半導(dǎo)體器件原理 第七章

半導(dǎo)體器件原理

PrinciplesofSemiconductorDevices劉憲云逸夫理科樓229室半導(dǎo)體器件原理第七章光器件OpticalDevices半導(dǎo)體光電器件

前面討論了用于放大或者轉(zhuǎn)換電信號(hào)的晶體管的基本物理結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體同樣可以設(shè)計(jì)和生產(chǎn)出探測(cè)和產(chǎn)生光信號(hào)的器件。光電二極管：把光子能量轉(zhuǎn)換為電能，目的是探測(cè)或獲取光信息。太陽(yáng)能電池：把光子能量轉(zhuǎn)換為電能，目的是產(chǎn)生電能。發(fā)光二極管（LED）：光子發(fā)射是由于電子從導(dǎo)帶向價(jià)帶的自發(fā)躍遷，導(dǎo)致很寬的光譜輸出帶寬。激光二極管：改進(jìn)的LED，帶寬很窄且光子輸出連續(xù)把電能轉(zhuǎn)換為光能第七章：光器件7.1光學(xué)吸收7.2太陽(yáng)能電池7.3光電探測(cè)器7.4光致發(fā)光和電致發(fā)光7.5發(fā)光二極管7.6激光二極管*

光具有波粒二象性，表明光波能被看成粒子，即光子。光子的波長(zhǎng)和能量具有如下關(guān)系：能量動(dòng)量頻率波長(zhǎng)7.1光學(xué)吸收幾種可能的光電半導(dǎo)體的作用機(jī)理：光子和晶格作用，將能量轉(zhuǎn)換為焦耳熱；光子與雜質(zhì)、施主或者受主作用；與半導(dǎo)體內(nèi)部缺陷作用；最容易與價(jià)電子作用，釋放出的能量足夠?qū)㈦娮蛹ぐl(fā)到導(dǎo)帶。這樣就產(chǎn)生了電子-空穴對(duì)，形成過(guò)剩載流子濃度。7.1.1光子吸收系數(shù)當(dāng)一定波長(zhǎng)的光照射半導(dǎo)體時(shí)，若>Eg則價(jià)帶電子吸收光子躍遷到導(dǎo)帶。這種電子由帶與帶之間的躍遷所形成的吸收過(guò)程，稱為本征吸收。本征吸收發(fā)生的條件：即：光子的頻率下限當(dāng)才能發(fā)生本征吸收光子的波長(zhǎng)上限當(dāng)才能發(fā)生本征吸收7.1半導(dǎo)體的光吸收7.1.1

光子吸收系數(shù)若E=hυ>Eg，光子能和價(jià)電子作用，把電子激發(fā)到導(dǎo)帶。光流強(qiáng)度Iυ(x)推導(dǎo)(α是吸收系數(shù)）不同長(zhǎng)度的光吸收α稱為吸收系數(shù)，單位cm-1光流強(qiáng)度隨深入半導(dǎo)體材料的距離指數(shù)衰減。吸收系數(shù)大，光的吸收實(shí)際上集中在很薄的表面層內(nèi)。兩種不同吸收系數(shù)的光強(qiáng)度與距離關(guān)系半導(dǎo)體的吸收系數(shù)是光能和禁帶寬度的函數(shù)。幾種不同波長(zhǎng)的半導(dǎo)體材料的吸收系數(shù)與波長(zhǎng)的關(guān)系。若hυ>Eg，或λ<1.24/Eg，則吸收系數(shù)上升很快。若hυ<Eg，則吸收系數(shù)很小。不同半導(dǎo)體材料的吸收限：光波長(zhǎng)范圍（大氣窗口）：7.1.1

光子吸收系數(shù)SiEg=1.12eVλ0=1.1μmGeEg=0.66eVλ0=1.88μmGaAsEg=1.43eVλ0=0.867μmCdSEg=2.42eVλ0=0.513μm從紫外區(qū)到紅外區(qū)的電磁波譜圖7.1.1

光子吸收系數(shù)假設(shè)半導(dǎo)體被一光子能量hυ大于禁帶寬度的光源均勻照射。光譜與波長(zhǎng)和禁帶寬度之間的關(guān)系7.1半導(dǎo)體的光吸收硅和砷化鎵可以完全吸收可見(jiàn)光1、單位體積吸收的能量：2、電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生率：3、過(guò)剩載流子濃度：?jiǎn)挝惑w積7.1.2電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生率光能大于Eg時(shí)，光子能夠被半導(dǎo)體吸收，從而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)第七章：光器件7.1光學(xué)吸收7.2太陽(yáng)能電池7.3光電探測(cè)器7.4光致發(fā)光和電致發(fā)光7.5發(fā)光二極管7.6激光二極管*

7.2太陽(yáng)能電池

pn結(jié)太陽(yáng)能電池即使施加0偏壓，在空間電荷區(qū)也存在電場(chǎng)。入射光照射能夠在空間電荷區(qū)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，它們將被掃到結(jié)兩邊，形成相反方向的光電流IL。帶有負(fù)載的pn結(jié)太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池是一種在pn結(jié)處沒(méi)有施加電壓的半導(dǎo)體器件P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)

P-N結(jié)光生伏特效應(yīng)就是半導(dǎo)體吸收光能后在P-N結(jié)上產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)涉及到以下三個(gè)主要的物理過(guò)程：半導(dǎo)體材料吸收光能產(chǎn)生出非平衡的電子—空穴對(duì)；非平衡電子和空穴從產(chǎn)生處向非均勻勢(shì)場(chǎng)區(qū)的擴(kuò)散和漂移運(yùn)動(dòng)；非平衡電子和空穴在非均勻勢(shì)場(chǎng)作用下向相反方向運(yùn)動(dòng)而分離。這種非均勻勢(shì)場(chǎng)可以是結(jié)的空間電荷區(qū)，也可以是金屬—半導(dǎo)體的肖特基勢(shì)壘或異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘等。a無(wú)光照平衡PN結(jié)b光照PN結(jié)開路狀態(tài)c光照PN結(jié)短路狀態(tài)d光照PN結(jié)有串聯(lián)電阻光生電流的方向相當(dāng)于普通二級(jí)管反向電流方向。光照使PN結(jié)勢(shì)壘降低，等效于PN結(jié)外加正向偏壓，同樣能引起P區(qū)空穴和N區(qū)電子向?qū)Ψ降臄U(kuò)散，形成正向注入電流。此電流與光生電流相反，對(duì)電池不利，應(yīng)使之減小。PN結(jié)為例，分析光電轉(zhuǎn)換的物理過(guò)程

理想硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率：實(shí)際硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率：轉(zhuǎn)換效率影響因素：串聯(lián)電阻、表面反射改進(jìn)方法：聚光（增大短路電流）砷化鎵太陽(yáng)能電池：注意：串聯(lián)電阻與光透過(guò)率是矛盾的表面減反和納米結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)光吸收大的光學(xué)透鏡可用來(lái)將太陽(yáng)光集中到太陽(yáng)能電池上，使光照強(qiáng)度提高幾百倍。短路電流隨光照強(qiáng)度線性增加，開路電壓僅隨光強(qiáng)呈對(duì)數(shù)增大。串聯(lián)電阻與復(fù)合電流—影響電池效率的因素串聯(lián)電阻與結(jié)的深度，摻雜濃度，歐姆接觸等有關(guān)。具有串聯(lián)電阻的太陽(yáng)電池的電流電壓特性與等效電路提高太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率的因素：最大功率考慮：選用合適Eg的半導(dǎo)體材料；光譜考慮；串聯(lián)電阻與分流電阻的考慮：采用柵格接觸形式，這種結(jié)構(gòu)能夠有大的曝光面積，而同時(shí)又使串聯(lián)電阻保持合理的數(shù)值；表面反射考慮：采用抗反射層；聚光考慮：聚光是用聚光器面積代替許多太陽(yáng)能電池的面積，從而降低太陽(yáng)能電池造價(jià)，它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是增加效率。異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池優(yōu)點(diǎn)：雙能隙，光譜范圍寬，轉(zhuǎn)換效率高異質(zhì)結(jié)由兩種不同禁帶寬度的半導(dǎo)體形成熱平衡時(shí)pn異質(zhì)結(jié)能帶圖7.2.4

非晶硅太陽(yáng)能電池材料：非晶態(tài)薄膜，大面積化學(xué)氣相沉積。氫化：減少懸掛鍵，提高載流子遷移率。遷移率隙寬帶隙狀態(tài)導(dǎo)帶價(jià)帶狀態(tài)密度N(E)氫化非晶硅單晶硅太陽(yáng)能電池很昂貴，且直徑限制在6英才左右。一般太陽(yáng)能電池供電系統(tǒng)需要一個(gè)大面積的電池組。非晶硅狀態(tài)密度與能量關(guān)系銦錫氧化層玻璃非晶硅具有很高的光學(xué)吸收系數(shù)，大多數(shù)太陽(yáng)光能在表面1微米處被吸收。因此，太陽(yáng)能電池只需要非常薄的一層非晶硅。典型非晶硅太陽(yáng)電池是一個(gè)pin器件。非晶硅被沉積到一個(gè)光學(xué)透明的銦錫氧化層玻璃襯底上熱平衡時(shí)的能帶圖在光照射下，非晶硅PIN太陽(yáng)能電池的能帶圖在本征區(qū)產(chǎn)生的過(guò)剩載流子在電場(chǎng)作用下形成光電流第七章：光器件7.1光學(xué)吸收7.2太陽(yáng)能電池7.3光電探測(cè)器7.4光致發(fā)光和電致發(fā)光7.5發(fā)光二極管7.6激光二極管*

光電探測(cè)器可以探測(cè)光子的存在；把光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件；當(dāng)過(guò)剩電子和空穴在半導(dǎo)體中產(chǎn)生時(shí)，材料的導(dǎo)電率就會(huì)增加；導(dǎo)電率的變化是光電探測(cè)器的基礎(chǔ)。7.3

光電探測(cè)器平衡電導(dǎo)率：面積A非平衡電導(dǎo)率（半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生

過(guò)剩載流子）：光電導(dǎo)率（電導(dǎo)率的變化量）：

光電電流：7.3.1光電導(dǎo)體兩端具有歐姆接觸的半導(dǎo)體材料產(chǎn)生光電電流：電子漂移時(shí)間光電導(dǎo)增益：電荷收集速率與電荷產(chǎn)生速率的比值收集收集7.3.1光電導(dǎo)體

工作于反向偏置下的pn結(jié)或金屬-半導(dǎo)體接觸光信號(hào)打在光電二極管上時(shí)，耗盡區(qū)會(huì)將由光產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)分離，有電流輸出到外電路。距離耗盡層邊界不超過(guò)一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度的準(zhǔn)中性區(qū)中，產(chǎn)生的少子可以在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散到耗盡區(qū)。然后被結(jié)電場(chǎng)掃到結(jié)的另一邊。7.3.2光電二極管光電二極管工作原理：光照反偏PN結(jié)，產(chǎn)生的光生載流子被空間電荷區(qū)電場(chǎng)漂移形成反向電流。光電二極管把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成了電信號(hào)。反向的光電流的大小與入射光的強(qiáng)度和波長(zhǎng)有關(guān)。光電二極管用于探測(cè)光信號(hào)。光電二極管的I-V特性說(shuō)明：光電流的方向是反偏方向，它比pn結(jié)二極管的反向飽和電流大幾個(gè)數(shù)量級(jí)pn結(jié)光電二極管光譜響應(yīng)特性和頻率響應(yīng)特性頻率響應(yīng)在幾十MHz的范圍內(nèi)，因?yàn)閿U(kuò)散是相對(duì)較慢的過(guò)程。7.3.3p-i-n光電二極管光電探測(cè)器中，探測(cè)器對(duì)隨時(shí)間變化的光信號(hào)的響應(yīng)速度很重要，在空間耗盡層中產(chǎn)生的瞬時(shí)光電流才是感興趣的光電流，為增加光電探測(cè)器的靈敏度，耗盡區(qū)的寬度應(yīng)該做的比較寬。p-i-n光電二極管就是為滿足這個(gè)要求而設(shè)計(jì)的。PIN光電二極管是最常用的光電二極管，其耗盡區(qū)寬度可調(diào)制，優(yōu)化量子效率和頻率響應(yīng)。p-i-n光電二極管的截面圖p-i-n光電二極管反偏狀態(tài)下的能帶圖和光子產(chǎn)生過(guò)程本征區(qū)（1）頂部的p+區(qū)很薄，使光吸收最?。?）i區(qū)摻雜很小，寬度經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，以獲得所需要的特征響應(yīng)。如寬度等于待測(cè)波長(zhǎng)的吸收系數(shù)的倒數(shù)，就能在這一波長(zhǎng)下獲得最大響應(yīng)（3）p+,n+區(qū)的耗盡層寬度基本可忽略，i層是全耗盡的。大部分的光生載流子是由中間耗盡區(qū)產(chǎn)生的載流子組成。（4）i區(qū)摻雜很低，電場(chǎng)可近似看作參數(shù)，電勢(shì)和電勢(shì)能是位置的線性函數(shù)。（5）頻率響應(yīng)特性：耗盡層寬度Wi,飽和漂移速度vsat=107m/s,

光生載流子渡越耗盡區(qū)的時(shí)間t=Wi/vsat

響應(yīng)頻率f=1/t=vsat/Wi

（a）

反偏PIN光電二極管（b）

非均勻光子吸收的幾何形狀

p-i-n光電二極管比普通pn結(jié)光電二極管的瞬時(shí)光電流大很多，并具有優(yōu)良的頻率響應(yīng)特性,在光纖通訊領(lǐng)域中采用最多。半導(dǎo)體材料的響應(yīng)截止波長(zhǎng)G=1.24/EG，不同的材料可做不同波段的光電二極管。Si的禁帶寬度1.12eV,響應(yīng)截止波長(zhǎng)1.1m；Ⅲ-Ⅴ族化合物常用來(lái)做光電二極管。

Ⅲ-Ⅴ族化合物的能帶寬度和晶格常數(shù)關(guān)系圖InGaAsp-i-n光電二極管截面圖1.3或1.5m的光電二極管InP(G=0.95m)窗口，1.3或1.5m的光很容易通過(guò)窗口透射到i層，緩沖層是使晶格匹配，減少i層中的缺陷。7.3.4雪崩光電二極管與pn結(jié)或pin光電二極管相似，只是它所加的反偏電壓必須大到能引起碰撞電離。在耗盡區(qū)光生電子-空穴現(xiàn)在可以通過(guò)碰撞電離產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，雪崩光電二極管的電流增益與雪崩倍增因子有關(guān)。顯著的優(yōu)點(diǎn):在光信號(hào)的放大中使信噪比得到了改善。電場(chǎng)特點(diǎn)：反偏電壓足夠高，電子空穴可以產(chǎn)生雪崩倍增；電流增益大，響應(yīng)頻率快。7.3.4雪崩光電二極管7.3.5光電晶體管雙極晶體管也可以用作光電探測(cè)器。特點(diǎn)：光電流得到放大；響應(yīng)頻率降低（B-C結(jié)電容的彌勒效應(yīng)）；非雪崩放大，噪聲低。雙極光電晶體管基極開路光電晶體管結(jié)構(gòu)圖

電荷耦合器件

MOS型半導(dǎo)體器件，核心是MOS電容，密排MOS二極管有序陣列，加上輸入與輸出部分就構(gòu)成了CCD的基本結(jié)構(gòu)。電荷耦合器件可用做圖像傳感器,也可用做移位寄存器.柵極上施加適當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘脈沖電壓，半導(dǎo)體表面耗盡，形成能存儲(chǔ)少子的勢(shì)阱，用光或電方法把代表信號(hào)的少子注入勢(shì)阱中，再通過(guò)時(shí)鐘脈沖的有規(guī)律變化，使勢(shì)阱深度發(fā)生相應(yīng)的變化，從而使注入勢(shì)阱中的少子在半導(dǎo)體表面內(nèi)定向運(yùn)動(dòng)，通過(guò)對(duì)少子的收集得到信號(hào)的輸出。CCD存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移電荷都是在非穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行。CCD溝道內(nèi)的載流子僅由信號(hào)大小決定，與時(shí)鐘脈沖無(wú)關(guān)，時(shí)鐘脈沖只起存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移電荷作用。通常有表面溝道CCD（SCCD)和隱埋溝道CCD(BCCD)。表面溝道CCD：溝道在緊靠絕緣層的半導(dǎo)體表面表面溝道CCD中，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘電壓脈沖作用下，少數(shù)載流子電荷包沿半導(dǎo)體表面運(yùn)動(dòng)。埋溝CCD對(duì)于SCCD，由于電荷包沿邊導(dǎo)體表面?zhèn)鬏敚饕南拗剖潜砻嫦葳逍?yīng)導(dǎo)致的電荷損失。埋溝CCD：電荷包不在半導(dǎo)體表面流過(guò)，而是被約束在緊貼半導(dǎo)體表面的溝道內(nèi)，具有消除界面陷阱效應(yīng)的潛力。與襯底相反類型的窄N型半導(dǎo)體層，在柵極加正電壓時(shí)，窄n型層全部耗盡，成為溝道。遷移率高，界面陷阱導(dǎo)致的電荷損失少。第七章：光器件7.1光學(xué)吸收7.2太陽(yáng)能電池7.3光電探測(cè)器7.4光致發(fā)光和電致發(fā)光7.5發(fā)光二極管7.6激光二極管*

光子吸收產(chǎn)生電子-空穴對(duì)時(shí)，復(fù)合過(guò)程產(chǎn)生的光子發(fā)射稱為光致發(fā)光；電致發(fā)光是由于電流激發(fā)過(guò)剩載流子，從而發(fā)射光子的過(guò)程。電子和空穴的產(chǎn)生與復(fù)合7.4光致發(fā)光和電致發(fā)光7.4.1基本躍遷產(chǎn)生電子-空穴對(duì)有很多可能的復(fù)合過(guò)程。（a）直接復(fù)合（b）R-G中心復(fù)合（d）直接產(chǎn)生（e）R-G中心產(chǎn)生在復(fù)合過(guò)程中電子多余的能量可以以發(fā)射光子的形式釋放出來(lái)，這種復(fù)合稱為輻射復(fù)合，它是光吸收的逆過(guò)程。在復(fù)合過(guò)程中電子的多余能量也可以以其它形式釋放出來(lái)，而不發(fā)射光子，這種復(fù)合稱為非輻射復(fù)合。光電器件利用的是輻射復(fù)合過(guò)程，非輻射復(fù)合過(guò)程則是不利的。了解半導(dǎo)體中輻射復(fù)合過(guò)程和非輻射復(fù)合過(guò)程是了解光電器件的工作機(jī)制和進(jìn)行器件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合輻射復(fù)合帶間輻射復(fù)合

帶間輻射復(fù)合是導(dǎo)帶中的電子直接躍遷到價(jià)帶與價(jià)帶中的空穴復(fù)合。發(fā)射的光子的能量接近等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。由于半導(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)的不同，帶間輻射復(fù)合又可以分為直接輻射復(fù)合和間接輻射復(fù)合兩種:導(dǎo)帶價(jià)帶導(dǎo)帶價(jià)帶帶間復(fù)合：（a）直接能隙復(fù)合（b）間接能隙復(fù)合非輻射復(fù)合

多聲子過(guò)程多聲子躍遷

0125102050100200300400500600光子能量（meV）(b)間接復(fù)合導(dǎo)帶電子躍遷到未電離的受主能級(jí);施主能級(jí)上的電子躍遷到價(jià)帶；施主能級(jí)上的電子躍遷到受主能級(jí)；深能級(jí)中的復(fù)合(a)直接復(fù)合禁帶寬度非常小的材料本征發(fā)射;(iii)具有能量的電子和空穴。(c)俄歇復(fù)合-非輻射復(fù)合電子-空穴復(fù)合時(shí)伴隨著將能量傳給其他自由空穴;電子-空穴復(fù)合時(shí)伴隨著將能量傳給其他自由電子。III-V化合物半導(dǎo)體是制作發(fā)光器件的主要材料。可以通過(guò)控制三元和四元化合物中不同組分的比例來(lái)調(diào)節(jié)禁帶寬度和晶格常數(shù)。可見(jiàn)光：波長(zhǎng)0.4-0.72m,帶隙1.7-3.1eV.GaAs是直接帶隙半導(dǎo)體，AlAs是間接帶隙半導(dǎo)體，AlxGa1-xAs的禁帶寬度隨x的變化而變化。Eg=1.424+1.247x從直接帶隙變間接帶隙7.4.2發(fā)光效率輻射復(fù)合只是所有復(fù)合中的一部分：量子效率是輻射復(fù)合率與總復(fù)合率的比值：輻射復(fù)合對(duì)應(yīng)直接帶隙復(fù)合，Rr是帶與帶間的輻射符合率，B是比例常數(shù)：第七章：光器件7.1光學(xué)吸收7.2太陽(yáng)能電池7.3光電探測(cè)器7.4光致發(fā)光和電致發(fā)光7.5發(fā)光二極管7.6激光二極管*

LED的基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程7.5發(fā)光二極管光電探測(cè)器和太陽(yáng)能電池都可以把光能轉(zhuǎn)換成電能，即光子產(chǎn)生過(guò)剩電子和空穴，從而形成電流。也可以給pn結(jié)加電壓形成電流，依次產(chǎn)生光子和光輸出，這種反轉(zhuǎn)機(jī)制稱為注入電致發(fā)光。5.5.1光的產(chǎn)生（1）正偏二極管（2）二極管發(fā)光P區(qū)N區(qū)|||||||+Va-EcEvEFiEFpEFn發(fā)光波長(zhǎng)：發(fā)光光強(qiáng)：

pn結(jié)二極管正向偏置，導(dǎo)致n區(qū)電子注入p區(qū)一側(cè)的準(zhǔn)中性區(qū)，p區(qū)的空穴注入n區(qū)一側(cè)的準(zhǔn)中性區(qū)，隨后這些注入的過(guò)剩少子在準(zhǔn)中性區(qū)擴(kuò)散并與多數(shù)載流子復(fù)合，如果這個(gè)復(fù)合是直接的帶與帶間的復(fù)合，就有光子發(fā)射。二極管的擴(kuò)散電流是正比于復(fù)合率的，因此發(fā)射光子的強(qiáng)度也將正比于理想二極管的擴(kuò)散電流。

LED的基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程

LED的基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程

LED的基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程

器件結(jié)構(gòu)Pn結(jié)正向偏置，電子從n側(cè)注入，與從p側(cè)注入的空穴復(fù)合。雙異質(zhì)結(jié)中更高的載流子濃度和載流子限定，輻射效率顯著提高。LED的特性參數(shù)V-I特性發(fā)光二極管的電流—電壓特性和普通二極管大體一致。發(fā)光二極管的開啟電壓很低,GaAs是1.0伏,GaP（紅光）大約1.8伏，GaP（綠光）大約2.0伏。工作電流約為10mA。工作電壓和工作電流低，使得可以把它們做的很小，以至于看作點(diǎn)光源，這使得LED極適宜用于光顯示。量子效率量子效率是發(fā)光二極管特性中一個(gè)與輻射量有關(guān)的重要參數(shù)。它反映了注入載流子復(fù)合產(chǎn)生光量子的概率。外量子效率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)實(shí)際輸出二極管外的光子數(shù)目與注入的載流子數(shù)目之比。內(nèi)量子效率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)半導(dǎo)體的輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子數(shù)與注入的載流子數(shù)目之比。量子效率1.注射效率：注射效率就是可以產(chǎn)生輻射復(fù)合的二極管電流在二極管的總電流中所占的百分比。量子效率提高注射效率的途徑是：(a)P區(qū)受主濃度要小于N區(qū)施主濃度，即pn+結(jié)。(b)減小耗盡層中的復(fù)合電流。這就要求LED所用的材料和制造工藝盡可能保證晶體完整，盡量避免有害雜質(zhì)的摻入。(c)選用電子遷移率比空穴遷移率大的材料。由于III-V族化合物半導(dǎo)體的電子遷移率比空穴遷移率大很多，例如GaAs，所以它們是制造LED的首選材料。量子效率

2.輻射效率發(fā)生輻射復(fù)合的電子數(shù)與總的注入電子數(shù)比：

量子效率三種可能的復(fù)合過(guò)程三種可能的復(fù)合過(guò)程淺施主能級(jí)淺受主能級(jí)深復(fù)合中心量子效率提高

輻射效率的方法：減少?gòu)?fù)合中心密度增加P區(qū)的摻雜濃度，較高的NA還有降低串聯(lián)電阻從而減小正向電壓降和歐姆損耗的作用。然而，高的摻雜濃度使得晶體缺陷增加，導(dǎo)致非輻射復(fù)合中心Nt

的增加。同時(shí)，P側(cè)的高摻雜會(huì)使注射效率下降。實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于GaPLED,外部測(cè)得的峰值效率發(fā)生在NA=2.51017cm-3處。根據(jù)以上分析，內(nèi)量子效率可以寫作

3.逸出幾率逸出幾率0

也叫做出光效率，被定義為PN結(jié)輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子射到晶體外部的百分?jǐn)?shù)。外量子效率可以寫作：

影響逸出幾率的主要因素：再吸收，界面反射和臨界角損耗。LED的pn結(jié)處的光子發(fā)射圖光子可以向任何方向發(fā)射，且發(fā)射光子能量h>Eg,因此這些光子可以被半導(dǎo)體材料再吸收光子從半導(dǎo)體界面發(fā)射到空氣中，在界面發(fā)生反射反射系數(shù)例：GaAs：n2=3.66,空氣：n1=1=0.33GaAs輻射復(fù)合發(fā)出的光子有33%在界面被反射回GaAs半導(dǎo)體里面。光從光密媒質(zhì)射向光疏媒質(zhì)，入射角大于臨界角時(shí)，發(fā)生全反射第七章：光器件7.1光學(xué)吸收7.2太陽(yáng)能電池7.3光電探測(cè)器7.4光致發(fā)光和電致發(fā)光7.5發(fā)光二極管7.6激光二極管*

7.6激光二極管LED的光子輸出歸因于電子從導(dǎo)帶到價(jià)帶的躍遷放出了能量。光子發(fā)射是自發(fā)的，帶與帶之間的躍遷是獨(dú)立的。LED發(fā)射譜的帶譜較寬。激光是受激輻射，產(chǎn)生一致的光譜輸出，其譜寬小于0.1nm。這種新型的器件就是激光二極管，激光代表“輻射的受激發(fā)射引起的光放大”。半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。光受激輻射、發(fā)出激光必須具備三個(gè)要素：1、激活介質(zhì)經(jīng)受激后能實(shí)現(xiàn)能級(jí)之間的躍遷；2、能使激活介質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的泵浦裝置；3、放置激活介質(zhì)的諧振腔，提供光反饋并進(jìn)行放大，發(fā)出激光。Figure7.317.6.1受激輻射和分布反轉(zhuǎn)入射光子被吸收時(shí)，一個(gè)電子就從能量為E1的狀態(tài)激發(fā)到E2；感應(yīng)吸收自發(fā)輻射受激輻射若電子自發(fā)地回到低能級(jí)，并且伴隨著放出光子。當(dāng)一個(gè)電子在高能級(jí)狀態(tài)時(shí)，入射光子和電子相互作用，使得電子回到低能級(jí)。向低能級(jí)躍遷會(huì)產(chǎn)生光子。光探測(cè)器和太陽(yáng)電池發(fā)光二極管激光二極管電子在低能級(jí)E1的基態(tài)和高能級(jí)E2的激發(fā)態(tài)之間的躍遷方式自發(fā)輻射中各電子的躍遷是隨機(jī)的，所產(chǎn)生的光子雖然能量相同，但位相和傳播方向各不相同。受激輻射所發(fā)射的光子的全部特征（能量、頻率、位相、方向和偏振狀態(tài)）同入射光子相同。受激吸收hυ終態(tài)E2E1初態(tài)E2E1

產(chǎn)生激光的必要條件一：受激輻射占主導(dǎo)地位hυ初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1受激輻射當(dāng)注入一定能量的光子時(shí)，能級(jí)E1和E2間光的吸收和受激輻射同時(shí)存在，且兩者的躍遷概率相等。究竟哪一種占主導(dǎo)地位，取決于能級(jí)E1和E2上的原子分布，如果E2能態(tài)的原子數(shù)多，受激輻射將大于吸收過(guò)程，這種現(xiàn)象稱為光量子放大。把處在激發(fā)態(tài)的原子數(shù)大于處于基態(tài)原子數(shù)的的反常情況叫分布反轉(zhuǎn)。