物理-半导体器件chapter电子器件光子担任主要角色

第十章光电子器件Optical-Electronics跃迁E跃迁

E1Ground

E=E2-

光子与固体中的电子的相互作

光探测器 电发光二极

激光二极 杂杂质吸自由载流子吸声子吸EC本征吸激子吸 剩余吸

基础吸激子吸激子吸自由载流子吸几种半导体材料的吸收系(1.4(1.4(0.87(1.1(1.88h<=1.24/Eg截止波 图2.7直接带隙半导体的能量－晶体动量

图2.8间接带隙半导体的能量－晶体动量 受主间复合、施-受主之间复合、通过深能级复合、激子复子-空穴对称为激子。激子作为一个整体，可以在晶体中自库仑束缚较弱，电子“感受”到的是平均晶格势与空穴的辐射复合，是“碰撞电离”的逆过程。子的决定于通过复合中心的间接复合过程（因为SHR寿发光二极管：靠注入载流子自发复合而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 LED低电压、低功耗下发光，远比白炽灯 也快。如下图所示，使用LED的各种指示灯、七段数字显示特征参数I-V特征：与普通二极管基本一致。开启电压由于紧靠pn结附近发出的光从单晶出来到外部之前被吸收掉的比例高，所以发光效当阳极加正电压、阴极加负电压时，发光二极管正向偏置，则n区自由电子通过结向p区移动，p区空穴通过结向n区移动。此时，自由电子和空穴的一部分因复合而。光的波长根据pn结处禁带宽度来确定，禁带宽度越大波长越短。即发光的波长即“色”取决于材料。异质结结构是一种将禁带宽度窄的活性层用禁带宽的包覆层从两侧的结构。一LED常用的材料是掺杂的间接跃迁材料GaP以及GaP各种掺杂的GaP的辐射复损失部分由三种原因造成：LED材料的本征吸收损失反射损失；临界角损失的GaP衬底底部镀上反射电极，只有25%左右被吸收掉，大部以改进LED管芯几何形状的设计，图（a）的矩形LED的三种截面设 不同截面LED的发光强度角分布曲宽禁带半导体材料具有禁带宽度大，电子漂移饱和速度高，介电常数小，导热性能好等特点，非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件；而利用其特有的禁带宽度，还可以制作蓝、绿光和半导体晶体管以及集成电路的发明和发展使计算机成为人类社会不可或缺的东西，这数得上是２０世纪最重要的技术。那么，半导体引起的下一个技术将是什么呢？那就是半导体灯。半导体照明灯将逐步取代电真空灯泡和日光灯管，成为又一个影响人类社会物质文明的电子的产物。半导体灯小巧、可靠、 长、低压、省电、节能等占尽了优点。普通灯泡只能用小时， 光LED灯可用万小时，可以说人的一生从建房开始装上就不用再更换了，而且半导体灯消耗的电能只藍光天野浩（HiroshiAmano）、中村修二

目前利用LED实现白光主要有两种方法，一是利用蓝光LED和荧光粉的白光LED产品；另一种是利用红色、绿色、蓝色LEDLED白 和有多家公司推出了白光LED产品，目前日亚公司的水平最高。White白光LED白光LED主要利用蓝光LED为基础光源，将蓝色LED发由发光峰值在m或蓝光LED与黄绿色（580nm）荧光粉组成白光称其为二基色白光LED。由发光峰值在或的蓝光LED与红色（650nm）和绿光组成的白光其为三基色白光LED。光粉的发光与蓝光LED的发光可以配成白光。WhiteGaNorInGaN

InGaN-GaNstructureOutpurcolourstronglydependantoncurrentand

3kindsofwhitelight,dependingonthe4000-4500K,Incandescantorwarm5000-6500K,Pure7000-8000K,Cool图形化蓝宝石衬底（PatternedSapphireSubstrate,纳米图形衬底NPSS对光效的提高明显优于微米图形衬底高亮度蓝光LED的商品化使动态信息显示平板实应用蓝光LED 普通白炽螺旋节能T5荧光白光 hh

hE 半导体SiGe元素半导1962年研制出第一台半导体激光器，GaAs1970年研制成功在室温下连续工作的GaAlAs-双异质结激光器

III-V族化合物半导体 II-VI族化合物半导体（CdS硫化镉IV-VI族化合物半导体（PbSnTe铅锡碲"p"将低能级状态原子抽运高能级状态(N2诱发高能级发亚稳材料要求：直接带工作原理：低界面态异质结构—晶格匹分布反转:电子在较高能级的浓度大于在较低能级的浓度简并型p-n结,正偏时,此区域分布反转.导带中有大量电子,价带中有大量空穴结构 anenergysource(orpump),againmedium,andanopticalresonator有源区载流子反转分有足够的注入电dopedp-njunctionsasagain自发光辐射和受激光辐自发光辐射（发光二极管当给器件加正向偏压时，n区向p区注入电子，p区向n区注入空，这种辐射叫做自发辐射在pn结平面内，单色性较好，强度也较大，这种光辐射叫做 surface-emitting半导体量子阱垂 腔表面放射激 么这个激光就能在腔中起振.所以单纵模就意味着激光的单色性好Lk 全k12 射

光在谐振腔内来回反射，相干叠加，只有形成驻波的光才能振 上升，然后再借助各种物理效应把温度的变化转变成电学用，将它们激发为自由态，引起半导体的电阻降低或者产光电效应Photoelectrichvhv1mv2200（每个光子具有的能量=电子动能+逸出功式中：m—电子质量；v—电子逸出速从上式可知：当光子能量大于逸出功时，才产生光电效应；当于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电效应。反之，入导 导 导EgEgh杂质能级(受主能级h杂质能级(受主能级价带(充满带本征半导

价带(充满带 价带(充满带n型杂质半导 (c)p型杂质半导有光照时：σ

长波限则取决于杂质电离能EI光电导效应的强弱可用光电导与暗电导的比值来判断：Δσpn/σ0=(Δnμn+Δqμp)/(n0qμn+p0qμp利用光电导效应可以制造出各种波长范围的光敏电阻、光敏二光生伏特效光照引起结光生伏电子在光照使PN结势垒降效于PN结外加正向偏压，它同样能引起P区空穴和N区电子向对方注入，形成正向注入电流。这个电流的方向与光生电流的方向正好相反，称为暗电流，是能电池中的不利因素，应当设法使ID=I0eVVT-1I=IL-ID=II=IL-ID=IL+I0V

PN结的结电压即为负载R上的电压降P-N结上的电压

I- V=VTln +1 在开路情况下，I=0，得到开路电压（这 电池能提供的最大电压 ILVOC=VTln1+ 在短路情况下

0I=II=IL-ID=IL+I0V I=IL-ID=IL+I0VP=IV=ILV-I0V

原–

无光照及光照时电流－电压

电池的效率指的是 电池的功率转换效率。它是太Pm式中Pin为输入光功率 PmVmPIDye-sensitizedDye-sensitizedsolar原–

无光照及光照时电流－电压

c-SiSolarcell 单晶硅的表面织构化为倒金字塔结构，多晶硅的表面织构化为蜂窝结表面织构

周边刻蚀（去边）Edge n

2 n2n 2电极印 screen烘烘背电+烘+烘电极材料要求能与硅形成牢固接触电阻比较小，应是一种欧姆接有优良的导电遮挡面积小，一般小于收集效率可焊性成本低

电极设计方于丝网印刷，覆盖面积将影响到填充因。 图9丝网印刷原理示意图BackSurface，在后续的热退火后会形成背PN成的晶硅少子的下降得到恢复。尤其对质量不好的硅片有一定的修复作用。此外，p+p结为高低结，即p+区为高掺杂而原硅片为低掺杂。如果烧结

提 电池效率的考提 电池效率的考 AirMassAirMassAirMass

用聚光器面积代替许多 能电池的面积，从而降低 能电池杂质光伏效多结电WorldRecordSolarCellwith44.7%EfficiencymadeupoffoursolarsubcellsbasedonIII-Vcompoundsemiconductorsforuseinconcentratorphotovoltaicsofthefour-junctionsolar 薄膜电池类 ThinfilmThinfilm DyeSensitizedSolar，这样可更充分地利用短波光，从而提高管子的短波响应灵向电压后扩展到几十微米，从而可以吸收长波光，以提高管，这样可更充分地利用短波光，从而提高管子的短波响应灵向电压后扩