半導(dǎo)體的光導(dǎo)

1、半導(dǎo)體的光電導(dǎo)半導(dǎo)體的光吸收在半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生非平衡載流子。載流 子的增加必然使材料電導(dǎo)率增大。這種由光照引起半導(dǎo)體電導(dǎo) 率增加的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)。本征吸收引起的光電導(dǎo)稱為本征光 電導(dǎo)?，F(xiàn)在討論均勻半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)效應(yīng)1 附加電導(dǎo)率2無光照時(shí)，半導(dǎo)體樣品的暗電導(dǎo)率為電子和空穴的遷移 率。設(shè)光注入的非平衡載流子濃度分別為An和Ap，當(dāng)電子剛被激發(fā)a = q (n |Li + p 卩)o0 n 0 p式中q為電子電量，n、p為平衡載流子濃度；卩和卩分別00n p為到導(dǎo)帶時(shí)，同導(dǎo)帶中熱平衡電子相比較可能會(huì)有較大的能 量，但通過與晶格的碰撞，在極短的時(shí)間內(nèi)就以發(fā)射聲子的形 式釋放多余的能量變成熱平衡電

2、子。因此在整個(gè)光電導(dǎo)過程中 可以認(rèn)為光生電子與熱平衡電子具有相等的遷移率，則光照情 況下樣品的電導(dǎo)率變?yōu)閍 _ q (np + pp )np式中 n _np + Ap 附加光電導(dǎo)Aa為0Aa _ q(Anp + App )np光電導(dǎo)的相對(duì)值A(chǔ)a _ AnP n +ApP pa n p + p p對(duì)本征光電導(dǎo)000 n0 對(duì)本征光電導(dǎo)0令b二土P則lj Aa _ (1 + b)An a bn + p0 0 0可以看出要得到相高的光電導(dǎo)，應(yīng)使n和p有較小的數(shù)值，00值，對(duì)半導(dǎo)體本征吸收，A” = An ;但是并不是光生電子和光生 空穴都對(duì)光電導(dǎo)有貢獻(xiàn)。對(duì)p型Cu O其本征光電導(dǎo)主要來自光生空穴的貢

3、獻(xiàn)2對(duì)n型CdS，其本征光電導(dǎo)主要來自于光生電子的貢獻(xiàn) 就是說，在本征光電導(dǎo)中，光激發(fā)的電子和空穴數(shù)是相等 的，但是在它們復(fù)合消失以前，只有其中一種光生載流子（一 般為多載流子）有較長(zhǎng)的時(shí)間存在于自由狀態(tài)，而另一種則往 往被一些能級(jí)（陷阱）來縛住，這樣，An Ap或Ap An附加電 導(dǎo)率應(yīng)為Ac = Any q 或 Aa = App qnp除了本征光電導(dǎo)外，雜質(zhì)能級(jí)上的電子或空穴受光照激發(fā) 也能產(chǎn)生光電導(dǎo)，但比本征光電導(dǎo)弱得多。2定態(tài)光電導(dǎo)及其弛豫過程定態(tài)光電導(dǎo)是指在恒定光照下產(chǎn)生的光電導(dǎo)。因?yàn)橼嗪挖嘣谝欢l件是一定的，所以光電導(dǎo)的變化反映 np了光生載流子的變化。設(shè)工表示以光子數(shù)計(jì)算的光強(qiáng)度

4、即單位時(shí)間通過單位面積 的光子數(shù)，為樣品的吸收錄數(shù)，則單位時(shí)間單位體積內(nèi)吸收 的光能量（以光子數(shù)計(jì)）與光強(qiáng)成正比。dI=a IdxI 為單位體積內(nèi)光子的吸收率，從而電子空穴對(duì)的產(chǎn)生率 為Q =卩0代表每吸收一個(gè)光子產(chǎn)生的電子空穴對(duì)數(shù)，稱為量子產(chǎn) 額，每吸收一個(gè)光子產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)，則0 21 一般0 t情況下，光敏電阻每吸收一 個(gè)光子就能使許多個(gè)電子相繼通過兩個(gè)電極，這樣電極靠近時(shí) 的光電流將大于電極遠(yuǎn)離時(shí)的光電流。通常用光電導(dǎo)增益因子 G 表示這種光電導(dǎo)效應(yīng)的增強(qiáng)。G =二tt外加電壓為V，電子遷移率為卩，電極間距離為L(zhǎng)，則n渡越時(shí)間l2T =t 卩vn光電導(dǎo)增益因子G = TAT12T大

5、，卩大，1小，則G大。nn第二章 光電二極管與太陽能電池利用半導(dǎo)體光電效應(yīng)制造的半導(dǎo)體器件統(tǒng)稱為光電器 件，本章主要介紹半導(dǎo)體光生伏持效應(yīng)，光電二極管和太陽能 電池的基本原理。一、光生伏特效應(yīng)：1、定義光生伏特效應(yīng)：半導(dǎo)體吸收光能后在PN結(jié)上產(chǎn)生光生電動(dòng) 勢(shì)的效應(yīng)稱為光生伏特效應(yīng)。2、物理過程吸收光子產(chǎn)生非平衡電子空穴對(duì)，hu Eg （見圖 7-2）電子空穴對(duì)在空間分離并分別堆集產(chǎn)生電勢(shì)差3、P-N 結(jié)能帶圖如圖為天光照時(shí)平衡時(shí) PN 結(jié)能帶圖，設(shè)入射光垂直于 PN 結(jié)面，結(jié)較淺，光子射入 PN 結(jié)區(qū)，甚至深入到半導(dǎo)體材料內(nèi) 部，入射光子能量大于禁帶寬度，由本征吸收在結(jié)的兩邊產(chǎn)生 電子空穴對(duì)在

6、光激發(fā)作用下，半導(dǎo)體多數(shù)載流子濃度一般變化 不大，而少數(shù)載流子濃度變化卻相當(dāng)大，因此主要研究少數(shù)載 流子運(yùn)動(dòng)。由于 PN 結(jié)勢(shì)壘區(qū)內(nèi)存在較強(qiáng)的自建電場(chǎng)，方向由 N 區(qū)指向 P 區(qū)，結(jié)兩邊的光生少子受到自建場(chǎng)的作用，各自向相反的方 向運(yùn)動(dòng)：P區(qū)的電子穿過PN結(jié)進(jìn)入n區(qū)；n區(qū)的空穴進(jìn)入P 區(qū)，從而使得P區(qū)電勢(shì)升高，n區(qū)電勢(shì)降低，于是在PN結(jié)兩端 形成了光生電動(dòng)勢(shì)，這就是 PN 結(jié)的光生伏特效應(yīng)。積累的光生載流子部份地補(bǔ)償了平衡 PN 結(jié)的空向電荷，引 起 PN 結(jié)勢(shì)壘高度的降低，如圖所示。如果 PN 結(jié)處于開路狀 態(tài)，光生載流子在 PN 結(jié)兩端產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)。這時(shí) PN 結(jié)兩端 測(cè)得的電位差時(shí)開路

7、電壓，用Voc表示，從能帶圖上看PN結(jié)勢(shì) 壘由q屮。降低到q（屮-v）。勢(shì)壘降低的部份正好是P區(qū)和N區(qū)00 c費(fèi)米能極分開的距離。如果把 PN 結(jié)從外部短路，則 PN 結(jié)附近的光生載流子將通 過這個(gè)途徑流通。這時(shí)流過 PN 結(jié)的電流叫短路電流，用 I 表 l 示，其方向從PN結(jié)內(nèi)部看是從N區(qū)指向P區(qū)，這時(shí)非平衡載流 子不再積累在PN結(jié)兩側(cè)，光電壓降為零。一般情況下，PN結(jié)材料和引線總有一定電阻，用r表示這 種等效電阻。這時(shí)光生載流子只有一部份積累在PN結(jié)上，使勢(shì) 壘降低qv，v是電流流過R時(shí)產(chǎn)生的壓降。其情況如圖所示。s二、光電二極管 光電二極管是利用光生伏特效應(yīng)原理進(jìn)行工作的一種器 件，它工

8、作在反向偏置狀態(tài)。將光光儀號(hào)轉(zhuǎn)換成電儀號(hào)達(dá)到探 測(cè)光儀號(hào)的目的。1、物理原理 如圖給光電二極管加上反向偏置電壓，天光照時(shí)，二極管 處于關(guān)閉狀態(tài)，沒有電流流過，只有很小的反向電流（圖）。有光照時(shí)，在半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生大量的電子空穴對(duì)，對(duì) P 區(qū)而言，空穴是多子，電子是少子，而 PN 結(jié)勢(shì)壘區(qū)的作用是幫 助少子漂移越過耗盡層到達(dá) N 區(qū)，被電源正極抽走，而 P 的多 子空穴被電源負(fù)極抽走，同樣 N 區(qū)的多子電子被電源正極抽走 而少子空穴則渡過耗盡層達(dá)到P區(qū)從而形成光電流。入射光強(qiáng)強(qiáng)，激發(fā)的電子空穴對(duì)多，光電流大。 入射光強(qiáng)弱，激發(fā)的電子空穴對(duì)少，光電流小。從而將光儀號(hào)的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)變成為電儀號(hào)的強(qiáng)弱 2、

9、典型光電=極管結(jié)構(gòu)（1）P=I-N 光電=極管在 P 層和 N 層之間夾入一層本征成低摻雜的工層材料就構(gòu) 成了 P-I-N 結(jié)構(gòu)的光電=極管，如圖示出其基本結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體吸收光子后產(chǎn)生電子空穴對(duì)。對(duì)于產(chǎn)生在耗盡層和 耗盡層外載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度以內(nèi)的電子空穴對(duì)，最后將被耗盡區(qū) 的電場(chǎng)分開，漂移通過耗盡層，在外電路產(chǎn)生電流， P 層和 N 層之間的 I 層也是耗盡層，它增加了耗盡層的寬度。在足夠高 的反向偏壓下，|層完全變成耗盡層。在I層中產(chǎn)生的電子空 穴對(duì)立刻被電場(chǎng)分離而形成光電流在 I 層之外產(chǎn)生的電子空穴 對(duì)以擴(kuò)散方式向耗盡層邊緣擴(kuò)散然后被耗盡層收集，形成擴(kuò)散 電流。I層的目的是為了使光電二極管獲

10、得最佳的量子效率和 頻率響應(yīng)。（2）雪崩光電=極管 雪崩=極管是一種常用光電探測(cè)器，它利用器件內(nèi)部的雪崩 倍增過程使光吸收產(chǎn)生的電流得到放大，如圖是它的基本結(jié) 構(gòu)。當(dāng)反向偏壓V足夠大時(shí)，N+P結(jié)的強(qiáng)電場(chǎng)將引起載流子的R 雪崩倍增，形成倍增區(qū)，使光電流得到放大。 I 層厚度做得比 較大。直接帶隙材料為微米數(shù)量級(jí)，間接帶隙材料為幾十個(gè)微 米量極，是光的吸收區(qū)域，其間的電場(chǎng)不足以發(fā)生碰撞電離， 但通常能使載流子以飽和漂移速度v運(yùn)動(dòng)，N型保護(hù)環(huán)的作用是 s防止n+P結(jié)的邊緣擊穿。中間的N+P結(jié)的擊穿將光于保護(hù)環(huán)擊 穿。設(shè)計(jì)雪崩光電二極管的一個(gè)重要考慮是如何減少雪崩噪 聲。雪崩噪聲是由雪崩過程的隨機(jī)產(chǎn)生

11、的，在耗盡層中每一給 定距離所產(chǎn)生的每一個(gè)電子空穴對(duì) 并不經(jīng)歷相同的倍增過程。雪崩噪聲和電離率比（切爲(wèi)）有關(guān)，切爲(wèi)越小，雪崩噪聲也越小。III-V族化合物半導(dǎo)體是制造光電器件的重要材料，原則 上，在直接帶隙半導(dǎo)體情況下，光電探測(cè)器的吸收區(qū)不必很 長(zhǎng)，雪崩光電二極管可以由寬的吸收區(qū)和倍增區(qū)構(gòu)成。但對(duì)于 窄帶隙材料，碰撞電離所需要的強(qiáng)電場(chǎng)會(huì)會(huì)引起很大的來自帶 間隧道效應(yīng)的漏電流。為了避免這種現(xiàn)象，通常采用分別吸收 和倍增的雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)，如圖所示，光吸收發(fā)生在窄禁 帶材料內(nèi)，雪崩倍增過程發(fā)生在寬禁帶材料內(nèi)。如圖表示1.51.65卩m波長(zhǎng)的光通信用InGaAs光電二極管 的典型結(jié)構(gòu)，在襯底上外延

12、生長(zhǎng)光吸收層和N- -InP倍增層，并在這兩層中間夾入N- -InGaAsP層。夾入 N InGaAsP和InGaAsP和InP層的禁帶寬度Eg （分別為0.75ev和0.35ev）的差異所產(chǎn)生的價(jià)帶不連續(xù)，使光吸 收產(chǎn)生的空穴迅速流入倍增層，作為倍增層的 InP 材料的空穴 電離率大于電子電離率（切g(shù) ），這種光電二極管的倍增過 程是由空穴碰撞電離而在N型InP中形成的。（3）金屬-半導(dǎo)體光電二極管金屬半導(dǎo)體光電二極管的結(jié)構(gòu)如圖所示，入射光穿過金屬 層進(jìn)入半導(dǎo)體。為了避免大量的反射和吸收損耗，金屬接觸層 通常做得很?。s10nm ）而且定力 反射涂層。金屬半導(dǎo)體光電二極管在紫外光和可見光區(qū)域特別有用在 這些波長(zhǎng)區(qū)域，大多數(shù)半導(dǎo)體的吸收錄數(shù)都很高，數(shù)量級(jí)在 104cm或更大，相