微電子學概論-ch光電子器件ppt課件

1、 光電子器件v光電子器件：光子和電子共同作用的半導體器件v發(fā)光器件：將電能轉換為光能v發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，縮寫為LED)v半導體激光器v光電探測器：利用電子學方法檢測光信號的v太陽能電池：將光能轉換為電能 OUTLINE固體中的光吸收和光發(fā)射固體中的光吸收和光發(fā)射半導體發(fā)光二極管半導體發(fā)光二極管半導體激光器半導體激光器光電探測器光電探測器半導體太陽能電池半導體太陽能電池 v光具有波粒二象性v 在固體中，光子和電子之間的相互作用有三種基本過程：v光吸收v自發(fā)發(fā)射v受激發(fā)射兩個能級之間的三種基本躍遷過程兩個能級之間的三種基本躍遷過程(a) 吸收吸收 (b) 自發(fā)發(fā)

2、射自發(fā)發(fā)射 (c) 受激發(fā)射受激發(fā)射 n光電效應光電效應n 用光照射某一物體，可以看做用光照射某一物體，可以看做是一連串能量是一連串能量n光子轟擊在這個物體上，此時光子光子轟擊在這個物體上，此時光子能量就傳遞給能量就傳遞給n電子，并且是一個光子的全部能量電子，并且是一個光子的全部能量一次性地被一一次性地被一n個電子所吸收根據愛因斯坦假個電子所吸收根據愛因斯坦假設），電子得到設），電子得到n光子傳遞的能量后其能態(tài)發(fā)生變化，光子傳遞的能量后其能態(tài)發(fā)生變化，從而使受光從而使受光n照射的物體產生相應的電效應，把照射的物體產生相應的電效應，把這種物理現(xiàn)象這種物理現(xiàn)象n稱為光電效應。稱為光電效應。n光吸收

3、內光電效應）光吸收內光電效應）n光發(fā)射外光電效應）光發(fā)射外光電效應） 當光照射在物體上，使物體的電阻率發(fā)生變化，或產生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內光電效應，它多發(fā)生于半導體內。光電導效應 在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，引起載流子的激發(fā)，而引起材料電導率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導效應。基于這種效應的光電器件有光敏電阻。光吸收內光電效應）光吸收內光電效應） 過程：當光照射到半導體材料上時，價帶中的電子受過程：當光照射到半導體材料上時，價帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價帶越過禁帶躍入導帶，使材料中導帶內的電子

4、和價帶帶越過禁帶躍入導帶，使材料中導帶內的電子和價帶內的空穴濃度增加，從而使電導率變大。內的空穴濃度增加，從而使電導率變大。導帶價帶禁帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價電子所占能帶Eg 光生伏特效應 在光線作用下能夠使物體產生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應。 基于該效應的光電器件有半導體太陽能電池。 以PN結為例，光線照射PN結時，設光子能量大于禁帶寬度Eg，使價帶中的電子躍遷到導帶，而產生電子空穴對，在耗盡層內電場的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負電，形成光電動勢。I光 光電池的工作原理示意圖 P N 固體中的光吸收過程固

5、體中的光吸收過程本征吸收(a,b)非本征吸收(c) 激子吸收 自由載流子吸收晶格吸收雜質吸收 在光線的作用下，物體內的電子逸出物體表面在光線的作用下，物體內的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應。向外發(fā)射的電子向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應。向外發(fā)射的電子叫做光電子。叫做光電子。 基于外光電效應的光電器件有半導體發(fā)光二級基于外光電效應的光電器件有半導體發(fā)光二級管、光電管、光電倍增管等。管、光電管、光電倍增管等。光發(fā)射的前提條件：由于電子從高能級向低能級躍遷光發(fā)射的前提條件：由于電子從高能級向低能級躍遷時，釋放出的能量以光子的形式存在，當電子處于高時，釋放出的能量以光子的形式存在，當電子處

6、于高能級時，系統(tǒng)往往處于不穩(wěn)定狀態(tài)激發(fā)能級）。能級時，系統(tǒng)往往處于不穩(wěn)定狀態(tài)激發(fā)能級）。光發(fā)射外光電效應）光發(fā)射外光電效應） 光發(fā)射的方式光發(fā)射的方式n自發(fā)發(fā)射n受激發(fā)射n發(fā)光器件n 發(fā)光二極管：靠注入載流子自發(fā)復合而引起的自發(fā)輻射；非相干光n半導體激光器則是在外界誘發(fā)的作用下促使注入載流子復合而引起的受激輻射；相干光，具有單色性好、方向性強、亮度高等特點n n受激輻射和自發(fā)輻射產生的光的特點不同受激輻射和自發(fā)輻射產生的光的特點不同n 受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同，這種光稱為相干傳播方向與入射光相同，這種光稱為相干光。光。n 自發(fā)輻射光是

7、由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)輻射光是由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)躍遷產生的，其頻率和方向分布在一自發(fā)躍遷產生的，其頻率和方向分布在一定范圍內，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種定范圍內，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種光稱為非相干光。光稱為非相干光。 n半導體中導致光輻射的非平衡載流子復合非平衡載流子：處于激發(fā)狀態(tài)的少數(shù)載流子。半導體中導致光輻射的幾種非平衡載流子復合過程 OUTLINE固體中的光吸收和光發(fā)射半導體發(fā)光二極管半導體激光器光電探測器半導體太陽能電池 v半導體電致發(fā)光有著悠久的歷史v1907年觀察到電流通過硅檢波器時發(fā)黃光現(xiàn)象v1923年在碳化硅檢波器中觀察到類似的現(xiàn)象v1955年觀察到III-V族

8、化合物中的輻射v1961年觀察到磷化鎵pn結的發(fā)光v60年代初期GaAs晶體制備技術的顯著發(fā)展v1962年制成GaAs發(fā)光二極管和GaAs半導體激光器v異質結的發(fā)展對結型發(fā)光器件性能的提高也起了很大的推進作用半導體發(fā)光二級管 半導體發(fā)光二級管n工作原理：（電致發(fā)光器件）n在正向偏置的PN結中，依靠非平衡少數(shù)載流子注入作用，使電子和空穴分別注入p區(qū)和n區(qū)，非平衡少子與多子復合時，以輻射光子的形式將多余能量轉變成光能。n非平衡載流子：處于激發(fā)狀態(tài)的少數(shù)載流子。n發(fā)光過程：n正向偏置下的載流子注入n復合輻射n光能傳輸 正向偏置下的載流子注入及復合輻射（以同質PN結為例）正向偏置時的pn結能帶圖 n擴

9、散電流n導致發(fā)光二極管輻射復合的主要電流。n輻射效率內量子效率）n產生輻射的電流在總擴散電流中的比例n與pn結內部的摻雜濃度有關衡載流子數(shù)單位時間內注入的非平數(shù)單位時間內產生的光子r n外量子效率n與內量子效率相比，其值非常小n外電子效率對二極管的放光效率非常關鍵發(fā)光二極管中PN結上的光子發(fā)射總光子數(shù)光子數(shù)半導體中實際發(fā)射出的發(fā)光二極管中pn結上的光子發(fā)射示意圖 半導體發(fā)光二級管的材料n具備的條件：n具有合適的禁帶寬度Egn可獲得電導率高的n型和p型晶體n晶體的完美性好n發(fā)光的輻射復合幾率大 OUTLINE固體中的光吸收和光發(fā)射半導體發(fā)光二極管半導體激光器光電探測器半導體太陽能電池 v半導體發(fā)

10、射激光，即要實現(xiàn)受激發(fā)射，必須滿足下面三個條件：v通過施加偏壓等方法將電子從能量較低的價帶激發(fā)到能量較高的導帶，建立粒子數(shù)反轉分布，以產生受激輻射v形成光諧振腔，使受激輻射光子增生，產生受激振蕩，導致產生的激光沿諧振腔方向發(fā)射v滿足一定的閾值條件，使電子增益大于電子損耗，以產生自激振蕩 條件1：粒子數(shù)反轉分布設在單位物質中低能級電子數(shù)和高能級電子數(shù)分別為N1和N2物質在正常狀態(tài)下N1N2，受激吸收與受激輻射的速率分別比例于N1和N2且比例系數(shù)相等，此時光通過該物質時，光強會衰減，物質為吸收物質。若N2N1，受激吸收小于受激輻射，光通過該物質時，光強會放大，該物質成為激活物質。N2N1的分布與正

11、常狀態(tài)相反，故稱為粒子數(shù)反轉分布。 增益區(qū)粒子數(shù)反轉分布區(qū)的產生： PN結界面上由于多數(shù)載流子擴散運動形成內部空間電場區(qū)，該電場導致載流子的漂移運動，無外加電壓時，兩種運動處于平衡狀態(tài)，能帶發(fā)生傾斜。當外加正向電壓時，內部電場被削弱，擴散運動加強，能帶傾斜減小，在PN結形成一個增益區(qū)粒子數(shù)反轉分布區(qū)），高濃度的電子和空穴進入激發(fā)態(tài)，可產生自發(fā)輻射。 條件2：激光振蕩和光學諧振腔v激光振蕩的產生：激光振蕩的產生：v 粒子數(shù)反轉分布必要條件粒子數(shù)反轉分布必要條件) )激活物質置于激活物質置于光學諧振腔中，對光的頻率和方向進行選擇光學諧振腔中，對光的頻率和方向進行選擇= =連續(xù)連續(xù)的光放大和激光振蕩

12、輸出維持自激振蕩）。的光放大和激光振蕩輸出維持自激振蕩）。v光學諧振腔光學諧振腔由兩個反射率分別為由兩個反射率分別為R1R1和和R2R2的平行的平行反射鏡構成。腔內物質具備粒子數(shù)反轉分布，可用反射鏡構成。腔內物質具備粒子數(shù)反轉分布，可用其產生的自發(fā)輻射光作入射光，經反射鏡反射沿軸其產生的自發(fā)輻射光作入射光，經反射鏡反射沿軸線方向傳播的光被放大，沿非軸線方向傳播的光被線方向傳播的光被放大，沿非軸線方向傳播的光被減弱，反射光經反射鏡多次反射不斷被放大，方向減弱，反射光經反射鏡多次反射不斷被放大，方向性不斷改善，使增益大幅度提高。性不斷改善，使增益大幅度提高。 條件3：閥值電流密度n由于半導體內的光

13、子吸收、反射鏡面上的部分穿透和反射，使得激光振蕩存在損耗n光增益對電流的增大而增大；當光強足夠小時，諧振腔增益為常數(shù)；當光強增大到一定程度時，增益系數(shù)隨光強的增加而下降，出現(xiàn)增益飽和；當飽和增益等于損耗時，出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)振蕩n當增益系數(shù)高于某一最低限度，才足以克服損耗，產生振蕩，輸出激光，此時對應的最小電流密度，稱為閥值電流密度 n基本結構是雙異質結(DH)平面條形結構 n由三層不同類型半導體材料構成，不同材料發(fā)射不同的光波長。 n 結構中間有一層厚0.10.3 m的窄帶隙P型半導體，稱為有源層；兩側分別為寬帶隙的P型和N型半導體，稱為限制層。三層半導體置于基片(襯底)上，前后兩個晶體面作為反射鏡構

14、成法布里 - 珀羅(FP)諧振腔。 半導體激光器基本結構 OUTLINE固體中的光吸收和光發(fā)射半導體發(fā)光二極管半導體激光器光電探測器半導體太陽能電池 v光電探測器：利用入射光子與半導體中處于束縛態(tài)的電子(或空穴)相互作用，將它們激發(fā)為自由態(tài)，引起半導體的電阻降低或者產生電動勢v光子探測器的三個基本過程：v光子入射到半導體中并產生載流子v載流子在半導體中輸運并被某種電流增益機構倍增v產生的電流與外電路相互作用，形成輸出信號，從而完成對光子的探測光電探測器 v內光電效應v光電導效應：光生載流子改變半導體的電阻率v光伏特效應：光生電子和空穴在內建電場作用下作漂移運動，如器件開路，在在器件兩端產生光生

15、電動勢基本的光電效應 v光敏電阻光電導探測器）：光敏電阻通常由一塊狀或薄膜狀半導體及其兩邊的歐姆接觸構成光電導探測器 n光電二極管：光電二極管實際上就是一個工作光電二極管：光電二極管實際上就是一個工作在反向偏置條件下的在反向偏置條件下的pnpn結結np-i-np-i-n管是光電二極管中的一種。它的結構特點管是光電二極管中的一種。它的結構特點是，在是，在P P型半導體和型半導體和N N型半導體之間夾著一層相型半導體之間夾著一層相對很厚的本征半導體。這樣，對很厚的本征半導體。這樣，PNPN結的內電場就結的內電場就基本上全集中于基本上全集中于 I I 層中，提高光電探測器的靈層中，提高光電探測器的靈敏度敏度 P-Si N-Si I-SiPIN管結構示意圖P-I-N光電二極管 OUTLINE固體中的光吸收和光發(fā)射半導體發(fā)光二極管半導體激光器光電探測器半導體太陽能電池 半導體太陽能電池半導體太陽能電池v吸收光輻射而產生電動勢，它是半導體太陽能電池實現(xiàn)光電轉換的理論基礎v產生光生伏特效應的兩個基本條件：v半導體材料對一定波長的入射光有足夠大的光吸收系數(shù)，即要求入射光子的能量h大于或等于半導體的禁帶寬度Egv具有光生伏特結構，即有一個內建電場所對應的勢壘區(qū) v影響太陽能影響太陽能電池轉換效電池轉換效率