光电器件 ppt课件

1、半导体器件原理南京大学2. 光电器件的基本原理光电器件的基本原理发光二极管及激光二极管：电能转变为光能。光探测器及太阳能电池：光能（信号）转变为电能（信号）。半导体器件原理南京大学（一）基本概念光的吸收光的吸收（光探测器及太阳能电池） ：半导体器件原理南京大学本征跃迁及非本征跃迁；本征跃迁及非本征跃迁； 辐射跃迁与非辐射跃迁辐射跃迁与非辐射跃迁半导体器件原理南京大学光的吸收率=自发辐射率+受激辐射率BnhAnBnh1 211 22 122 121 2()()较高的光子能密度（共振腔）。高能级态上电子密度高于低能态（粒子数翻转）。自发辐射自发辐射（LED）及受激辐射受激辐射（LD）。半导体器件原

2、理南京大学(),WeW0吸收系数吸收系数截止波长：C=1.24/Eg m吸收带边吸收带边半导体器件原理南京大学三个步骤（1）入射光产生载流子。（2）载流子的输运或电流增益所引起的放大效应。（3）电流与外电路的互作用产生输出信号。应用：光隔离器中的红外传感器及光纤通信中的探测器。要求：高灵敏度，高响应速度，低噪声。体积小，低电压或低电流，稳定，可靠。（二）光电探测器半导体器件原理南京大学1. 一般光电探测器( )( )( )(0)LLxLLdF xF xdxF xFe 2121212212()41()LreflectedLiFnnRFnnn nTRnn 半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大

3、学22/001( )( )0( )( )(1)0( )(1)1(1)ln(1)/nnnapnLnnnpxnLinxwxxDLLxdarkLqVnkTdarkLocLQLiQLphLindJxGxqdxdnJxqDdxndn xDR F edxJqF x dxqFR eeIIIII enkTIVqIJqFqJqRh Fh响应度：半导体器件原理南京大学2. 电导型探测器本征跃迁或非本征跃迁产生电子空穴对，使电导增加。增益可达标106。小的电极间距及高电场.一般应用于若干m以上波长的红外探测。MMS半导体器件原理南京大学3. 光电二极管反向偏压下，电子空穴对被耗尽层所隔开而流向外电路。对高频工作，耗

4、尽层必须较薄以减小传输时间。提高量子又要求较大的耗尽层厚度以增加光的吸收率。1）量子效率2）响应速度：a：载流子的扩散；b：耗尽层中的漂移时间；c：耗尽层的电容。耗尽层厚度必须优化，以获得较小的RC时间常数，小的传输时间以及较大的吸收。IqPhpopt()1半导体器件原理南京大学3）PIN 光电管耗尽层厚度或本征层厚度, 优化量子效率和频率响应半导体器件原理南京大学耗尽层厚度或本征层厚度, 优化量子效率和频率响应半导体器件原理南京大学4）金属半导体光电管紫外及可见区，半导体吸收系数较大，金属须较薄。5）异质结光电管大带隙的半导体材料作为窗口，量子效率不大依赖于结距表面的距离。在某一响应波长，量

5、子效率与响应速度可得到优化。晶格必须匹配。半导体器件原理南京大学（6）雪崩光电管（APD）工作在足够大的反向偏压下，发生了雪崩倍增效应。保护环使N+P结发生均匀击穿噪声系数F：是 的函数。FMMpnpn() ()()211pn半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学（7）紫外探测器半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学(8) 太阳能电池100mmmmLimmSCocSCOCLiPI VPPI VFFI VI VFFP百分比半导体器件原理南京大学太阳能电池max100%20%40%40%实际的转化效率约为一半半导体器件原理南京大学太阳能电池22/12221222(1(1(1)0(1)(

6、 )(1)(0)0;()0()(1)0;(1)( )nnnnxxxxxnLinxxx Lx LnLinppnxnLinpRRednnDR F eedxR F een xC eC eLnn WWLR F eCCLn xnnnLiLi进入 区光子流：F）e在x处光子流密度：F）e/22022(1)()(1)1(1)(1)(1)(1)1nnnxx LxnLinnxxnnnnLiLinxnLinnR F eeeLd nqDdxLJqDFR FR eLq LR F eJL nn又 J半导体器件原理南京大学太阳能电池(1)1nxnnQLinJLR eqFL电能转换效率小于量子效率量子效率依赖于吸收系数和扩

7、散系数, 好的太阳能电池要求较大的扩散系数.,以利于光生载流子的收集最大化表面处产生的载流子会在表面复合,不对光电流产生贡献,而光的透入深度等于吸收系数的倒数,短波长较小的透入深度导致较大的损失.半导体器件原理南京大学（三）.半导体器件原理南京大学1. 正偏结的自发辐射半导体器件原理南京大学GaAsP体系的禁带宽度 等电子陷阱半导体器件原理南京大学异质结构的匹配半导体器件原理南京大学2.2 LED 分类及用途分类及用途光传输用LED：用于短中距离传输系统光源显示用LED：仪器与使用者之间的信息联系。蓝光LED和白光LED 彩色显示半导体器件原理南京大学1. 结构：面发光型，边发光型半导体器件原

8、理南京大学2. 应用:1)。光隔离器（光耦合器）：以光的速度传输，但在输出与输入之间没有电的反馈，是电隔离的）。半导体器件原理南京大学2)。光纤传输：光纤是光频率下的波导管（红外LED)。半导体器件原理南京大学自发辐射半导体器件原理南京大学Burrus型LED边缘发射二极管中波导特性半导体器件原理南京大学边缘发射二极管半导体器件原理南京大学尺寸小，易高频调制，应用于光纤通讯，视频记录，光阅读，高速激光打印。（四）半导体器件原理南京大学光增益光反馈半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学激光器=增益+反馈半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学限制效应的增强结构缓变折射率分别限制异质结构

9、 多量子阱结构半导体器件原理南京大学边缘发射激光器垂直发射激光器半导体器件原理南京大学分布反馈激光器通过波导层中折射率的周期变化来实现产生激光的必要反馈。发射光波长具有很弱的温度依赖性（较小的温度系数） 应用于集成光学系统中的光源半导体器件原理南京大学激光器的比较半导体器件原理南京大学其它半导体激光器材料:半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学（1）粒子数反转(P+N+)（EFC-EFV） Eg正向偏压下，电子从N区注入到复合区，空穴从P区注入到复合区。足够大的偏压下，复合区包含有大量的电子与空穴，实现反转。激光器的工作原理半导体器件原理南京大学（2）载流子和光子的限制效应同质结激光器中

10、，载流子能离开复合区。双异质结激光器中，载流子被异质结势垒限制在复合区。复合区外折射率的陡峭变化使激发光场限制在复合区。限制系数：1ec nd半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学（3）阈值电流密度低的阈值电流密度, 可在室温下连续工作.增益g: 单位长度的光子能流增量，依赖于电流密度。归一化电流密度Jnom：在单位量子效率下均匀激活1m厚工作层所需的电流密度。半导体器件原理南京大学（1）理论与实验表明DH激光器的阈值电流密度随工作层的厚度减小而减小。较窄的工作层厚度导致JTH的增加是由于变弱的光子限制所致。4 激光器的特性半导体器件原理南京大学（2）阈值电流密度随工作温度的增加而呈指数增加。光输出功率随注入电流而线性增加。 Ithexp（T/T0） （3）光输出功率对调制频率的依赖关系较弱。半导体器件原理南京大学（4）发射谱半高宽随电流增加而减小，当达到阈值电流时，发出近于纯单色光的激光。半导体器件原理南京大学（5） 发出间隔相