物理-半導體器件chapter電子器件光子擔任主要角色

第十章光電子器件Optical-Electronics躍遷E躍遷

E1Ground

E=E2-

光子與固體中的電子的相互作

光探測器 電發(fā)光二極

激光二極 雜雜質吸自由載流子吸聲子吸EC本征吸激子吸 剩余吸

基礎吸激子吸激子吸自由載流子吸幾種半導體材料的吸收系(1.4(1.4(0.87(1.1(1.88h<=1.24/Eg截止波 圖2.7直接帶隙半導體的能量－晶體動量

圖2.8間接帶隙半導體的能量－晶體動量 受主間復合、施-受主之間復合、通過深能級復合、激子復子-空穴對稱為激子。激子作為一個整體，可以在晶體中自庫侖束縛較弱，電子“感受”到的是平均晶格勢與空穴的輻射復合，是“碰撞電離”的逆過程。子的決定于通過復合中心的間接復合過程（因為SHR壽發(fā)光二極管：靠注入載流子自發(fā)復合而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 LED低電壓、低功耗下發(fā)光，遠比白熾燈 也快。如下圖所示，使用LED的各種指示燈、七段數字顯示特征參數I-V特征：與普通二極管基本一致。開啟電壓由于緊靠pn結附近發(fā)出的光從單晶出來到外部之前被吸收掉的比例高，所以發(fā)光效當陽極加正電壓、陰極加負電壓時，發(fā)光二極管正向偏置，則n區(qū)自由電子通過結向p區(qū)移動，p區(qū)空穴通過結向n區(qū)移動。此時，自由電子和空穴的一部分因復合而。光的波長根據pn結處禁帶寬度來確定，禁帶寬度越大波長越短。即發(fā)光的波長即“色”取決于材料。異質結結構是一種將禁帶寬度窄的活性層用禁帶寬的包覆層從兩側的結構。一LED常用的材料是摻雜的間接躍遷材料GaP以及GaP各種摻雜的GaP的輻射復損失部分由三種原因造成：LED材料的本征吸收損失反射損失；臨界角損失的GaP襯底底部鍍上反射電極，只有25%左右被吸收掉，大部以改進LED管芯幾何形狀的設計，圖（a）的矩形LED的三種截面設 不同截面LED的發(fā)光強度角分布曲寬禁帶半導體材料具有禁帶寬度大，電子漂移飽和速度高，介電常數小，導熱性能好等特點，非常適合于制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的電子器件；而利用其特有的禁帶寬度，還可以制作藍、綠光和半導體晶體管以及集成電路的發(fā)明和發(fā)展使計算機成為人類社會不可或缺的東西，這數得上是２０世紀最重要的技術。那么，半導體引起的下一個技術將是什么呢？那就是半導體燈。半導體照明燈將逐步取代電真空燈泡和日光燈管，成為又一個影響人類社會物質文明的電子的產物。半導體燈小巧、可靠、 長、低壓、省電、節(jié)能等占盡了優(yōu)點。普通燈泡只能用小時， 光LED燈可用萬小時，可以說人的一生從建房開始裝上就不用再更換了，而且半導體燈消耗的電能只藍光天野浩（HiroshiAmano）、中村修二

目前利用LED實現白光主要有兩種方法，一是利用藍光LED和熒光粉的白光LED產品；另一種是利用紅色、綠色、藍色LEDLED白 和有多家公司推出了白光LED產品，目前日亞公司的水平最高。White白光LED白光LED主要利用藍光LED為基礎光源，將藍色LED發(fā)由發(fā)光峰值在m或藍光LED與黃綠色（580nm）熒光粉組成白光稱其為二基色白光LED。由發(fā)光峰值在或的藍光LED與紅色（650nm）和綠光組成的白光其為三基色白光LED。光粉的發(fā)光與藍光LED的發(fā)光可以配成白光。WhiteGaNorInGaN

InGaN-GaNstructureOutpurcolourstronglydependantoncurrentand

3kindsofwhitelight,dependingonthe4000-4500K,Incandescantorwarm5000-6500K,Pure7000-8000K,Cool圖形化藍寶石襯底（PatternedSapphireSubstrate,納米圖形襯底NPSS對光效的提高明顯優(yōu)于微米圖形襯底高亮度藍光LED的商品化使動態(tài)信息顯示平板實應用藍光LED 普通白熾螺旋節(jié)能T5熒光白光 hh

hE 半導體SiGe元素半導1962年研制出第一臺半導體激光器，GaAs1970年研制成功在室溫下連續(xù)工作的GaAlAs-雙異質結激光器

III-V族化合物半導體 II-VI族化合物半導體（CdS硫化鎘IV-VI族化合物半導體（PbSnTe鉛錫碲"p"將低能級狀態(tài)原子抽運高能級狀態(tài)(N2誘發(fā)高能級發(fā)亞穩(wěn)材料要求：直接帶工作原理：低界面態(tài)異質結構—晶格匹分布反轉:電子在較高能級的濃度大于在較低能級的濃度簡并型p-n結,正偏時,此區(qū)域分布反轉.導帶中有大量電子,價帶中有大量空穴結構 anenergysource(orpump),againmedium,andanopticalresonator有源區(qū)載流子反轉分有足夠的注入電dopedp-njunctionsasagain自發(fā)光輻射和受激光輻自發(fā)光輻射（發(fā)光二極管當給器件加正向偏壓時，n區(qū)向p區(qū)注入電子，p區(qū)向n區(qū)注入空，這種輻射叫做自發(fā)輻射在pn結平面內，單色性較好，強度也較大，這種光輻射叫做 surface-emitting半導體量子阱垂 腔表面放射激 么這個激光就能在腔中起振.所以單縱模就意味著激光的單色性好Lk 全k12 射

光在諧振腔內來回反射，相干疊加，只有形成駐波的光才能振 上升，然后再借助各種物理效應把溫度的變化轉變成電學用，將它們激發(fā)為自由態(tài)，引起半導體的電阻降低或者產光電效應Photoelectrichvhv1mv2200（每個光子具有的能量=電子動能+逸出功式中：m—電子質量；v—電子逸出速從上式可知：當光子能量大于逸出功時，才產生光電效應；當于紅限頻率的入射光，光強再大也不會產生光電效應。反之，入導 導 導EgEgh雜質能級(受主能級h雜質能級(受主能級價帶(充滿帶本征半導

價帶(充滿帶 價帶(充滿帶n型雜質半導 (c)p型雜質半導有光照時：σ

長波限則取決于雜質電離能EI光電導效應的強弱可用光電導與暗電導的比值來判斷：Δσpn/σ0=(Δnμn+Δqμp)/(n0qμn+p0qμp利用光電導效應可以制造出各種波長范圍的光敏電阻、光敏二光生伏特效光照引起結光生伏電子在光照使PN結勢壘降效于PN結外加正向偏壓，它同樣能引起P區(qū)空穴和N區(qū)電子向對方注入，形成正向注入電流。這個電流的方向與光生電流的方向正好相反，稱為暗電流，是能電池中的不利因素，應當設法使ID=I0eVVT-1I=IL-ID=II=IL-ID=IL+I0V

PN結的結電壓即為負載R上的電壓降P-N結上的電壓

I- V=VTln +1 在開路情況下，I=0，得到開路電壓（這 電池能提供的最大電壓 ILVOC=VTln1+ 在短路情況下

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

原–

無光照及光照時電流－電壓

電池的效率指的是 電池的功率轉換效率。它是太Pm式中Pin為輸入光功率 PmVmPIDye-sensitizedDye-sensitizedsolar原–

無光照及光照時電流－電壓

c-SiSolarcell 單晶硅的表面織構化為倒金字塔結構，多晶硅的表面織構化為蜂窩結表面織構

周邊刻蝕（去邊）Edge n

2 n2n 2電極印 screen烘烘背電+烘+烘電極材料要求能與硅形成牢固接觸電阻比較小，應是一種歐姆接有優(yōu)良的導電遮擋面積小，一般小于收集效率可焊性成本低

電極設計方于絲網印刷，覆蓋面積將影響到填充因。 圖9絲網印刷原理示意圖BackSurface，在后續(xù)的熱退火后會形成背PN成的晶硅少子的下降得到恢復。尤其對質量不好的硅片有一定的修復作用。此外，p+p結為高低結，即p+區(qū)為高摻雜而原硅片為低摻雜。如果燒結

提 電池效率的考提 電池效率的考 AirMassAirMassAirMass

用聚光器面積代替許多 能電池的面積，從而降低 能電池雜質光伏效多結電WorldRecordSolarCellwith44.7%EfficiencymadeupoffoursolarsubcellsbasedonIII-Vcompoundsemiconductorsforuseinconcentratorphotovoltaicsofthefour-junctionsolar 薄膜電池類 ThinfilmThinfilm DyeSensitizedSolar，這樣可更充分地利用短波光，從而提高管子的短波響應靈向電壓后擴展到幾十微米，從而可以吸收長波光，以提高管，這樣可更充分地利用短波光，從而提高管子的短波響應靈向電壓后擴