選修電子元器件導論-半導體光電

第九 半導體光電子器1主要半導體光電子技術(shù)理論基內(nèi)光電效光電發(fā)光二極2半導體光電子技術(shù)理論基光波和光具有波動和粒子二重性（波粒二重性）。為了描述光的性質(zhì)可以把光看成一束在介質(zhì)（真空、空氣、光纖、半導體等）的光波。其波長如右圖⑴光波的波段（頻段 紫外 近紅外2μm 遠紅外波長λ是光的波動性重要參數(shù)光強度反映了光的粒子性 半導體光電子光的波動性--光⑵描述光的波動特性參數(shù)光波在介質(zhì)中的波長光波在介質(zhì)中的頻率光波在介質(zhì)中 速度介質(zhì)的折射率(3)光波的ν與λ、cc

（4-在介質(zhì)中光波的頻率ν不改變,由于介質(zhì)對光波的折射介質(zhì)中 速度c相對真空變慢，c=c0/nc

（4-其中c0為光波在真空中 速度(c0=3×108m/s),n為介質(zhì)的折射率4半導體光電子光的粒子性--光量子理論認為：光是由能量被量子化了的光子組成的E

（4-其中h 常數(shù),h ×10－34J·s,ν為光波的頻率⑵光子的能量E與光波的λ和介質(zhì)的折射率n的關(guān)系：根據(jù)（4-1），將ν=c/λ代入（4-3）式, E

hc

（4- 能量為eV,(1eV=1.6×10－19J),波長為μm。分別為0.8eV和0.95eV。 半導體的光電效半導體光電子器件:半導體光電器件是把光和電這兩種物理來，使光和電互相轉(zhuǎn)化的新型半導體器件。一般分為兩大類利用半導體的內(nèi)光電效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化成電能的半導體光電器件利用電子-空穴復合發(fā)光效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換稱光能的電致發(fā)光器件光電物質(zhì)的光電效應(yīng)有多種多樣，歸納起來可以分為外光電效應(yīng)和電效應(yīng)兩種。其中內(nèi)光電效應(yīng)又可分為光電導效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)外光當物質(zhì)受到光的照射后，向物體外發(fā)射電子，這種象稱典型應(yīng)用產(chǎn)品：光電管（真空光電管和充氣光電管6半導體的光電效半導體的內(nèi)光電效應(yīng)：被光激發(fā)所產(chǎn)生的載流子（自由電子或空）仍在物質(zhì)內(nèi)部運動，使物質(zhì)的電導率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生伏特現(xiàn)象光電導導帶:被電子部分占據(jù)的能帶,形成電hv流起導電作用禁帶寬度(帶隙)Eg---之差電子

hv典型應(yīng)用產(chǎn)品:光敏電阻器，光電二極管，光電三極管 半導體的光電效光生伏特效當半導體PN結(jié)(或金屬-半導體接觸)受到光照射時，會在PN結(jié)或金-半導典型應(yīng)用產(chǎn)品 能電池,光電池(光信號→電信號電子空穴復合發(fā)光效應(yīng)：在某些半導體材料的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放典型應(yīng)用產(chǎn)品:發(fā)光二極管（LED）;8半導體光電子器半導體光電子(元)器件分按工作機理分為3類光敏電阻、光電探測器或光 ，光電二極管、光電三極管等半導體的電子—空穴復合發(fā)光效應(yīng)：發(fā)光二極管（LED）;紅外按用途分為3類換能器件---例如，光電池、發(fā)光二探測器件---例如，光敏電阻器、光敏二極管、電荷耦合元件控制器件---例如，光敏晶體管、光控晶9半導體光電子器常用半導體光電子器光電發(fā)光二光電耦光電池是一種將光能轉(zhuǎn)變成電能的半導體光電子器化遙測 方面 為光源的光電池，也被稱 (能)電池 能電池作為能廣泛應(yīng)用在人造地 、燈塔、無人氣象站等處9.2導體光電光電池（SolarCell目前，光伏發(fā)電產(chǎn)品主要用 力，還有微波中繼電源、通訊電源等，另外，還包括一些移動電 能日用電子產(chǎn)品，如各類能充電器、能路燈和并網(wǎng)發(fā)電，這在發(fā)達國家已經(jīng)大面積推廣實主要優(yōu)沒有污染，只需要裝置和陽 能是無限的9.2導體光電器件結(jié)如右圖所示，基本結(jié)構(gòu)就是一個大面積平面P－N結(jié)。9.2導體光電工作原光生伏特效應(yīng),即PN結(jié)受到光照射時在PN結(jié)兩側(cè)產(chǎn)生光生電動勢在光照下,半導體(Si)能量而受到激發(fā)設(shè)光子能量Eph=hν,半導體(Si)禁帶寬度當hνEg時,PN結(jié)及其附近則可能產(chǎn)生電子空穴對，PN穴向P區(qū)做漂移運動 同時光生電子向N區(qū)做漂移運動，通過界面層電荷分離，因而形成定向的光生電流Iph空間電荷區(qū)的重要作用：分離了兩種不同的電荷，這導致在區(qū)邊界附近有光生電子積累，在區(qū)邊界附近有光生空穴積累。它們產(chǎn)生一個與熱平衡P結(jié)的內(nèi)建電場方向相反的光生電場，其方向由區(qū)指向區(qū)。9.2導體光電等效電理想的PN光池可用個流Ip（光生電流）個想極管的并聯(lián)來表，實的PN結(jié)光電池單元存在 電阻和聯(lián)電阻。9.2導體光電 Iph

WLp

(9-式中q為電子電荷,A為PN結(jié)空間電荷區(qū)面積,Ln、Lp為電子和空擴散長度，W為PN結(jié)空間電荷區(qū)寬度光生電動勢Vph的存在，對外電路提供了電流，向外負載輸送了功率。然而,Vph的存在相當于對PN結(jié)加上一正向偏壓,引起PN結(jié)正向電流IF。IF與Iph方向相反,應(yīng)設(shè)法減小IF。9.2導體光電4）伏-安特性（續(xù)圖中Rs為串聯(lián)電阻,Rsh為傍路(卸漏)理想情況下Rsh很大,Rs很小,其影響可忽根 電流定律,Iph－IF+ (9-理想PN結(jié)的IF遵 方程 Iexp(qV) 0 由(4-6)式則有 I

(9-qD

qDn2式中I是二極管飽和電流 A i i

(9- L L 其中A為PN結(jié)空間電荷區(qū)面積Ln、Lp分別為電子

D9.2導體光電5）主要性能開路電壓 I=0時V+與V－電勢差,表征光電池提供電動勢的能力主要與PN結(jié)的內(nèi)建電位V0、光生電子-空穴對的數(shù)量等相關(guān)理想情況下

ln(

ph0 ph0短路電流 測量V+和V－兩點電流表示數(shù)表征光電池提供電流的能力。主要與光照強度、光生電子-空穴對的數(shù)量等。理想情況下光電轉(zhuǎn)換效率

Isc=表征光電池轉(zhuǎn)換光能→電能的能力其中PPN結(jié)上的光總功率

Vmp

VocIsc填充因子F.F定義為VocIsc的比值

為光電池最大輸出功率值相9.2導體光電主要性能參數(shù)光譜特性---當入射光的能量一定時,Isc與入射光波長的關(guān)系。硅電池常規(guī)入射光峰值波長λP:0.86μm～0.90μm入射光長波限λmax入射光短波限λmin響應(yīng)時間tr(上升時間)、tf(下降時間)---反映光電池對突變光照響應(yīng)速tr、tf主要取決于PN結(jié)CB(勢壘電容)、串聯(lián)電阻RS和負載電阻約為2.2CBRL,通常為×1μs～9.2導體光電子器件敏電是利用半導體的光電導效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）。在沒有光照時，電阻很大；在一定波長范圍的光照下，其電阻值明顯變小。如國產(chǎn)型硫化鎘光敏電阻，其光照電阻小于千歐，暗電阻大于5兆歐。9.2導體光電子器件敏電器件結(jié)光敏電阻的結(jié)構(gòu)很簡單，下圖為金屬封裝的硫化鎘光敏構(gòu)圖。在玻璃底板上均勻地涂上一層薄薄的半導體物質(zhì)，稱為光導敏電阻就通過引出線端接入電路。為了防止周圍介質(zhì)的影響，在半采用梳狀圖案。1--光導層;2--玻璃窗口;3--金屬外殼;4--電極;5--陶瓷基座;6--黑色絕緣玻璃;7--電阻引9.2導體光電子器件敏電工作原光敏電阻利用光電導效應(yīng)制成。當入射光子使電子由價帶躍導帶時，導帶中的電子和價帶中的空穴二者均參與導電著減小，稱為光敏電 夠大時，光導材料禁帶中的電子受到能量大于其禁帶寬度Eg的光子激寬度Eg，即9.2導體光電子器件敏電亮電阻，亮電在一定外加電壓下，受到光照射時，通過光敏電阻的電流稱用I

表示。亮電流與外加電壓V和入射光照度L之間的關(guān)系為 IL 其中，α為電壓指數(shù)，β為照度指光敏電阻在受到光照時所具有的阻值為亮電阻，用RL光敏電阻在沒有受到光照時所具有的阻值為暗電阻，用RD表示在一定外加電壓下，沒有受到光照時通過光敏電阻的電流稱為暗電流，表示 光電

IPIPILID9.2導體光電子器件敏電主要參數(shù)（續(xù)靈敏表示光敏電阻器靈敏度的方法有多種，常用的有阻值變化倍電阻變化倍數(shù)：暗電阻與亮電阻的比

KRD/電阻靈敏度：(RDRL)/RDR/電流靈敏度：單位入射光通量下的光電流，可表示為光電 與射在光敏電阻器上的光通量 之比GIP/(A/光電流的大小除和光通量有關(guān)外，還與外加電壓有關(guān)。外加電壓1V光電靈敏度稱為比靈敏度，也稱為積分靈敏度GIP/U(A/lmV9.2導體光電子器件敏電光敏電阻的伏安特性是指：在一由右圖可知，光敏電阻伏安特性近似直線，光照度不變的情況下，電壓越高，光電流也越大，而且有飽和現(xiàn)象受耗散功率的限制在使，敏電阻兩端的電壓 過最高工作電壓，圖中曲線為允許功耗曲線由此可確定光敏電阻正常工作電壓。半導體光電子器件敏電光照特光照特性是指光電流光照強度之間的關(guān)系特性。從圖中可以看出，隨著光照強度的增加，光敏電阻值開始迅速下降，若進一步增大都與右圖的結(jié)果類似。由于光敏電的光照特性是非線性的，因此不適 作線性敏感元件，這是光敏電阻的缺9.2導體光電子器件敏電光譜特光譜特性是指：光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長光譜特性與光敏電用光敏電阻時應(yīng)當把元件和光源的類結(jié)合起來考9.2導體光電子器件敏電頻率特當光敏電阻受到光照射時，光電流要經(jīng)過一段時值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零——光敏電阻的時延特圖中給出的是靈敏度與光強變化頻率f之間的關(guān)系曲但多數(shù)光敏電阻的時延都比較大，這是光敏電阻的一個缺陷。9.2導體光電子器件敏電溫度特影響光敏電阻的光譜響應(yīng)，同時光敏電阻的靈敏度和暗電阻也隨之改化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線，它的峰值隨著溫度上升長短的方向移9.2導體光電子器件敏電常用光敏電硫化鎘CdS光敏電阻：峰值響應(yīng)波長0.52umx一般約為，0lx硫化鉛，峰值探測率111/2w100300S，銻化銦（InSb）光敏電阻：長波限7.5um，內(nèi)阻低（約50Ω），峰值探測Dλ*=1.2Χ1011cm·Hz1/2/w。時間常數(shù)0.02uS。零度時探測率可提高2-3碲鎘H 應(yīng)波長在3-碲錫鉛（PbSnTe）系列光敏電阻：不同的錫組分比例，響應(yīng)波長不同。主用在8-10um波段探測，但探測率低，應(yīng)用不廣泛 9.2導體光電子器件光二LED是一種將電能轉(zhuǎn)變成光能的半導體光電子LED使用低壓電源，供電電壓在6-24V效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少適用性；很小，每個單元LED小片是3-5mm的正方穩(wěn)定性：10萬小時，光衰為初始的50響應(yīng)時間：其白熾燈的響應(yīng)時間為毫秒級，LED燈的響應(yīng)時間為納秒級；對環(huán)境污染：無有害金屬19.2導體光電子器件光二器件結(jié)如右圖所示，其基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導體材料，置于一有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起作用發(fā)光二極管 部分是由P型半導體和N型半導體組成的晶片在P型半導體和N型半導體之間有一個過渡層，稱為PN9.2導體光電子器件光二工作原當給半導體PN結(jié)施加電源電壓V時如果V＞0,則使P區(qū)的空穴向N區(qū)注入,N區(qū)的電子向P區(qū)注入,相互注入的電子當在PN結(jié)空間電荷區(qū)發(fā)生復合時,每一電子-空穴對復合的同時會釋放一個光子。不同半導體材料制作的PN結(jié),電子-空穴復合時釋放光子的能量不同,使半導體二極管發(fā)出不同波長的光。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流，半導體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與9.2導體光電子器件光二工作原(續(xù)半導體發(fā)光經(jīng)過激發(fā)過程和復合過程。這兩個過程的前后銜接是發(fā)光的必不可少的兩個環(huán)節(jié)當給半導體PN結(jié)施加正向電壓V時 外加電場使P區(qū)的多子 衡的外加電場激發(fā)的少子,為不穩(wěn)定高能態(tài)的非平衡少數(shù)載流子,P區(qū)、PN結(jié)空間電荷區(qū)、N區(qū)，3個區(qū)然會與各自區(qū)內(nèi)的多子發(fā)生復合。復合分為輻射和非輻射兩種只有在PN結(jié)空間電荷區(qū)非平衡電子與空穴的輻射復合過程,才能釋放出光子,光子的能量等于半導體的帶隙。非輻射復合過程中平衡電子與空穴復合釋放的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?.2導體光電子器件光二伏安特具有單向?qū)щ娞匦?其V-I特性曲線與普通二極管相似,如右圖示意。發(fā)光二極管的反向擊穿電壓約5可用下式計算：式中E為電源電壓，UF為LED的正向壓IF為LED的一般工作電流9.2導體光電子器件光二LED最大工作電流IFM—LED工作電流的最大值開啟電壓VT—LED開啟所需的正向工作電壓值VT取決于LED制作材料和工作電流IF發(fā)光波長λ(nm)—取決于制作LED所用的半導材料及其摻入的雜質(zhì)發(fā)光強度Iv(mcd)—LED在工作電流IF驅(qū)動下的光強。Iv取決于IF值,一般情況下,IvIFIv的單位 cd的定義：波長為550nm的單色光源發(fā)光時，如果它某一

W (瓦/球面度)時,稱此單色光源在該方向的發(fā)光強度為1cd9.2導體光電子器件光二LED的主要性能參數(shù)(續(xù)功耗Ptot—LED消耗的總電功率為LED工作電流IF與二極管壓降VF之積通常采取限制IF＜IFM,以保證使用功率＜Ptot響應(yīng)時間ton、toff(μs)—LED啟亮、熄滅的延遲時間啟亮時間ton與IF與有關(guān)，隨IF增大，ton呈指熄滅時間toff與IF與無關(guān)溫度范圍振沖9.2導體光電子器件光二LED的分主要分為 可見光LED和近紅外光LED2可見光常用品種：綠、橙、近紅外光常用品9.2導體光電子器件電耦主要分為 可見光LED和近紅外光LED2可見光常用品種：綠、橙、近紅外光常用品9.2導體光電子器件電耦L上，LE發(fā)光，光接受器件接受光信號并轉(zhuǎn)換成電信號，然后將電信號直接輸出，或者將電絕緣的，也稱為電。由于它具有體積小、長、能力強、工作溫度寬及無觸點輸入與輸出在電氣上完全等特點，被廣泛地應(yīng)用在電子技離電路、開關(guān)電路、數(shù)模轉(zhuǎn)、過流保護、長線傳輸、高壓控制及9.2導體光電子器件1）光電耦合器由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣 。發(fā)光源的腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端光電耦合器是一個組合型器件，因此有多種不同結(jié)構(gòu)常見的發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極管、光