第9章光電器件03

1、半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理第第9 9章章 光電器件光電器件1n半導(dǎo)體激光和固態(tài)紅寶石激光及氦氖氣體激光比較：半導(dǎo)體激光和固態(tài)紅寶石激光及氦氖氣體激光比較：p共性：方向性很強(qiáng)的單色光束，譜線較共性：方向性很強(qiáng)的單色光束，譜線較LED的窄的窄。p不同之處：不同之處：半導(dǎo)體激光較其他激光體積小半導(dǎo)體激光較其他激光體積?。ㄩL(zhǎng)度（長(zhǎng)度0.1mm）；）；在在高頻時(shí)易于調(diào)制，只需要調(diào)節(jié)偏壓電流即可高頻時(shí)易于調(diào)制，只需要調(diào)節(jié)偏壓電流即可。n應(yīng)用：應(yīng)用：p光纖通信中的光源，錄像機(jī)、光學(xué)刻錄機(jī)及高速激光打印機(jī)等。光纖通信中的光源，錄像機(jī)、光學(xué)刻錄機(jī)及高速激光打印機(jī)等。p基礎(chǔ)研究與技術(shù)

2、領(lǐng)域，高分辨率氣體光譜學(xué)及大氣污染監(jiān)測(cè)等。基礎(chǔ)研究與技術(shù)領(lǐng)域，高分辨率氣體光譜學(xué)及大氣污染監(jiān)測(cè)等。 n都具有直接禁帶都具有直接禁帶：動(dòng)量守恒，輻射性躍遷幾率較高，量子效率高。：動(dòng)量守恒，輻射性躍遷幾率較高，量子效率高。n波長(zhǎng)涵蓋范圍：波長(zhǎng)涵蓋范圍：0.3m30m。n砷化鎵砷化鎵最先被發(fā)現(xiàn)可發(fā)出激光，相關(guān)連的最先被發(fā)現(xiàn)可發(fā)出激光，相關(guān)連的-V族化合物合金。族化合物合金。 激光半導(dǎo)體材料激光半導(dǎo)體材料 9.3 半導(dǎo)體激光半導(dǎo)體激光半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理第第9 9章章 光電器件光電器件2圖圖(a)為基本為基本p-n結(jié)激光（同質(zhì)結(jié)激光），結(jié)激光（同質(zhì)結(jié)激光），GaAs。沿著垂直于。沿著垂直于軸方

3、向劈成一對(duì)平行面，外加適當(dāng)偏壓時(shí)，激光就從這軸方向劈成一對(duì)平行面，外加適當(dāng)偏壓時(shí)，激光就從這些平面發(fā)射出來(lái)（圖中僅示出前半面的發(fā)射）。些平面發(fā)射出來(lái)（圖中僅示出前半面的發(fā)射）。二極管另外兩側(cè)加以粗二極管另外兩側(cè)加以粗糙化，以消除激光從這糙化，以消除激光從這兩側(cè)射出的機(jī)會(huì)，此結(jié)兩側(cè)射出的機(jī)會(huì)，此結(jié)構(gòu)稱(chēng)法布里構(gòu)稱(chēng)法布里-波羅腔，典波羅腔，典型腔長(zhǎng)型腔長(zhǎng)L約約300m，法，法布里布里-波羅腔結(jié)構(gòu)廣泛用波羅腔結(jié)構(gòu)廣泛用在近代半導(dǎo)體激光器中。在近代半導(dǎo)體激光器中?；镜募す馄鹘Y(jié)構(gòu)基本的激光器結(jié)構(gòu)橫向縱向金屬接觸GaAs-pGaAs-n接觸Lxy110z橫向縱向金屬接觸GaAs-pGaAs-n接觸Lxy1

4、10z同質(zhì)結(jié)激光)(aAsGaAl-p1 xxAsGaAl-n1 xxGaAs-p激光雙異質(zhì)結(jié))DH()(bAsGaAl-p1 xxAsGaAl-n1 xxGaAs-p激光雙異質(zhì)結(jié))DH()(b金屬氧化物GaAsp AsGaAlp1 xxGaAspAsGaAln1 xx襯底GaAsLsd激光長(zhǎng)條狀DH)(c金屬氧化物GaAsp AsGaAlp1 xxGaAspAsGaAln1 xx襯底GaAsLsd金屬氧化物GaAsp AsGaAlp1 xxGaAspAsGaAln1 xx襯底GaAsLsd激光長(zhǎng)條狀DH)(c圖 8.23法布里-波羅腔形態(tài)的半導(dǎo)體激光結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理第第9 9

5、章章 光電器件光電器件3圖圖(b)是雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)（是雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)（DH）激光，結(jié)構(gòu)類(lèi)似于三明治。有一層很薄的）激光，結(jié)構(gòu)類(lèi)似于三明治。有一層很薄的半導(dǎo)體（如半導(dǎo)體（如GaAs）被另一種不同半導(dǎo)體（如）被另一種不同半導(dǎo)體（如AlxGa1-xAs）所包夾。）所包夾。圖圖(a)及圖及圖(b)所示結(jié)構(gòu)為所示結(jié)構(gòu)為大面積激光大面積激光，因?yàn)檠刂Y(jié)的整個(gè)區(qū)域皆可發(fā)出激光。因?yàn)檠刂Y(jié)的整個(gè)區(qū)域皆可發(fā)出激光。圖圖(c)是是長(zhǎng)條形長(zhǎng)條形DH激光，除長(zhǎng)條接觸激光，除長(zhǎng)條接觸區(qū)域外，皆由氧化層絕緣隔離，所以區(qū)域外，皆由氧化層絕緣隔離，所以激光發(fā)射的區(qū)域就約束在長(zhǎng)條狀接觸激光發(fā)射的區(qū)域就約束在長(zhǎng)條狀接觸下面的狹窄范圍。典

6、型條狀區(qū)寬度下面的狹窄范圍。典型條狀區(qū)寬度s約約530m。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：低工作電流、消：低工作電流、消除沿著結(jié)處的多重發(fā)射區(qū)域、因除掉除沿著結(jié)處的多重發(fā)射區(qū)域、因除掉大部分結(jié)周?chē)鷧^(qū)域而提高可靠度。大部分結(jié)周?chē)鷧^(qū)域而提高可靠度。 橫向縱向金屬接觸GaAs-pGaAs-n接觸Lxy110z橫向縱向金屬接觸GaAs-pGaAs-n接觸Lxy110z同質(zhì)結(jié)激光)(aAsGaAl-p1 xxAsGaAl-n1 xxGaAs-p激光雙異質(zhì)結(jié))DH()(bAsGaAl-p1 xxAsGaAl-n1 xxGaAs-p激光雙異質(zhì)結(jié))DH()(b金屬氧化物GaAsp AsGaAlp1 xxGaAspAsGaAln1

7、xx襯底GaAsLsd激光長(zhǎng)條狀DH)(c金屬氧化物GaAsp AsGaAlp1 xxGaAspAsGaAln1 xx襯底GaAsLsd金屬氧化物GaAsp AsGaAlp1 xxGaAspAsGaAln1 xx襯底GaAsLsd激光長(zhǎng)條狀DH)(c圖 8.23法布里-波羅腔形態(tài)的半導(dǎo)體激光結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理第第9 9章章 光電器件光電器件4n光探測(cè)器光探測(cè)器：光的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電的信號(hào)光的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電的信號(hào)。n光探測(cè)器的工作包括三個(gè)步驟：光探測(cè)器的工作包括三個(gè)步驟： 由入射光產(chǎn)生載流子由入射光產(chǎn)生載流子； 通過(guò)任何可行的電流增益機(jī)制，使載流子傳導(dǎo)及倍增通過(guò)任何可行的電流增益機(jī)制，使

8、載流子傳導(dǎo)及倍增； 電流與外部電路相互作用，以提供輸出信號(hào)電流與外部電路相互作用，以提供輸出信號(hào)。n應(yīng)用：應(yīng)用：光隔離器的紅外傳感器光隔離器的紅外傳感器以及以及光纖通信的探測(cè)器光纖通信的探測(cè)器。n器件要求：在工作波長(zhǎng)中具有高靈敏度、高響應(yīng)速度及低器件要求：在工作波長(zhǎng)中具有高靈敏度、高響應(yīng)速度及低噪聲；輕薄短小、低電壓或低電流，高可靠度。噪聲；輕薄短小、低電壓或低電流，高可靠度。9.4 光探測(cè)器光探測(cè)器半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理第第9 9章章 光電器件光電器件5光照下電導(dǎo)率的增加主要由于載流子數(shù)目的增加而引起的。光照下電導(dǎo)率的增加主要由于載流子數(shù)目的增加而引起的。本征光敏電阻的長(zhǎng)截止波長(zhǎng)由本征

9、光敏電阻的長(zhǎng)截止波長(zhǎng)由c=1.24/Eg決定決定。非本征光敏電阻非本征光敏電阻，能帶邊緣及禁帶內(nèi)的能級(jí)之間也會(huì)產(chǎn)生光，能帶邊緣及禁帶內(nèi)的能級(jí)之間也會(huì)產(chǎn)生光激發(fā)。此情況下，激發(fā)。此情況下，長(zhǎng)截止波長(zhǎng)則決定于禁帶能級(jí)的深度長(zhǎng)截止波長(zhǎng)則決定于禁帶能級(jí)的深度。 本征光敏電阻本征光敏電阻中，電導(dǎo)率為中，電導(dǎo)率為 npqnp光敏電阻光敏電阻光敏電阻包含一個(gè)光敏電阻包含一個(gè)半導(dǎo)體平板半導(dǎo)體平板，且，且在平板兩端具有在平板兩端具有歐姆接觸歐姆接觸，如圖。，如圖。當(dāng)入射光照到光敏電阻表面時(shí)，發(fā)當(dāng)入射光照到光敏電阻表面時(shí)，發(fā)生本征或非本征躍遷，從而產(chǎn)生電生本征或非本征躍遷，從而產(chǎn)生電子子-空穴對(duì)，導(dǎo)致電導(dǎo)率增加。

10、空穴對(duì)，導(dǎo)致電導(dǎo)率增加。 hWLD歐姆接觸歐姆接觸半導(dǎo)體hWLD歐姆接觸歐姆接觸半導(dǎo)體圖 8.30由一半導(dǎo)體平板與兩端的接觸所構(gòu)成的光敏電阻的示意圖半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理第第9 9章章 光電器件光電器件6n光電二極管工作于光電二極管工作于反向偏壓的反向偏壓的p-n結(jié)或金屬結(jié)或金屬-半導(dǎo)體接觸半導(dǎo)體接觸。n由光產(chǎn)生的電子由光產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)在耗盡區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)作用下分離，空穴對(duì)在耗盡區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)作用下分離，因此有電流流至外部電路。因此有電流流至外部電路。n為了能在高頻下工作，為了能在高頻下工作，耗盡區(qū)必須盡可能地變薄以減少渡耗盡區(qū)必須盡可能地變薄以減少渡越時(shí)間；越時(shí)間；n為了增加量子效率，耗盡

11、層必須足夠厚，以使大部分入射為了增加量子效率，耗盡層必須足夠厚，以使大部分入射光都被吸收；光都被吸收；n因此，在因此，在響應(yīng)速度與量子效率之間必須有所取舍響應(yīng)速度與量子效率之間必須有所取舍。 光電二極管光電二極管半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理第第9 9章章 光電器件光電器件7一、量子效率一、量子效率 ：每個(gè)入射光子所產(chǎn)生的電子每個(gè)入射光子所產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)目?？昭▽?duì)數(shù)目。決定決定的重要因素之一是的重要因素之一是吸收系數(shù)吸收系數(shù)。因?yàn)?。因?yàn)楹秃陀袕?qiáng)烈的依賴(lài)有強(qiáng)烈的依賴(lài)關(guān)系，能產(chǎn)生可觀的光電流的波長(zhǎng)范圍是有限的。關(guān)系，能產(chǎn)生可觀的光電流的波長(zhǎng)范圍是有限的。長(zhǎng)截止波長(zhǎng)長(zhǎng)截止波長(zhǎng)c是由禁帶寬度決定的

12、，當(dāng)是由禁帶寬度決定的，當(dāng)c時(shí)，時(shí)，值太小，值太小，以致無(wú)法造成明顯的本征吸收。以致無(wú)法造成明顯的本征吸收。短截止波長(zhǎng)短截止波長(zhǎng)，由于短波長(zhǎng)的，由于短波長(zhǎng)的值很大（約值很大（約105cm-1），大部），大部分的輻射在表面附近就被吸收，且其復(fù)合時(shí)間甚小，導(dǎo)致光分的輻射在表面附近就被吸收，且其復(fù)合時(shí)間甚小，導(dǎo)致光載流子在被載流子在被p-n結(jié)收集以前就會(huì)發(fā)生復(fù)合。結(jié)收集以前就會(huì)發(fā)生復(fù)合。 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理第第9 9章章 光電器件光電器件8響應(yīng)速度受到三個(gè)因素的限制：響應(yīng)速度受到三個(gè)因素的限制：載流子的擴(kuò)散，耗盡區(qū)內(nèi)的漂移時(shí)間，耗盡區(qū)的電容。載流子的擴(kuò)散，耗盡區(qū)內(nèi)的漂移時(shí)間，耗盡區(qū)的電容。

13、二、響應(yīng)速度二、響應(yīng)速度在耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子會(huì)擴(kuò)散到結(jié)，造成相當(dāng)大的時(shí)間延在耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子會(huì)擴(kuò)散到結(jié)，造成相當(dāng)大的時(shí)間延遲。為了將擴(kuò)散效應(yīng)降到最小，遲。為了將擴(kuò)散效應(yīng)降到最小，結(jié)必須非常接近表面結(jié)必須非常接近表面。耗盡區(qū)足夠?qū)?，絕大部分的光線都會(huì)被吸收；但耗盡區(qū)不能耗盡區(qū)足夠?qū)?，絕大部分的光線都會(huì)被吸收；但耗盡區(qū)不能太寬，因?yàn)樘珜?，因?yàn)槎稍綍r(shí)間效應(yīng)會(huì)限制頻率響應(yīng)渡越時(shí)間效應(yīng)會(huì)限制頻率響應(yīng)。耗盡區(qū)也不能太薄，因?yàn)檫^(guò)大的電容耗盡區(qū)也不能太薄，因?yàn)檫^(guò)大的電容C會(huì)造成大的會(huì)造成大的RC時(shí)間常時(shí)間常數(shù)（數(shù)（R是負(fù)載電阻）。是負(fù)載電阻）。最理想的折衷辦法是選擇一個(gè)寬度，使耗盡層渡越時(shí)間大約最理想的

14、折衷辦法是選擇一個(gè)寬度，使耗盡層渡越時(shí)間大約為調(diào)制周期的一半為調(diào)制周期的一半。半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理第第9 9章章 光電器件光電器件9p-i-n光電二極管光電二極管 p-i-n光電二極管是最常用的光光電二極管是最常用的光探測(cè)器之一，其探測(cè)器之一，其耗盡區(qū)厚度耗盡區(qū)厚度（本征層）可調(diào)，用以?xún)?yōu)化量（本征層）可調(diào)，用以?xún)?yōu)化量子效率及頻率響應(yīng)子效率及頻率響應(yīng)。圖圖(a)是是p-i-n光電二極管的截光電二極管的截面圖，它具有面圖，它具有抗反射層抗反射層以增加以增加量子效率的特性。量子效率的特性。圖圖(b)是反偏時(shí)，是反偏時(shí)，p-i-n二極管二極管的能帶圖。的能帶圖。圖圖(c)是反偏時(shí)，是反偏時(shí)，p

15、-i-n二極管二極管的光吸收特性。的光吸收特性。金屬接觸金屬接觸2SiO抗反射層抗反射層i+n+pLRRV+-i+n+pLRV+-hvRqVCEVE電子擴(kuò)散電子擴(kuò)散空穴擴(kuò)散空穴擴(kuò)散漂移空間漂移空間反向偏壓下的能帶圖反向偏壓下的能帶圖)(bRqVCEVE)(bxa-ea/1PWWW+Px吸收吸收載流子吸收特性曲線載流子吸收特性曲線)(cxa-ea/1PW+Px吸收吸收)(c光電二極管的截面圖光電二極管的截面圖n- i -p)(ahvhvhv半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理第第9 9章章 光電器件光電器件10p-n結(jié)太陽(yáng)能電池結(jié)太陽(yáng)能電池p-n結(jié)太陽(yáng)能電池包含一個(gè)結(jié)太陽(yáng)能電池包含一個(gè)形形成于表面的淺成于表面的淺p-n結(jié)結(jié)、一個(gè)、一個(gè)條條狀及指狀的正面歐姆接觸狀及指狀的正面歐姆接觸、一個(gè)一個(gè)涵蓋整個(gè)背部表面的背涵蓋整個(gè)背部表面的背面歐姆接觸面歐姆接觸以及一層以及一層在正面在正面的抗反射層的抗反射層。 光照下，能量光照下，能量Eg的光子對(duì)電池輸出的光子對(duì)電池輸出有貢獻(xiàn)，但有貢獻(xiàn)，但大于大于Eg部分的能部分的能量則會(huì)以熱的形式消耗掉量則會(huì)以熱的形式消耗掉。 9.5 太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池正面指狀條形接觸正面指狀條形接觸1cm2cmnp1/4