，探测器对随时间变化的光信号的响应速度很重要，在应速度很重要，在空间耗尽层中产生的瞬时光电流空间耗尽层中产生的瞬时光电流才是感兴趣的光电流，为增加光电探测器的灵敏才是感兴趣的光电流，为增加光电探测器的灵敏度，耗尽区的宽度应该做的比较宽。度，耗尽区的宽度应该做的比较宽。p-i-n光电二光电二极管就是为满足这个要求而设计的。极管就是为满足这个要求而设计的。lPIN光电二极管是光电二极

20、管是最常用的光电二极管，其耗尽区最常用的光电二极管，其耗尽区宽度可调制，优化量子效率和频率响应。宽度可调制，优化量子效率和频率响应。p-i-n 光电二极管的截面图光电二极管的截面图p-i-n 光电二极管反偏状态下的光电二极管反偏状态下的能带图和光子产生过程能带图和光子产生过程（1）顶部的）顶部的p+区很薄区很薄，使光吸收最小，使光吸收最小（2）i区掺杂很小区掺杂很小，宽度经过特殊设计，以获，宽度经过特殊设计，以获 得所需得所需 要的特征响应。如宽度等于待测波长的吸收要的特征响应。如宽度等于待测波长的吸收 系数系数 的倒数，就能在这一波长下获得最大响应的倒数，就能在这一波长下获得最大响应（3）p

21、+,n+区的耗尽层宽度基本可忽略，区的耗尽层宽度基本可忽略，i层是全耗尽层是全耗尽 的。大部分的光生载流子是由中间耗尽区产生的的。大部分的光生载流子是由中间耗尽区产生的 载流子组成。载流子组成。（4）i区掺杂很低，电场可近似看作参数，电势和电势区掺杂很低，电场可近似看作参数，电势和电势 能是位置的线性函数。能是位置的线性函数。（5）频率响应特性：）频率响应特性： 耗尽层宽度耗尽层宽度Wi,饱和漂移速度饱和漂移速度vsat=107m/s, 光生载流子渡越耗尽区的时间光生载流子渡越耗尽区的时间t=Wi/vsat 响应频率响应频率f =1/t =vsat/Wi （a） 反偏反偏PIN光电二极管光电二

22、极管 （b） 非均匀光子非均匀光子吸收的几何形状吸收的几何形状p p-i-n光电二极管比普通光电二极管比普通pn结光电二极管的瞬时结光电二极管的瞬时光电流大很多，并具有优良的频率响应特性光电流大很多，并具有优良的频率响应特性,在在光光纤通讯领域纤通讯领域中采用最多。中采用最多。 p 半导体材料的响应截止波长半导体材料的响应截止波长 G=1.24/EG，不同的，不同的材料可做不同波段的光电二极管。材料可做不同波段的光电二极管。 Si的禁带宽度的禁带宽度1.12eV,响应截止波长响应截止波长1.1 m；-族化合物常用族化合物常用来做光电二极管。来做光电二极管。 -族化合物的能带宽度和晶格常数关系图

23、族化合物的能带宽度和晶格常数关系图InGaAs p-i-n光电二极管截面图光电二极管截面图1.3或或1.5 m的光电二的光电二极管极管InP( G=0.95 m) 窗口，窗口， 1.3或或1.5 m的光很容的光很容易通过窗口透射到易通过窗口透射到i层，层，缓冲层是使晶格匹配，缓冲层是使晶格匹配，减少减少i层中的缺陷。层中的缺陷。7.3.4 雪崩光电二极管雪崩光电二极管l与与pn结或结或pin光电二极管相似，只是它所加的反光电二极管相似，只是它所加的反偏电压必须大到能引起碰撞电离。偏电压必须大到能引起碰撞电离。l在耗尽区光生电子在耗尽区光生电子-空穴现在可以通过碰撞电离产空穴现在可以通过碰撞电离

24、产生电子生电子-空穴对，雪崩光电二极管的电流增益与雪空穴对，雪崩光电二极管的电流增益与雪崩倍增因子有关。崩倍增因子有关。l显著的优点显著的优点: 在光信号的放大中使在光信号的放大中使信噪比得到了信噪比得到了改善改善。V npi电场0npi特点：特点：u反偏电压足够高，电子空穴可以产生雪崩倍增；反偏电压足够高，电子空穴可以产生雪崩倍增；u电流增益大，响应频率快。电流增益大，响应频率快。7.3.4 雪崩光电二极管雪崩光电二极管7.3.5 光电晶体管光电晶体管l双极晶体管也可以用作光电探测器。双极晶体管也可以用作光电探测器。特点：特点：u光电流得到放大；光电流得到放大；u响应频率降低（响应频率降低（

25、B-C结电容的弥勒效应）；结电容的弥勒效应）；u非雪崩放大，噪声低。非雪崩放大，噪声低。LEEIII ECII LCCIII LLCIII)1(1 电荷耦合器件电荷耦合器件lMOS型半导体器件，核心是型半导体器件，核心是MOS电容，密排电容，密排MOS二极管有序阵列，加上输入与输出部分就构成了二极管有序阵列，加上输入与输出部分就构成了CCD的基本结构。的基本结构。l电荷耦合器件可用做图像传感器电荷耦合器件可用做图像传感器,也可用做移位寄也可用做移位寄存器存器. 栅极栅极上施加适当的上施加适当的时钟脉冲电压时钟脉冲电压，半导体表面耗尽，形成能存储少子半导体表面耗尽，形成能存储少子的势阱，用的势阱

26、，用光或电光或电方法把代表信号方法把代表信号的少子注入势阱中，再通过时钟脉的少子注入势阱中，再通过时钟脉冲的有规律变化，使势阱深度发生冲的有规律变化，使势阱深度发生相应的变化，从而使注入势阱中的相应的变化，从而使注入势阱中的少子在半导体表面内定向运动，通少子在半导体表面内定向运动，通过对少子的收集得到信号的输出。过对少子的收集得到信号的输出。lCCD存储和转移电荷都是在非稳定状态下进行。存储和转移电荷都是在非稳定状态下进行。lCCD沟道内的载流子仅由信号大小决定，与时钟沟道内的载流子仅由信号大小决定，与时钟脉冲无关，脉冲无关， 时钟脉冲只起存储和转移电荷作用。时钟脉冲只起存储和转移电荷作用。l

27、通常有表面沟道通常有表面沟道CCD （SCCD) 和隐埋沟道和隐埋沟道CCD (BCCD)。表面沟道表面沟道 CCD：沟道：沟道在紧靠绝缘在紧靠绝缘层的半导体层的半导体表面表面表面沟道表面沟道 CCD 中，在适当的时钟电压脉冲作用下，少中，在适当的时钟电压脉冲作用下，少数载流数载流 子电荷包沿半导体表面运动。子电荷包沿半导体表面运动。埋沟埋沟 CCDl对于对于 SCCD，由于电荷包沿边导体表面传输，主要，由于电荷包沿边导体表面传输，主要的限制是表的限制是表 面陷阱效应导致的电荷损失。面陷阱效应导致的电荷损失。l埋沟埋沟 CCD ：电荷包不在半导体表面流过，而是被：电荷包不在半导体表面流过，而是

28、被约束在紧贴半导体表面的沟道内，具有消除界面陷约束在紧贴半导体表面的沟道内，具有消除界面陷阱效应的潜力。阱效应的潜力。与衬底相反类型的与衬底相反类型的窄窄N型半导体层，型半导体层，在栅极加正电压时，在栅极加正电压时，窄窄n型层全部耗尽，型层全部耗尽，成为沟道。成为沟道。迁移率高，界面陷阱导致的电荷损失少。迁移率高，界面陷阱导致的电荷损失少。第七章：光器件第七章：光器件7.1 7.1 光学吸收光学吸收7.2 7.2 太阳能电池太阳能电池7.3 7.3 光电探测器光电探测器7.4 7.4 光致发光和电致发光光致发光和电致发光7.5 7.5 发光二极管发光二极管7.6 7.6 激光二极管激光二极管*

29、 * l光子吸收产生电子光子吸收产生电子-空穴对时，复合过程产生的光空穴对时，复合过程产生的光子发射称为子发射称为光致发光；光致发光；l电致发光电致发光是由于电流激发过剩载流子，从而发射光是由于电流激发过剩载流子，从而发射光子的过程。子的过程。 电子和空穴的产生与复合电子和空穴的产生与复合7.4光致发光和电致发光光致发光和电致发光7.4.1 基本跃迁基本跃迁l产生电子产生电子-空穴对有很多可能的复合过程。空穴对有很多可能的复合过程。（a）直接复合）直接复合（b）R-G中心复合中心复合（d）直接产生）直接产生（e）R-G中心产生中心产生l在复合过程中电子多余的能量可以以发射光子的形在复合过程中电

30、子多余的能量可以以发射光子的形式释放出来，这种复合称为式释放出来，这种复合称为辐射复合辐射复合，它是光吸收，它是光吸收的逆过程。的逆过程。 l 在复合过程中电子的多余能量也可以以其它形式在复合过程中电子的多余能量也可以以其它形式释放出来，而不发射光子，这种复合称为释放出来，而不发射光子，这种复合称为非辐射复非辐射复合合。 l 光电器件利用的是辐射复合过程，非辐射复合过光电器件利用的是辐射复合过程，非辐射复合过程则是不利的。了解半导体中辐射复合过程和非辐程则是不利的。了解半导体中辐射复合过程和非辐射复合过程是了解光电器件的工作机制和进行器件射复合过程是了解光电器件的工作机制和进行器件设计的基础。

31、设计的基础。 辐射复合和非辐射复合辐射复合和非辐射复合辐射复合辐射复合带间辐射复合带间辐射复合 带间辐射复合是导带中的电子直接跃迁到价带与带间辐射复合是导带中的电子直接跃迁到价带与价带中的空穴复合。发射的光子的能量接近等于半价带中的空穴复合。发射的光子的能量接近等于半 导体材料的禁带宽度。导体材料的禁带宽度。 由于半导体材料能带结构的不同，带间辐射复合由于半导体材料能带结构的不同，带间辐射复合又可以分为直接辐射复合和间接辐射复合两种又可以分为直接辐射复合和间接辐射复合两种:导带导带价带价带导带导带价带价带带间复合：（带间复合：（a）直接能隙复合（）直接能隙复合（b）间接能隙复合）间接能隙复合非

32、辐射复合非辐射复合多声子过程多声子过程多声子跃迁多声子跃迁 0125102050100200300400500600光子能量光子能量 （meV）导带电子跃迁到未电离导带电子跃迁到未电离的受主能级的受主能级;施主能级上的电子跃迁施主能级上的电子跃迁到价带；到价带；施主能级上的电子跃迁施主能级上的电子跃迁到受主能级；到受主能级；深能级中的复合深能级中的复合(a)直接复合直接复合禁带宽度非常小禁带宽度非常小的材料本征发射的材料本征发射;(iii)具有能量的电具有能量的电子和空穴。子和空穴。(c) 俄歇复合俄歇复合-非辐射复合非辐射复合电子电子-空穴复合时伴随着将能空穴复合时伴随着将能量传给其他自由空

33、穴量传给其他自由空穴;电子电子-空穴复合时伴随着将能空穴复合时伴随着将能量传给其他自由电子。量传给其他自由电子。uIII-V化合物半导体是制作发光器化合物半导体是制作发光器件的主要材料件的主要材料。可以通过控制三元。可以通过控制三元和四元化合物中不同组分的比例来和四元化合物中不同组分的比例来调节禁带宽度和晶格常数。调节禁带宽度和晶格常数。u可见光：波长可见光：波长0.4-0.72 m,带隙带隙1.7-3.1eV.uGaAs是直接带隙半导体，是直接带隙半导体，AlAs是是间接带隙半导体，间接带隙半导体，AlxGa1-xAs的禁带的禁带宽度随宽度随x的变化而变化。的变化而变化。uEg=1.424+

34、1.247x从直接从直接带隙变带隙变间接带间接带隙隙7.4.2 7.4.2 发光效率发光效率辐射复合只是所有复合中的一部分：辐射复合只是所有复合中的一部分：nrrrrqRRRRR 量子效率是辐射复合率与总复合率的比值：量子效率是辐射复合率与总复合率的比值：nrr 111 rnrnrrq 辐射复合对应直接带隙复合，辐射复合对应直接带隙复合， Rr是带与带间的辐射符合率，是带与带间的辐射符合率，B是比例常数：是比例常数：BnpRr 第七章：光器件第七章：光器件7.1 7.1 光学吸收光学吸收7.2 7.2 太阳能电池太阳能电池7.3 7.3 光电探测器光电探测器7.4 7.4 光致发光和电致发光光

35、致发光和电致发光7.5 7.5 发光二极管发光二极管7.6 7.6 激光二极管激光二极管* * LEDLED的基本结构和工作过程的基本结构和工作过程7.5 发光二极管发光二极管光电探测器和太阳能电池都可以把光能转换成光电探测器和太阳能电池都可以把光能转换成电能，即光子产生过剩电子和空穴，从而形成电能，即光子产生过剩电子和空穴，从而形成电流。电流。也可以给也可以给pn结加电压形成电流，依次产生光子结加电压形成电流，依次产生光子和光输出，这种反转机制称为和光输出，这种反转机制称为注入电致发光注入电致发光。5.5.1 5.5.1 光的产生光的产生（1）正偏二极管）正偏二极管（2 2）二极管发光）二极

36、管发光P区N区 | | | | | | | + Va -EcEvEFiEFpEFnehI发光波长：发光波长：mEEhcgg 24. 1 发光光强：发光光强： 1exp)(kTeVIIIsD pn结二极管正向偏置结二极管正向偏置，导致，导致n区电子注入区电子注入p区一侧区一侧的准中性区，的准中性区，p区的空穴注入区的空穴注入n区一侧的准中性区一侧的准中性区，随后这些注入的区，随后这些注入的过剩少子在准中性区扩散并过剩少子在准中性区扩散并与多数载流子复合与多数载流子复合，如果这个复合是直接的带与，如果这个复合是直接的带与带间的复合，就有带间的复合，就有光子发射光子发射。二极管的扩散电流。二极管的扩

37、散电流是正比于复合率的，因此发射光子的强度也将正是正比于复合率的，因此发射光子的强度也将正比于理想二极管的扩散电流。比于理想二极管的扩散电流。 LED的基本结构和工作过程的基本结构和工作过程 LED的基本结构和工作过程的基本结构和工作过程 LEDLED的基本结构和工作过程的基本结构和工作过程 器件结构器件结构Pn 结正向偏置，电子从结正向偏置，电子从n侧注入，与从侧注入，与从p侧注入的空侧注入的空穴复合。穴复合。双异质结中更高的载流子双异质结中更高的载流子浓度和载流子限定，辐射浓度和载流子限定，辐射效率显著效率显著 提高。提高。LED的特性参数的特性参数V-I特性特性发光二极管的电流发光二极管

38、的电流电压特性和普通二极管大体一电压特性和普通二极管大体一致致。发光二极管的发光二极管的开启电压很低开启电压很低, GaAs 是是1.0伏伏, GaP（红（红光）大约光）大约1.8伏，伏，GaP （绿光）大约（绿光）大约2.0伏。工作电伏。工作电流约为流约为10 mA 。工作电压和工作电流低工作电压和工作电流低，使得可以，使得可以把它们做的很小，以至于看作点光源，这使得把它们做的很小，以至于看作点光源，这使得LED极适宜用于光显示极适宜用于光显示。量子效率量子效率l量子效率量子效率是发光二极管特性中一个与辐射量有关的是发光二极管特性中一个与辐射量有关的重要参数。它反映了注入载流子复合产生光量子

39、的重要参数。它反映了注入载流子复合产生光量子的概率。概率。l外量子效率外量子效率：单位时间内：单位时间内实际输出实际输出二极管外的光二极管外的光子数目与注入的载流子数目之比。子数目与注入的载流子数目之比。l内量子效率内量子效率：单位时间内半导体的：单位时间内半导体的辐射复合辐射复合产生产生的光子数与注入的载流子数目之比。的光子数与注入的载流子数目之比。量子效率量子效率1.注射效率：注射效率： 注射效率就是可以产生辐射复合的二极管电注射效率就是可以产生辐射复合的二极管电流在二极管的总电流中所占的百分比。流在二极管的总电流中所占的百分比。nnprecIrIII量子效率量子效率提高提高注射效率注射效

40、率的途径是：的途径是：(a) P区受主浓度要小于区受主浓度要小于 N 区施主浓度区施主浓度，即，即 pn+ 结。结。(b) 减小耗尽层中的复合电流减小耗尽层中的复合电流。这就要求。这就要求LED所用的所用的材料和制材料和制 造工艺尽可能保证晶体完整，尽量避免有造工艺尽可能保证晶体完整，尽量避免有害杂质的掺入。害杂质的掺入。(c) 选用选用电子迁移率比空穴迁移率大的材料电子迁移率比空穴迁移率大的材料。由于。由于III-V 族化合族化合 物半导体的电子迁移率比空穴迁移率大很物半导体的电子迁移率比空穴迁移率大很多，例如多，例如 GaAs ，所以它们是制造，所以它们是制造LED的首选材的首选材料。料。

41、量子效率量子效率 2.辐射效率辐射效率l发生辐射复合的电子数与总的注入电子数比：发生辐射复合的电子数与总的注入电子数比： rnrrrnrrrnrrnrrnrnrrrRRRnnnRRRnRnR 111辐射效率：辐射效率：总复合率：总复合率：非辐射复合率：非辐射复合率：辐射复合率：辐射复合率：量子效率量子效率三种可能的复合过程三种可能的复合过程三种可能的复合过程三种可能的复合过程浅受主能级浅受主能级深复合中心深复合中心cEtEtEvEdEaE1R2R3R量子效率量子效率rl根据以上分析，内量子效率可以写作根据以上分析，内量子效率可以写作 l3.逸出几率逸出几率 逸出几率逸出几率 0 也叫做出光效率

42、，被定义为也叫做出光效率，被定义为PN结辐射结辐射复合产生的光子射到晶体外部的百分数。复合产生的光子射到晶体外部的百分数。 外量子效率可以写作：外量子效率可以写作： rir00riel影响逸出几率的主要因素：再吸收，界面反射和临影响逸出几率的主要因素：再吸收，界面反射和临界角损耗界角损耗 。PLED的的pn结处的光子发射图结处的光子发射图光子可以向任光子可以向任何方向发射，何方向发射，且发射光子能且发射光子能量量h Eg,因此因此这些光子可以这些光子可以被半导体材料被半导体材料再吸收再吸收l光子从半导体界面发射到空气中，在界面发生反光子从半导体界面发射到空气中，在界面发生反射反射系数射反射系数

43、21212)(nnnn例：例：GaAs：n2=3.66,空气：空气：n1=1 =0.33GaAs辐射复合发出的光子辐射复合发出的光子有有33%在界面被反射回在界面被反射回GaAs半半导体里面。导体里面。l光从光密媒质射向光疏光从光密媒质射向光疏媒质，入射角大于临界媒质，入射角大于临界角时，发生全反射角时，发生全反射第七章：光器件第七章：光器件7.1 7.1 光学吸收光学吸收7.2 7.2 太阳能电池太阳能电池7.3 7.3 光电探测器光电探测器7.4 7.4 光致发光和电致发光光致发光和电致发光7.5 7.5 发光二极管发光二极管7.6 7.6 激光二极管激光二极管* * 7.6 激光二极管激

44、光二极管lLED的光子输出归因于电子从导带到价带的跃迁放的光子输出归因于电子从导带到价带的跃迁放出了能量。光子发射是自发的，带与带之间的跃迁出了能量。光子发射是自发的，带与带之间的跃迁是独立的。是独立的。LED发射谱的带谱较宽。发射谱的带谱较宽。l激光是受激辐射，产生一致的光谱输出，其谱宽小激光是受激辐射，产生一致的光谱输出，其谱宽小于于0.1nm。这种新型的器件就是。这种新型的器件就是激光二极管激光二极管，激光，激光代表代表“辐射的受激发射引起的光放大辐射的受激发射引起的光放大”。l半导体激光器半导体激光器是向半导体是向半导体PNPN结注入电流，实现结注入电流，实现粒子粒子数反转分布数反转分

45、布，产生，产生受激辐射受激辐射，再利用谐振腔的，再利用谐振腔的正反正反馈馈，实现，实现光放大光放大而产生而产生激光振荡激光振荡的。的。光受激辐射、发出激光必须具备三个光受激辐射、发出激光必须具备三个要素要素：l1 1、激活介质激活介质经受激后能实现能级之间的跃迁；经受激后能实现能级之间的跃迁；l2 2、能使激活介质产生、能使激活介质产生粒子数反转粒子数反转的泵浦装置；的泵浦装置；l3 3、放置激活介质的、放置激活介质的谐振腔谐振腔，提供光反馈并进行放，提供光反馈并进行放大，发出激光。大，发出激光。Figure 7.317.6.1 受激辐射和分布反转受激辐射和分布反转入射光子被吸收时，入射光子被

46、吸收时，一个电子就从能量为一个电子就从能量为E1的状态激发到的状态激发到E2；感应吸收感应吸收自发辐射自发辐射受激辐射受激辐射若电子自发地回到若电子自发地回到低能级，并且伴随低能级，并且伴随着放出光子。着放出光子。当一个电子在高能级当一个电子在高能级状态时，入射光子和状态时，入射光子和电子相互作用，使得电子相互作用，使得电子回到低能级。向电子回到低能级。向低能级跃迁会产生光低能级跃迁会产生光子。子。光探测器和太阳电池光探测器和太阳电池发光二极管发光二极管激光二极管激光二极管电子在低能级电子在低能级E E1 1的基态和高能级的基态和高能级E E2 2的激发态之间的跃迁方式的激发态之间的跃迁方式l

47、自发辐射自发辐射中各电子的跃迁是随机的，所产生的中各电子的跃迁是随机的，所产生的光子虽然能量相同，但位相和传播方向各不相光子虽然能量相同，但位相和传播方向各不相同。同。l受激辐射受激辐射所发射的光子的全部特征（能量、频所发射的光子的全部特征（能量、频率、位相、方向和偏振状态）同入射光子相率、位相、方向和偏振状态）同入射光子相同。同。受激吸收受激吸收 hE2E1E2E1 产生激光的必要条件一：受激辐射占主导地位产生激光的必要条件一：受激辐射占主导地位hE2E1E2E1受激辐射受激辐射l当注入一定能量的光子时，能级当注入一定能量的光子时，能级E1和和E2间光间光的吸收和受激辐射同时存在，且两者的跃

48、迁概的吸收和受激辐射同时存在，且两者的跃迁概率相等。究竟哪一种占主导地位，取决于能级率相等。究竟哪一种占主导地位，取决于能级E1和和E2上的原子分布，如果上的原子分布，如果E2能态的原子数能态的原子数多，多，受激辐射将大于吸收过程受激辐射将大于吸收过程，这种现象称为，这种现象称为光量子放大光量子放大。l把处在激发态的原子数大于处于基态原子数的把处在激发态的原子数大于处于基态原子数的的反常情况叫的反常情况叫分布反转分布反转。 导带导带 价带价带 导带导带 价带价带正常分布正常分布反转分布反转分布产生激光的必要条件二：粒子数反转分布产生激光的必要条件二：粒子数反转分布产生粒子数反转的方法产生粒子数反转的方法l注入载流子半导体激光器注入载流子半导体激光器l强光对激光物质进行照射固体激光器强光对激光物质进行照射固体激光器l气体电离气体激光器气体电离气体激光器l激光二极管为实现分布反转，激光二极管为实现分布反转，P区和区和n区都必须重区都必须重掺杂。掺杂。l靠正偏电注入，在结面附近实现分布反转靠正偏电注入，在结面附近实现分布反转;l还可以通过