第四章 光電器件

第四章光電器件輻射躍遷光子和固體內(nèi)的電子之間有三種主要的相互作用過程：吸收、自發(fā)輻射、受激輻射。如圖為在一個(gè)原于內(nèi)的兩個(gè)能級(jí)E1和E2，其中E1相當(dāng)于基態(tài)，E2相當(dāng)于激發(fā)態(tài)，則在此兩能態(tài)之間的任何躍遷，都包含了光子的輻射或吸收，此光子的頻率為ν12，而hν12=E2-E1。室溫下，固體內(nèi)的大多數(shù)原子處于基態(tài)。此時(shí)若有一能量恰好等于hν12的光子撞擊此系統(tǒng)，則原本處于基態(tài)的原子將會(huì)吸收光子的能量而跑到激發(fā)態(tài)。這一過程稱為吸收過程。輻射躍遷和光的吸收在激發(fā)態(tài)中的原子是很不穩(wěn)定的，經(jīng)過短暫的時(shí)間后，不需要外來的激發(fā)，它就會(huì)跳回基態(tài)，并放出一個(gè)能量為hν12的光子，這個(gè)過程即稱為自發(fā)輻射[圖(b)]。

當(dāng)一能量為hν12的光子撞擊一原本在激發(fā)態(tài)的原子時(shí)[圖c]，此原子被激發(fā)后，會(huì)轉(zhuǎn)移到基態(tài)，并且放出一個(gè)與入射輻射同相位、能量為hν12的光子。這個(gè)過程即稱為受激輻射。由受激輻射所造成的輻射是單色的，因?yàn)槊恳粋€(gè)光子具有的能量都是hν12。同時(shí)，此輻射也是相干的，因?yàn)樗械墓庾佣际峭辔话l(fā)射。輻射躍遷和光的吸收

發(fā)光二極管的主要工作過程是自發(fā)輻射，激光二極管則是受激輻射，而光探測(cè)器和太陽能電池的工作過程則是吸收。

如圖顯示的是半導(dǎo)體中的基本躍遷．當(dāng)半導(dǎo)體被光照射后，如果光子的能量等于禁帶寬度(即hν=Eg)，則半導(dǎo)體會(huì)吸收光子而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，如(a)所示．若hν大于Eg，則除了會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)之外，多余的能量(hν-Eg)將以熱的形式耗散，如(b)所示。

以上(a)與(b)的過程皆稱為本征躍遷，或稱為能帶至能帶的躍遷。另一方面，若hν小于Eg，則只有在禁帶中存在由化學(xué)雜質(zhì)或物理缺陷所造成的能態(tài)時(shí)，光子才會(huì)被吸收，如(c)所示，這種過程稱為非本征躍遷。一般而言，以上所述在因果倒置時(shí)也是正確。光的吸收半導(dǎo)體中光的吸收CEVEgE)(a)(b)(cuhtECEVEgE)(a)(b)(cuhtE假設(shè)半導(dǎo)體被一光子hν能量大于Eg且光子通量為Φ0(即每秒每平方厘米所具有的光子數(shù))的光源照射，當(dāng)此光子通量進(jìn)入半導(dǎo)體時(shí)，光子被吸收的比例是與通量的強(qiáng)度成正比。因此，在一增量距離Δx[圖(a)]內(nèi)，被吸收的光子數(shù)目為αΦ(x)Δx，其中α稱為吸收系數(shù)，由光子通量的連續(xù)性可得負(fù)號(hào)表示由于吸收作用，導(dǎo)致光子通量強(qiáng)度減少。代入邊界條件，當(dāng)x=0時(shí)，Φ(x)=Φ0可得上式的解為半導(dǎo)體中光的吸收

發(fā)光二極管(LED)是一種p-n結(jié)，它能在紫外光、可見光或紅外光區(qū)域輻射自發(fā)輻射光?？梢姽釲ED被大量用于各種電子儀器設(shè)備與使用者之間的信息傳送。而紅外光LED則應(yīng)用于光隔離及光纖通訊方面。由于人眼只對(duì)光子能量hν等于或大于1.8eV(λ≤0.7μm)的光線感光，因此所選擇的半導(dǎo)體，其禁帶寬度必須大于此極限值。右圖標(biāo)示了幾種半導(dǎo)體的禁帶寬度值?？梢姽獍l(fā)光二極管：發(fā)光二極管（Light-emittingdiodes）下表列出了用來在可見光與紅外光譜區(qū)產(chǎn)生光源的半導(dǎo)體。

在所列出的半導(dǎo)體材料中，對(duì)于可見光LED而言，最重要的是GaAs1-yPy與GaxIn1-xN合金的Ⅲ-V族化合物系統(tǒng)。發(fā)光二極管材料波長(zhǎng)／nmInAsSbP／InAs4200InAs3800GaInAsP/GaSb2000GaSb1800GaxIn1-xAs1-yPy1100~1600Ga0.47In0.53As1550Ga0.27In0.73As0.63P0.371300GaAs:Er,InP:Er1540Si:C1300GaAs:Yb,InP:Yb1000AlxGa1-xAs:Si650~940GaAs:Si940Al0.11Ga0.89As:Si830Al0.4Ga0.6As:Si650GaAs0.6P0.4660GaAs0.4P0.6620GaAs0.15P0.85590(AlxGa1-x)0.5In0.5P655GaP690GaP:N550~570GaxIn1-xN340,430,590SiC400~460BN260,310,490

當(dāng)有一個(gè)以上的第Ⅲ族元素均勻分散于第Ⅲ族元素的晶格位置，或有一個(gè)以上的第V族元素均勻分散于第V族元素的晶格位置，就形成了此Ⅲ-V族化合物合金。三元化合物常用的符號(hào)是AxB1-xC或AC1-yDy，而四元化合物則用AxB1-xCyD1-y表示，其中A和B為第Ⅲ族元素，C和D為第V族元素，而x和y是物質(zhì)的量的比。

右圖表示GaAs1-yPy的禁帶寬度是物質(zhì)的量的比y的函數(shù)。當(dāng)0＜y＜0.45時(shí)，它屬于直接禁帶半導(dǎo)體，由y=0時(shí)的Eg=1.424eV，增加到y(tǒng)=0.45時(shí)的1.977eV。當(dāng)y＞0.45時(shí)，則屬于間接禁帶半導(dǎo)體。發(fā)光二極管Eg(GaAs)=1.4eV(886nm)Eg(GaP)=2.26eV(548nm)

右圖表示幾種合金成分的能量-動(dòng)量圖。導(dǎo)帶有兩個(gè)極小值，一個(gè)沿著p=0的是直接極小值，另一個(gè)沿著p=pmax的是間接極小值。a.位于導(dǎo)帶直接極小值的電子及位于價(jià)帶頂部的空穴具有相同的動(dòng)量(p=0)；b.而位于導(dǎo)帶間接極小值的電子及位于價(jià)帶頂部的空穴則具有不同的動(dòng)量。輻射躍遷機(jī)制大部分發(fā)生于直接禁帶的半導(dǎo)體中，如砷化鎵及GaAs1-yPy(y<0.45)，因其可以保持動(dòng)量守恒。光子能量等于半導(dǎo)體的禁帶寬度。間接帶隙：需要晶格的交互作用或其他散射媒介必須參與過程以保持動(dòng)量守恒。

發(fā)光二極管圖(b)則是以磷化鎵為襯底制造的發(fā)橙、黃或綠光的間接禁帶隙LED,用外延方法生長(zhǎng)的緩變型GaAs1-yPy合金層用來使界面間因晶格不匹配所導(dǎo)致的非輻射性中心減至最小。

下圖是平面二極管架構(gòu)的可見光LED的基本結(jié)構(gòu)圖。其中圖(a)的截面圖是以砷化鎵為襯底制造的發(fā)紅光的直接禁帶LED。橙、黃、綠光發(fā)光二極管

目前已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的材料是氮化鎵(Eg=3.44eV)和相關(guān)的Ⅲ-V族氮化物半導(dǎo)體，如AlGaInN，其直接禁帶范圍由0.7eV至6.2eV。

至于高亮度的藍(lán)光LED(0.455ym-0.492Pm)方面，已經(jīng)被研究的材料有：Ⅱ-Ⅵ族化合物的硒化鋅(ZnSe)，Ⅲ-Ⅴ族氮化物半導(dǎo)體的氮化鎵(GaN)、Ⅳ-IV族化合物的碳化硅(SiC)．然而，Ⅱ-Ⅵ的壽命太短，以致至今尚不能商品化；碳化硅也因其為間接禁帶，致使其發(fā)出的藍(lán)光亮度太低，也不具吸引力。發(fā)光二極管(LED)Ni/Aup型電極GaN-pNGaAl-p-1xx)N(InGa-1未摻雜xxGaN-nAlN-n藍(lán)寶石襯底p光傳輸電極ITOTi/Aln型電極Ni/Aup型電極GaN-pNGaAl-p-1xx)N(InGa-1未摻雜xxGaN-nAlN-n藍(lán)寶石襯底Ti/Aln型電極Eg(AlN)=6.2eV(200nm)Eg(InN)=0.7eV(1770nm)

雖然沒有晶格相匹配的襯底可供GaN生長(zhǎng)，但是低溫生長(zhǎng)的AlN做緩沖層，即可在藍(lán)寶石(Al2O3)上生長(zhǎng)高品質(zhì)的GaN。右圖即為生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上的Ⅲ-Ⅴ族氮化物L(fēng)ED。

因?yàn)樗{(lán)寶石襯底是絕緣體，所以p型與n型的歐姆接觸都必須形成在上表面。藍(lán)光產(chǎn)生于GaxIn1-xN區(qū)域的輻射性復(fù)合作用，而GaxIn1-xN如三明治般被夾于兩個(gè)較大禁帶寬度的半導(dǎo)體之間：一個(gè)是p型的AlxGa1-xN層，一個(gè)是n型的GaN層。發(fā)光二極管Ni/Aup型電極GaN-pNGaAl-p-1xx)N(InGa-1未摻雜xxGaN-nAlN-n藍(lán)寶石襯底Ni/Au光傳輸電極Ti/Aln型電極Ni/Aup型電極GaN-pNGaAl-p-1xx)N(InGa-1未摻雜xxGaN-nAlN-n藍(lán)寶石襯底Ni/AuTi/Aln型電極發(fā)光二極管原理：外加偏壓V，注入載流子（電子+空穴），電子從負(fù)極（N-型端）進(jìn)入電子阱中，空穴從正極（P-型端）進(jìn)入空穴阱中，二者在阱區(qū)復(fù)合，以光或熱的形式釋放能量。其中光子能量:

hw=EG(1)+量子能級(jí)間距。有三種損耗機(jī)制會(huì)減少光子輻射的數(shù)量：①LED材料內(nèi)的吸收作用；②當(dāng)光通過半導(dǎo)體進(jìn)入空氣時(shí)，由于折射率的差異所引起的反射損失；③大于臨界角θc的內(nèi)部總反射損失。由斯涅耳定律有：其中光線是從折射率為n2(如砷化鎵在λ≈0.8μm時(shí)，n2=3.66)的介質(zhì)進(jìn)人到折射為n1(如空氣n1=1)的介質(zhì)．砷化稼的臨界角約為16o；而磷化鎵(在λ≈0.8μm，n2=3.45)的臨界角約為17o。發(fā)光二極管LED的正向電流-電壓特性近似于砷化鎵p-n結(jié)．在低正向偏壓時(shí)，二極管的電流是以非輻射性的復(fù)合電流為主，它主要是由LED芯片周圍的表面復(fù)合所引起。在高正向偏壓時(shí)，二極管的電流則是以輻射性擴(kuò)散電流為主。在更高的偏壓時(shí)，二極管電流將被串聯(lián)電阻所限制。二極管的總電流可以寫成

其中Rs為器件的串聯(lián)電阻，而Id及Ir則是分別由擴(kuò)散及復(fù)合所引起的飽和電流?？梢?，為了增加LED的輸出功率，必須減小Ir及Rs。發(fā)光二極管

人們對(duì)于發(fā)展白光LED以供一般照明之用一直保持著極大興趣，因?yàn)長(zhǎng)ED的效率是白熾燈泡的3倍，而且可以維持10倍長(zhǎng)的壽命。白光LED需要紅、綠、藍(lán)三種顏色的LED。當(dāng)這些顏色LED(尤其是藍(lán)光LED)的成本能夠降至與傳統(tǒng)光源相當(dāng)時(shí)，白光LED的廣泛使用就可實(shí)現(xiàn)。

以上僅介紹由無機(jī)半導(dǎo)體材料(如GaAsP與GaN)所制造的器件。近年來，人們已著手研究某些有機(jī)半導(dǎo)體材料在電致發(fā)光上的應(yīng)用。因?yàn)橛袡C(jī)發(fā)光二極管(OLED)具有低功率消耗、優(yōu)異的輻射品質(zhì)與寬視角等特性，使它在大面積彩色平面顯示器上特別有用。發(fā)光二極管

圖(a)為兩種典型的有機(jī)半導(dǎo)體材料的分子結(jié)構(gòu)圖。一個(gè)是含有六個(gè)苯環(huán)，連接至中心鋁分子的AlQ3(羥基喹啉酸鋁)，另一個(gè)是同樣含有六個(gè)苯環(huán)，但具有不同分子排列的芳香性二胺。

基本的OLED是在透明襯底(如玻璃)上淀積數(shù)層薄膜。從襯底的位置往上依次是：透明導(dǎo)電陽極、作為空穴輸運(yùn)層的二胺、作為電子輸運(yùn)層的AlQ3以及陰極接觸，其截面圖如圖(b)所示。發(fā)光二極管

半導(dǎo)體激光和固態(tài)紅寶石激光及氦氖氣體激光相同點(diǎn)：?jiǎn)紊馐较蛐院軓?qiáng)。不同點(diǎn)：半導(dǎo)體激光較其他激光體積小(長(zhǎng)度約只有0.1mm)，在高頻時(shí)易于調(diào)制，只需要調(diào)節(jié)偏電流即可。應(yīng)用：半導(dǎo)體激光是光纖通信中最重要得光源之一。

錄像機(jī)，光學(xué)刻錄機(jī)及高速激光打印機(jī)等。直接禁帶：具有較高的輻射躍遷幾率目前的激光波長(zhǎng)涵蓋范圍可從0.3μm到超過30μm。砷化鎵是最先被發(fā)現(xiàn)可發(fā)出激光的材料，故與它相關(guān)連的Ⅲ-V族化合物合金也受到了廣泛的研究。激光半導(dǎo)體材料

半導(dǎo)體激光

最重要的三種Ⅲ-V族化合物合金系統(tǒng)是GaxIn1-xAsyP1-y、GaxIn1-xAsySb1-y和AlxGa1-xAsySb1-y。下圖所示為Ⅲ-V族二元，三元及四元化合物的禁帶寬度與晶格常數(shù)的關(guān)系。

若要做出可忽略界面陷阱的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，則必須使兩種半導(dǎo)體材料的晶格能緊密地匹配在一起。如果使用GaAs(a=0.56533nm)作為襯底，則三元化合物AlxGa1-xAs的晶格不匹配會(huì)小于0.1％．同樣的，若使用InP(a=0.58687nm)作為襯底，則四元化合物GaxIn1-xAsyP1-y也可以達(dá)到很完美的晶格匹配。半導(dǎo)體激光分布反轉(zhuǎn):為了增強(qiáng)激光工作所需的受激輻射，需要分布反轉(zhuǎn)。

考慮簡(jiǎn)并型半導(dǎo)體間形成的p-n結(jié)或異質(zhì)結(jié)。這表示在結(jié)兩端的摻雜能級(jí)甚高。p型區(qū)的費(fèi)米能級(jí)EFV比價(jià)帶的邊緣還低；n型區(qū)的費(fèi)米能級(jí)EFC則高于導(dǎo)帶的邊緣。當(dāng)外加一足夠大的偏壓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大注入的情況，亦即會(huì)有很高濃度的電子與空穴注入轉(zhuǎn)移。結(jié)果在d區(qū)域中，導(dǎo)帶有大量的電子而價(jià)帶則擁有大量的空穴，這就是分布反轉(zhuǎn)所需的條件。即：激光的工作原理

半導(dǎo)體激光載流子與光學(xué)約束:如雙異質(zhì)結(jié)激光所示，由于雙異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘而使載流子在有源區(qū)的兩端都被約束住。而同質(zhì)結(jié)激光的載流子則可離開發(fā)生輻射性復(fù)合的有源區(qū)。在雙異質(zhì)結(jié)激光中，由于有源區(qū)外面的折射率驟然減小，會(huì)造成光場(chǎng)被約束在有源區(qū)內(nèi).右圖是一個(gè)三層介質(zhì)的波導(dǎo)管，其折射率分別為n1,n2和n3，其中有源層如三明治般被夾在兩個(gè)約束層之間(a)。在n2>n1>n3的條件下，第一層和第二層界面(b)的光線角度θ12超過臨界角。而第二層和第三層界面間的θ23也有相似的情況發(fā)生。因此當(dāng)有源層的折射率大于周圍的折射率時(shí)，光學(xué)輻射就被導(dǎo)引(約束)在與各層界面平行的方向上．半導(dǎo)體激光光學(xué)腔與反饋：使激光作用的必需條件為分布反轉(zhuǎn)。只要分布反轉(zhuǎn)的條件持續(xù)存在，通過受激輻射放出的光子就有可能引發(fā)更多的受激輻射。這就是光增益的現(xiàn)象。半導(dǎo)體激光

光波沿著激光腔作單程傳導(dǎo)所獲得的增益是很小的。為了提高增益，必須使光波作多次傳播，可以用鏡面置于腔的兩端來實(shí)現(xiàn)，如圖(a)左右兩側(cè)所示的反射面。對(duì)于半導(dǎo)體激光而言，構(gòu)成器件的晶體的劈裂面可以作為此鏡面。如沿著砷化鎵器件的(110)面劈開，可以產(chǎn)生兩面平行，完全相同的鏡面。

如果兩端點(diǎn)平面間的距離恰好是半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，增強(qiáng)且相干的光會(huì)在腔中被來回地反射。因此對(duì)受激輻射而言，腔的長(zhǎng)度L必須滿足下述條件：其中，m為一整數(shù)。顯然，有許多的λ值可以滿足條件[圖(a)]，但只有那些落在自發(fā)輻射光譜內(nèi)的值會(huì)被采用[圖(b)]。而且，光波在傳播中的衰減，意味著只有最強(qiáng)的譜線會(huì)殘留，導(dǎo)致如圖(c)所示的一組發(fā)光模式。即半導(dǎo)體激光圖(a)為基本的p-n結(jié)激光，稱為同質(zhì)結(jié)激光(GaAs)。沿著垂直于＜110＞軸的方向劈成一對(duì)平行面，外加適當(dāng)?shù)钠珘簵l件時(shí)，激光就能從這些平面發(fā)射出來(圖中僅示出前半面的發(fā)射)。

二極管的另外兩側(cè)則加以粗糙化處，以消除激光從這兩側(cè)射出的機(jī)會(huì)，這種結(jié)構(gòu)稱法布里-波羅腔，其典型的腔長(zhǎng)度L約300μm，法布里-波羅腔結(jié)構(gòu)被廣泛地應(yīng)用在近代的半導(dǎo)體激光器中。基本的激光器結(jié)構(gòu)

：半導(dǎo)體激光

圖(b)是雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)(DH)激光，此結(jié)構(gòu)類似于三明治。有一層很薄的半導(dǎo)體(如GaAs)被另一種不同的半導(dǎo)體(如AlxGa1-xAs)所包夾。

圖(a)及圖(b)所示的激光結(jié)構(gòu)為大面積激光，因?yàn)檠刂Y(jié)的整個(gè)區(qū)域皆可發(fā)出激光。

圖(c)是長(zhǎng)條形的DH激光，它除了長(zhǎng)條接觸區(qū)域外，皆由氧化層予以絕緣隔離，所以激光發(fā)射的區(qū)域就約束在長(zhǎng)條狀接觸下面狹窄的范圍。典型的條狀區(qū)寬度s約5至30μm。此長(zhǎng)條形狀的優(yōu)點(diǎn)包括低工作電流、消除沿著結(jié)處的多重發(fā)射區(qū)域以及因除掉大部分結(jié)周圍區(qū)域而提高可靠度。半導(dǎo)體激光域值電流密度：激光工作中最重要的參數(shù)之一是域值電流密度Jth，亦即產(chǎn)生激光所需的最小電流密。下圖比較同質(zhì)結(jié)激光與DH激光的域值電流密度Jth與工作溫度的關(guān)系。

值得注意的是，當(dāng)溫度增加時(shí)，DH激光增加的速率遠(yuǎn)低于同質(zhì)結(jié)激光增加的速率。由于DH激光在300K具有低值，所以DH激光可以在室溫下連續(xù)工作．這樣的特性增加了半導(dǎo)體激光的應(yīng)用范圍，尤其是在光纖通信系統(tǒng)中。半導(dǎo)體激光

光探測(cè)器是一種能夠?qū)⒐獾男盘?hào)轉(zhuǎn)換為電的信號(hào)的半導(dǎo)體器件。光探測(cè)器的工作包括三個(gè)步驟：①由入射光產(chǎn)生載流子；②通過任何可行的電流增益機(jī)制，使載流子傳導(dǎo)及倍增；③電流與外部電路相互作用，以提供輸出信號(hào)。

光探測(cè)器廣泛應(yīng)用于包括光隔離器的紅外傳感器以及光纖通信的探測(cè)器。在這些應(yīng)用中，光探測(cè)器必須在所工作的波長(zhǎng)中具有高靈敏度、高響應(yīng)速度及低噪聲。另外，光探測(cè)器必須輕薄短小、使用低電壓或低電流，并具有高可靠度。光敏電阻

光敏電阻包含一個(gè)簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體平板，而在平板兩端則具有歐姆接觸，如圖。當(dāng)入射光照到光敏電阻表面時(shí)，會(huì)發(fā)生從能帶到能帶(本征)或包含禁帶能級(jí)的躍遷(非本征)，從而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，導(dǎo)致電導(dǎo)率增加。光探測(cè)器

光電二極管基本上是一個(gè)工作于反向偏壓的p-n結(jié)或金屬-半導(dǎo)體接觸。沒有光照時(shí)：反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時(shí)：反向電流迅速增大，稱為光電流。由光產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)在耗盡區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下分離，因此有電流流至外部電路。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越時(shí)間。另一方面，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，因此在響應(yīng)速度與量子效率之間必須有所取舍。光探測(cè)器（光電二極管）一、量子效率η：每個(gè)入射光子所產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)目.

決定η的重要因素之一是吸收系數(shù)α。因?yàn)棣梁筒ㄩL(zhǎng)有強(qiáng)烈的依賴關(guān)系，能產(chǎn)生可觀的光電流的波長(zhǎng)范圍是有限的。a.長(zhǎng)截止波長(zhǎng)λc是由禁帶寬度決定的，當(dāng)波長(zhǎng)大于λc時(shí)，α值太小，以致無法造成明顯的本征吸收。b.光響應(yīng)的短截止波長(zhǎng)，則是由于短波長(zhǎng)的α值很大(約105cm-1)，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)致光載流子在被p-n結(jié)收集以前就會(huì)發(fā)生復(fù)合。光探測(cè)器（光電二極管）響應(yīng)速度受到三個(gè)因素的限制：①光生載流子在耗盡層附近的擴(kuò)散時(shí)間；②光生載流子在耗盡區(qū)內(nèi)的漂移時(shí)間；③負(fù)載電阻與并聯(lián)電容（耗盡區(qū)的電容）所決定的電路時(shí)間常數(shù)。二、響應(yīng)速度a.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，結(jié)必須非常接近表面。b.如果耗盡區(qū)足夠?qū)挼脑挘^大部分的光線都會(huì)被吸收,然而耗盡區(qū)不能太寬，因?yàn)槎稍綍r(shí)間效應(yīng)會(huì)限制頻率響應(yīng)。但它也不能太薄，因?yàn)檫^大的電容C會(huì)造成大的RC時(shí)間常數(shù)(其中R是負(fù)載電阻)。c.最理想的折衷辦法是選擇一個(gè)寬度，使耗盡層渡越時(shí)間大約為調(diào)制周期的一半。例如，調(diào)制頻率為2GHz時(shí)，硅最理想的耗盡層寬度約25μm。光電二極管p-i-n光電二極管

p-i-n光電二極管是最常用的光探測(cè)器之一，其有效作用區(qū)域是存在有電場(chǎng)的i型層，光生載流子有效區(qū)域增大，擴(kuò)散影響就會(huì)減弱，結(jié)電容也大大減小，光檢測(cè)靈敏度和響應(yīng)速度得到提高。絕大部分入射光在i層被吸收并產(chǎn)生大量電子-空穴對(duì)。其耗盡區(qū)厚度(本征層)可予調(diào)制以優(yōu)化量子效率及頻率響應(yīng)。圖(a)是p-i-n光電二極管的截面圖，它具有抗反射層以增加量子效率的特性。圖(b)、(c)分別是反向偏壓條件下，p-i-n二極管的能帶圖及光吸收特性。半導(dǎo)體吸收光之后會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。在耗盡區(qū)或其擴(kuò)散長(zhǎng)度內(nèi)的電子-空穴對(duì)終會(huì)被電場(chǎng)所分開，導(dǎo)致載流子漂移出耗盡層而產(chǎn)生外部電路電流。光電二極管uh金屬接觸2SiO抗發(fā)射層i+n+pLRRV+-uh金屬接觸2SiO抗發(fā)射層i+n+pLRRV+-uhuhuhRqVCEVE電子擴(kuò)散空穴擴(kuò)散漂移空間反向偏壓下的能帶圖)(buhuhuhRqVCEVE電子擴(kuò)散空穴擴(kuò)散漂移空間反向偏壓下的能帶圖)(bxa-e~a/1PWWW+Px吸收載流子吸收特性曲線)(cxa-e~a/1PWWW+Px吸收載流子吸收特性曲線)(c光電二極管的截面圖n-i-p)(ap-n太陽能電池p-n結(jié)太陽能電池包含一個(gè)形成于表面的淺p-n結(jié)、一個(gè)條狀及指狀的正面歐姆接觸、一個(gè)涵蓋整個(gè)背部表面的背面歐姆接觸以及一層在正面的抗反射層。

當(dāng)電池暴露在太陽光譜時(shí)，能量小于禁帶寬度Eg的光子對(duì)電池輸出并無貢獻(xiàn)。能量大于禁