微电子学概论-ch光电子器件ppt课件

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v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v光电探测器：利用电子学方法检测光信号的v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发光二极管半导体激光器半导体激光器光电探测器光电探测器半导体太阳能电池半导体太阳能电池 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：v光吸收v自发发射v受激发射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

2、射自发发射 (c) 受激发射受激发射 n光电效应光电效应n 用光照射某一物体，可以看做用光照射某一物体，可以看做是一连串能量是一连串能量n光子轰击在这个物体上，此时光子光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给能量就传递给n电子，并且是一个光子的全部能量电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一一次性地被一n个电子所吸收根据爱因斯坦假个电子所吸收根据爱因斯坦假设），电子得到设），电子得到n光子传递的能量后其能态发生变化，光子传递的能量后其能态发生变化，从而使受光从而使受光n照射的物体产生相应的电效应，把照射的物体产生相应的电效应，把这种物理现象这种物理现象n称为光电效应。称为光电效应。n光吸收

3、内光电效应）光吸收内光电效应）n光发射外光电效应）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：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受过程：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

4、和价带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。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 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

5、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半导体发光二级基于外光电效应的光电器件有半导体发光二级管、光电管、光电倍增管等。管、光电管、光电倍增管等。光发射的前提条件：由于电子从高能级向低能级跃迁光发射的前提条件：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

6、于高能级时，系统往往处于不稳定状态激发能级）。能级时，系统往往处于不稳定状态激发能级）。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 发光二极管：靠注入载流子自发复合而引起的自发辐射；非相干光n半导体激光器则是在外界诱发的作用下促使注入载流子复合而引起的受激辐射；相干光，具有单色性好、方向性强、亮度高等特点n n受激辐射和自发辐射产生的光的特点不同受激辐射和自发辐射产生的光的特点不同n 受激辐射光的频率、相位、偏振态和受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。光。n 自发辐射光是

7、由大量不同激发态的电子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，这种定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。光称为非相干光。 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 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 v半导体电致发光有着悠久的历史v1907年观察到电流通过硅检波器时发黄光现象v1923年在碳化硅检波器中观察到类似的现象v1955年观察到III-V族

8、化合物中的辐射v1961年观察到磷化镓pn结的发光v60年代初期GaAs晶体制备技术的显著发展v1962年制成GaAs发光二极管和GaAs半导体激光器v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）n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。n非平衡载流子：处于激发状态的少数载流子。n发光过程：n正向偏置下的载流子注入n复合辐射n光能传输 正向偏置下的载流子注入及复合辐射（以同质PN结为例）正向偏置时的pn结能带图 n扩

9、散电流n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）n产生辐射的电流在总扩散电流中的比例n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 n外量子效率n与内量子效率相比，其值非常小n外电子效率对二极管的放光效率非常关键发光二极管中PN结上的光子发射总光子数光子数半导体中实际发射出的发光二极管中pn结上的光子发射示意图 半导体发光二级管的材料n具备的条件：n具有合适的禁带宽度Egn可获得电导率高的n型和p型晶体n晶体的完美性好n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光电探测器半导体太阳能电池 v半导体发

10、射激光，即要实现受激发射，必须满足下面三个条件：v通过施加偏压等方法将电子从能量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v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v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

11、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：v 粒子数反转分布必要条件粒子数反转分布必要条件) )激活物质置于激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择= =连续连续的光放大和激光振荡

12、输出维持自激振荡）。的光放大和激光振荡输出维持自激振荡）。v光学谐振腔光学谐振腔由两个反射率分别为由两个反射率分别为R1R1和和R2R2的平行的平行反射镜构成。腔内物质具备粒子数反转分布，可用反射镜构成。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，经反射镜反射沿轴其产生的自发辐射光作入射光，经反射镜反射沿轴线方向传播的光被放大，沿非轴线方向传播的光被线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。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

13、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 n基本结构是双异质结(DH)平面条形结构 n由三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。 n 结构中间有一层厚0.10.3 m的窄带隙P型半导体，称为有源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。三层半导体置于基片(衬底)上，前后两个晶体面作为反射镜构

14、成法布里 - 珀罗(FP)谐振腔。 半导体激光器基本结构 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 v光电探测器：利用入射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：v光子入射到半导体中并产生载流子v载流子在半导体中输运并被某种电流增益机构倍增v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v光电导效应：光生载流子改变半导体的电阻率v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

15、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光电导探测器 n光电二极管：光电二极管实际上就是一个工作光电二极管：光电二极管实际上就是一个工作在反向偏置条件下的在反向偏置条件下的pnpn结结np-i-np-i-n管是光电二极管中的一种。它的结构特点管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在是，在P P型半导体和型半导体和N N型半导体之间夹着一层相型半导体之间夹着一层相对很厚的本征半导体。这样，对很厚的本征半导体。这样，PNPN结的内电场就结的内电场就基本上全集中于基本上全集中于 I I 层中，提高光电探测器的灵层中，提高光电探测器的灵敏度敏度 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：v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Egv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