《半導(dǎo)體物理與器件》課件-第8章

第8章半導(dǎo)體中的光器件8.1半導(dǎo)體中的光過程8.2光電探測器8.3發(fā)光二極管8.4激光二極管8.5固體圖像傳感器習(xí)題

半導(dǎo)體是光電子器件研究和應(yīng)用的主要固體材料。當(dāng)半導(dǎo)體受到輻射光照射后，會產(chǎn)生光電效應(yīng)，如電導(dǎo)率改變、發(fā)射電子、產(chǎn)生感生電動勢等，這些是光電子器件工作的物理基礎(chǔ)。在本章中，將主要討論半導(dǎo)體中的光過程、光電探測器、發(fā)光二極管、激光二極管和圖像傳感器的基本原理。光電探測器可以將光能轉(zhuǎn)換成電能，發(fā)光二極管和激光二極管可將電能轉(zhuǎn)換成光能。

8.1半導(dǎo)體中的光過程

8.1.1光吸收半導(dǎo)體中的電子可以從低能級躍遷到高能級，當(dāng)電子發(fā)生躍遷時，它一定要從外界獲得能量，這個能量可以從光的輻照中得到，也可以從晶格的振動中獲得。根據(jù)不同的吸收機(jī)制可以分為本征吸收、激子吸收、自由載流子吸收、雜質(zhì)吸收和晶格吸收等。

1.本征吸收

當(dāng)入射光能量大于半導(dǎo)體材料禁帶寬度時，價帶中的電子便會被入射光子激發(fā)，越過禁帶躍遷至導(dǎo)帶而在價帶中留下空穴，形成電子空穴對。這種由于電子在價帶和導(dǎo)帶的躍遷所形成的吸收過程稱為本征吸收。大量實驗證明這種價帶電子躍遷的本征吸收是半導(dǎo)體中最重要的吸收，也是光電探測器工作的理論基礎(chǔ)。

理想半導(dǎo)體材料在絕對零度時，價帶是完全被電子占滿的，因此價帶中的電子不可能被激發(fā)到更高的能級。唯一可能的是吸收足夠能量的光子使電子激發(fā)，越過禁帶躍遷進(jìn)入空的導(dǎo)帶，這取決于光子能量和半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg。

愛因斯坦和普朗克理論認(rèn)為光不僅具有波動性也具有粒子性，即波粒二象性。一束光就是一系列光子流。光子的能量和頻率關(guān)系為E=hν。當(dāng)光子能量E<Eg

，光子將不能被半導(dǎo)體材料吸收。當(dāng)光子能量E≥Eg

時，價電子吸收光子后激發(fā)到導(dǎo)帶，從而形成電子空穴對，額外的能量作為電子或空穴的動能，在半導(dǎo)體材料中將以焦耳熱的形式散失掉。

因此，本征半導(dǎo)體材料的截止波長為

式(8.1)決定了特定禁帶寬度的半導(dǎo)體材料所能吸收的光譜極限，即只有波長小于λ0的入射光才能產(chǎn)生本征吸收，進(jìn)而改變本征半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電特性，如圖8.1所示。圖8.1半導(dǎo)體中因吸收光子而產(chǎn)生的電子空穴對

把普朗克常數(shù)h=4.13×10-15eV·s及光速c=3×1014

μ

m·s-1

代入式(8.1)，可以得到

例如，硅的禁帶寬度是1.12eV，則由式(8.2)計算得到半導(dǎo)體硅的光譜吸收極限為1.11μm，只有波長小于該極限的光才能被硅材料所吸收。

式(8.2)表明：禁帶寬度Eg越窄，則截止波長越長，也就是說，禁帶寬度Eg越窄，激發(fā)出電子所需的光子能量越少。

根據(jù)半導(dǎo)體能帶理論，光子的本征吸收除了需要滿足能量守恒外，還需要滿足動量守恒。如果價帶電子態(tài)矢和導(dǎo)帶電子態(tài)矢位于同一位置，電子吸收光子后直接由價帶躍遷到導(dǎo)帶，稱為直接躍遷；另一種情況是間接躍遷，即價帶中的電子吸收光子獲得能量，不是直接進(jìn)入導(dǎo)帶，而是需要與聲子交換能量和動量后再進(jìn)入導(dǎo)帶。

2.激子吸收

在本征吸收中，所吸收的光子使?jié)M帶中的電子激發(fā)，完全擺脫滿帶中空穴的庫侖力對它的束縛，成為自由電子。但實驗發(fā)現(xiàn)，在有些半導(dǎo)體材料中，價帶中的電子吸收小于禁帶寬度的光子能量時也能離開價帶，但因能量不夠大，還不能躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子。這時，電子實際還與空穴保持著庫侖力的相互作用，形成一個電中性系統(tǒng)，稱為激子。這種能產(chǎn)生激子的光吸收稱為激子吸收。激子吸收的光譜多密集于本征吸收波長閾值的紅外一側(cè)。激子運動亦可以用準(zhǔn)動量來描述，同時，吸收光子形成激子的過程必須遵循準(zhǔn)動量守恒，因此，形成的激子的運動狀態(tài)是完全確定的。

3.自由載流子吸收

自由載流子是指導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴。對于一般半導(dǎo)體材料，當(dāng)入射光子的頻率不夠高時，不足以引起電子產(chǎn)生能帶間的躍遷或形成激子時，仍然存在著吸收，這是由自由載流子在同一能帶內(nèi)能級間的躍遷所引起的，稱為自由載流子吸收。自由載流子吸收的過程聯(lián)系著同一個能帶內(nèi)電子狀態(tài)之間的躍遷，這種吸收只能發(fā)生在能帶部分填滿的情況下，是由導(dǎo)帶內(nèi)電子和價帶內(nèi)空穴在帶內(nèi)躍遷所引起的。自由載流子吸收不會改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。目前，自由載流子的吸收已經(jīng)被有效地利用于檢驗非平衡載流子的存在及其具體分布情況。

4.雜質(zhì)吸收

N型半導(dǎo)體中未電離的施主原子吸收光子能量hν

，如果光子能量

hν大于等于施主電離能ΔED

，雜質(zhì)原子的外層電子將從施主能級躍入導(dǎo)帶，成為自由電子，如圖8.2所示。

同樣，

P型半導(dǎo)體中價帶上的電子吸收光子，如果光子能量大于受主電離能ΔEA

，價電子躍入受主能級，價帶上留下空穴，相當(dāng)于受主能級上的空穴吸收光子能量躍入價帶。圖8.2N型半導(dǎo)體中雜質(zhì)吸收示意圖

這兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體吸收足夠能量的光子，產(chǎn)生電離的過程稱為雜質(zhì)吸收。由于禁帶寬度大于施主電離能ΔED和受主電離能ΔEA

，因此，雜質(zhì)吸收的波長閾值多在紅外區(qū)或遠(yuǎn)紅外區(qū)。雜質(zhì)吸收會改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性，也會引起光電效應(yīng)。

5.晶格吸收

晶格原子對遠(yuǎn)紅外譜區(qū)的光子具有顯著的吸收作用，在晶格吸收過程中，光子直接轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裨拥恼駝樱诤暧^上表現(xiàn)為物體溫度升高，引起物質(zhì)的熱敏效應(yīng)。

以上五種吸收中，只有本征吸收和雜質(zhì)吸收能夠直接產(chǎn)生非平衡載流子，引起光電效應(yīng)。其他吸收都不同程度地把輻射轉(zhuǎn)換成熱能，使器件溫度升高，使熱激發(fā)載流子運動速度加快，而不會改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。

8.1.2光發(fā)射

光發(fā)射是光吸收的逆過程。開始位于較高能態(tài)E2

的電子可以躍遷到較低能態(tài)E1

，并釋放出多余的能量。釋放出的多余能量可以是光，可以是熱，或者是兩者都有。光躍遷要遵循能量守恒定律和波矢的守恒。光躍遷是研究半導(dǎo)體光源工作原理的理論基礎(chǔ)，利用兩能級系統(tǒng)的能級躍遷概念，可以解釋由大量原子組成的系統(tǒng)同時存在著光的自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收輻射三個基本過程，自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收輻射過程所發(fā)生的能級躍遷和產(chǎn)生光子的原理如圖8.3所示，其中入射光子頻率為ν，且hν=E2-E1

，兩能級滿足輻射躍遷的選擇定則，兩能級上的原子數(shù)密度分別是n2和n1

。圖8.3在兩個能級之間發(fā)生的三個光躍遷基本過程示意圖

1.自發(fā)輻射

處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，電子在激發(fā)態(tài)能級E2

上只能停留很短的時間，即使沒有任何外界光場，也會自發(fā)地躍遷到較低能級

E1

中，同時輻射出一個光子，其能量hν=E2

-E1

。這種光發(fā)射稱為自發(fā)輻射，且自發(fā)輻射躍遷的平均幾率，即自發(fā)輻射愛因斯坦系數(shù)A21

為

自發(fā)輻射是不受外界輻射場影響的自發(fā)過程，各個原子在自發(fā)躍遷過程中是彼此無關(guān)的，不同原子產(chǎn)生的自發(fā)輻射光在頻率、相位、偏振方向及傳播方向都有一定的隨機(jī)性。因此，自發(fā)輻射光是非相干的熒光，自發(fā)輻射光場的能量分布在一個很寬的頻率范圍內(nèi)。普通光源的發(fā)光過程就是處于高能級的大量原子的自發(fā)輻射過程。

2.受激輻射

處于高能級E2

上的原子還可能在能量為hν=E2-E1

的外來光子的激勵下受激地躍遷到低能級E1，并發(fā)出與外來激勵光子完全相同的另一個光子。新發(fā)出的光子不僅頻率與激勵光子一樣，而且發(fā)射方向、偏振態(tài)、位相和速率也都一樣，或者說受激輻射光場是相干的。于是，一個光子變成兩個光子，同態(tài)光子數(shù)就可以像雪崩一樣得到放大和加強(qiáng)，從而大大提高入射光場的光子簡并度。

受激輻射的躍遷幾率W21與激勵外光場的單色能量密度ρν

的關(guān)系為

式中：表示單位體積介質(zhì)中受激輻射躍遷的速率；

B21

稱為受激輻射躍遷愛因斯坦系數(shù)。

3.受激吸收輻射

受激吸收是受激輻射的逆過程，即處于低能級E1上的原子，在能量為hν=E2-E1的外來光子的激勵下受激地躍遷到高能級E2。受激吸收的躍遷幾率W12與激勵外光場的單色能量密度ρν

的關(guān)系為

式中，

B12

為受激吸收躍遷愛因斯坦系數(shù)。受激吸收躍遷將入射光場的能量轉(zhuǎn)換為物質(zhì)原子的內(nèi)能，入射光場被減弱，光子數(shù)減少。

三個愛因斯坦系數(shù)之間的關(guān)系為

光的受激吸收和受激輻射這兩個過程實際上是同時存在的，但是它們發(fā)生的概率卻不同。因為在熱平衡狀態(tài)下，物質(zhì)中處于低能級的原子數(shù)總是比處于高能級的原子數(shù)多，因此光的受激吸收過程占優(yōu)勢，通常觀察到的是原子系統(tǒng)的光吸收現(xiàn)象，而不是光的受激輻射現(xiàn)象。為了實現(xiàn)光放大，就必須向物質(zhì)提供能量，使物質(zhì)處于非熱平衡狀態(tài)并滿足受激輻射躍遷速率大于受激吸收躍遷速率，即原子布局?jǐn)?shù)密度必須實現(xiàn)反轉(zhuǎn)分布。介質(zhì)內(nèi)實現(xiàn)這種反轉(zhuǎn)分布的過程稱為激勵過程或泵浦抽運過程。

8.2光電探測器

在當(dāng)前的信息化社會中，光電技術(shù)成為獲取光信息及借助光信息提取其他信息的重要手段，已經(jīng)在國防和科學(xué)技術(shù)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活等方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。而光電檢測技術(shù)作為一種非接觸測量技術(shù)，是光電技術(shù)的核心和重要組成部分。

光電檢測技術(shù)以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電器件為基礎(chǔ)，通過對載有被探測物體信號的光輻射(發(fā)射、反射、散射、衍射、折射、投射等)進(jìn)行探測，并轉(zhuǎn)換成電信號，由輸入電路、放大濾波等探測電路提取有用的信息，再經(jīng)過A/D變換接口輸入計算機(jī)進(jìn)行運算和處理，從而識別被測目標(biāo)的種類、形狀、大小及目標(biāo)在空間的位置、運動速度，或者獲得被測目標(biāo)的圖像信息等。因此，光電探測器是實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件，它的性能好壞對整個光輻射探測的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。

8.2.1光電探測概述

1.光電探測器的分類

由于光與物質(zhì)相互作用可以產(chǎn)生不同的物理效應(yīng)，光電探測器件可以分為光子型探測器件和熱電型探測器件兩大類。光子型探測器是指入射到光探測器上的光輻射能，它以光子的形式與光子型探測器材料內(nèi)的束縛電子相互作用，從而逸出表面或釋放出自由電子和自由空穴來參與導(dǎo)電的器件。熱電型探測器是根據(jù)探測元件吸收入射輻射而產(chǎn)生熱，造成溫度升高，并借助各種物理效應(yīng)把溫度的變化轉(zhuǎn)換成電量的原理而制成的器件。

1)光電子發(fā)射探測器

當(dāng)光照射金屬、金屬氧化物或半導(dǎo)體材料的表面時，會被這些材料內(nèi)的電子所吸收，如果光子的能量足夠大，吸收光子后的電子可以掙脫原子的束縛而逸出材料的表面，這種現(xiàn)象稱為光電子發(fā)射，又稱為外光電效應(yīng)，如圖8.4所示。光電管與光電倍增管是典型的光電子發(fā)射型探測器件。其主要特點是靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快和噪聲小，是一種電流放大器件。圖8.4外光電效應(yīng)示意圖

2)光電導(dǎo)探測器

有些半導(dǎo)體材料受到光照射后，會使材料體內(nèi)的電子和空穴從原來不導(dǎo)電的束縛狀態(tài)轉(zhuǎn)變成能導(dǎo)電的自由狀態(tài)，從而引起半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性增加，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)，又稱為內(nèi)光電效應(yīng)，如圖8.5所示。利用具有光電導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料做成的光電探測器通常稱為光電導(dǎo)探測器或光敏電阻。光電導(dǎo)探測器在各個領(lǐng)域都有應(yīng)用，在可見光或近紅外波段主要用于射線測量和探測、工業(yè)自動控制和光度計量等；在紅外波段主要用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外熱成像和紅外遙感等方面。圖8.5內(nèi)光電效應(yīng)示意圖

3)光伏探測器

當(dāng)光照射到含PN結(jié)的半導(dǎo)體材料上時，只要光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，就可能激發(fā)出電子空穴對，在P區(qū)產(chǎn)生的電子就會擴(kuò)散到結(jié)區(qū)邊界，并在電場作用下加速運動，穿過勢壘到達(dá)N區(qū)，產(chǎn)生累積。同樣，

N區(qū)產(chǎn)生的空穴也會以同樣的方式移動到P區(qū)。最終，在P區(qū)就積累了較多的正電荷，在N區(qū)積累了較多的負(fù)電荷，使得結(jié)區(qū)勢壘降低，相當(dāng)于在PN結(jié)上附加了一個正向電壓，這種由于光照在PN結(jié)兩端出現(xiàn)的電動勢稱為光生電動勢，這種效應(yīng)稱為光生伏特效應(yīng)，如圖8.6所示。利用半導(dǎo)體PN結(jié)光生伏特效應(yīng)制成的光電探測器通常稱為光伏探測器，如光電池、雪崩二極管、PIN管等。圖8.6光生伏特效應(yīng)示意圖

4)熱探測器

光熱效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料接受光照射后，光子能量與晶格相互作用，振動加劇，溫度升高，從而造成材料的電學(xué)特性變化。利用光熱效應(yīng)制成的探測器稱為熱探測器，如熱敏電阻、熱電偶、熱釋電探測器等。

光子型探測器件的特點是響應(yīng)波長具有選擇性和響應(yīng)快。光子型探測器件都存在某一截止波長，超過此波長，器件無響應(yīng)。光子型探測器件的響應(yīng)時間一般為幾納秒到幾百微秒。

熱電型探測器件對波長沒有選擇性，它對從可見光到遠(yuǎn)紅外的各種波長的輻射都敏感。而且，熱電型探測器件從吸收輻射到產(chǎn)生信號需要的時間長，一般在幾毫秒以上，即熱電型探測器件響應(yīng)速度較慢。

2.光電探測器的特性參數(shù)

由于光電探測器的種類較多，且它們的工作原理和結(jié)構(gòu)也不相同，因此需要有一些參數(shù)、術(shù)語和符號來分析和評價光電探測器的特性及性能參數(shù)。

1)量子效率η

量子效率η是指每入射一個光子，光電探測器所釋放的平均電子數(shù)，其表達(dá)式為

式中：

I

是入射光產(chǎn)生的平均光電流；e是電子電荷；

P

是入射到探測器上的光功率；

I/e為單位時間產(chǎn)生的電子數(shù)；

P/hν為單位時間入射的光子數(shù)。

量子效率是一個微觀參數(shù)，光電探測器的量子效率越高越好。對于理想的探測器，每入射一個光子，則發(fā)射一個電子，即η=1。實際上光電探測器的量子效率一般小于1。但對于光電倍增管、雪崩光電二極管等有內(nèi)部增益機(jī)制的光電探測器，其量子效率可以大于1。

2)響應(yīng)度或靈敏度R

響應(yīng)度R，也稱為靈敏度，是光電探測器輸出信號與輸入輻射功率Pi

之比，其描述的是光電探測器的光電轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)輸出信號的不同，可以分為電壓響應(yīng)度RU

和電流響應(yīng)度RI

，其表達(dá)式分別為

式中，

Uo

、Io

分別是光電探測器的輸出電壓和輸出電流。

3)光譜響應(yīng)度R(λ)

由于光電探測器件的響應(yīng)度隨入射光的波長而變化，因此又有光譜響應(yīng)度和積分響應(yīng)度之分。

光譜響應(yīng)度R

(λ)是指光電探測器在波長為λ的單色光照射下，探測器輸出電壓或輸出電流與入射光功率之比。根據(jù)輸出信號的不同，可以分為電壓光譜響應(yīng)度RU

(λ)和電流光譜響應(yīng)度RI

(λ)，其表達(dá)式分別為

大多數(shù)光電探測器都具有光譜選擇性，而且光電探測器的光譜響應(yīng)度越大，則意味著探測器越靈敏。

4)積分響應(yīng)度

積分響應(yīng)度表示探測器對各種波長的輻射光連續(xù)輻射通量的反應(yīng)程度。對包含有各種波長的輻射光源，總光通量為

由于光電探測器輸出的光電流是由不同波長的光輻射引起的，所以輸出的光電流應(yīng)為

光電探測器積分響應(yīng)度定義為探測器輸出的電流或電壓與入射總光通量之比，即

式中，

λ1

和λ2

分別是光電探測器的短波限和長波限。由于采用不同的輻射源，因此提供數(shù)據(jù)時應(yīng)指明采用的輻射源的波長范圍。

5)頻率響應(yīng)度R(f)

光電探測器的頻率響應(yīng)度R

(f)描述的是探測器的響應(yīng)度隨入射光頻率而變化的性能參數(shù)。當(dāng)入射光照射到光電探測器或入射光停止后，光電探測器的輸出上升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需要的時間稱為響應(yīng)時間τ

，也就是說光電探測器信號的產(chǎn)生和消失存在一個滯后過程。利用時間常數(shù)可以得到光電探測器響應(yīng)度與入射調(diào)制頻率的關(guān)系，其表達(dá)式為

式中：

R

(f

)為頻率

f時的響應(yīng)度；

R0

為頻率為零時的響應(yīng)度。

光電探測器的頻率響應(yīng)曲線如圖8.7所示。圖8.7光電探測器的頻率響應(yīng)曲線

R(f)隨頻率f

的升高而下降，下降的速度與響應(yīng)時間τ

的大小有關(guān)。當(dāng)R(f)=0.707R0

時，可以得到光電探測器的上限截止頻率fc

為

顯然，時間常數(shù)決定了光電探測器頻率響應(yīng)的帶寬。

6)線性度

光電探測器的線性度描述探測器的光電特性或光照特性曲線中輸出信號與輸入信號保持線性關(guān)系的程度，即在規(guī)定的范圍內(nèi)，探測器的輸出電量精確地正比于輸入光量的性能。

光電探測器的線性度是輻射功率的復(fù)雜函數(shù)，通常用非線性誤差δ來度量，其表達(dá)式為

式中：

Δ

max

為實際響應(yīng)曲線與擬合直線之間的最大誤差；

I1

、I2分別是線性區(qū)中的最小和最大響應(yīng)值。

光電探測器線性區(qū)的大小與探測器后的電子線路有很大關(guān)系。線性區(qū)的下限一般由器件暗電流和噪聲因素決定，上限由飽和效應(yīng)或過載決定。光電探測器的線性區(qū)還隨偏置、輻射調(diào)制及調(diào)制頻率等條件的變化而變化。因此，在光電檢測技術(shù)中，線性度應(yīng)結(jié)合具體情況進(jìn)行選擇和控制。

7)工作溫度

工作溫度是指光電探測器件最佳工作狀態(tài)時的溫度，它是光電探測器件的重要性能參數(shù)之一。用半導(dǎo)體材料制作的探測器，無論是信號還是噪聲，都和工作溫度有密切關(guān)系，所以必須明確工作溫度。通用的工作溫度是：室溫295K、干冰溫度195K、液氮溫度77K、液氫溫度20.4K。

3.光電探測器的噪聲及其衡量參數(shù)

光電探測器的噪聲是指在光電轉(zhuǎn)換時，探測器的輸出信號要受到無用信號的干擾，這些干擾稱為噪聲。噪聲是限制探測系統(tǒng)性能的決定性因素，也是不可避免的。因為任何一個探測器都有一定的噪聲。也就是說攜帶信息的信號在傳輸?shù)母鱾€環(huán)節(jié)中不可避免地受到各種因素的干擾，從而使信號發(fā)生某種程度的畸變，表現(xiàn)在系統(tǒng)的輸出端總是存在一些毫無規(guī)律、事先無法預(yù)知的電壓或電流起伏。這種起伏是光電轉(zhuǎn)換過程中固有的，是一種不可能人為消除的起伏，是與器件密切相關(guān)的一個參量。

尤其當(dāng)入射輻射功率很低時，輸出只是雜亂無章的變化信號，而無法肯定是否有輻射入射到探測器上，這就是探測器固有噪聲引起的。實現(xiàn)微弱信號的探測，就是從噪聲中如何提取信號的問題。

噪聲是一種隨機(jī)信號，它實質(zhì)上就是物理量圍繞其平均值的漲落現(xiàn)象。對于平穩(wěn)隨機(jī)過程，通常采用先計算噪聲電壓或電流的平均值，然后將其對時間做平均來求噪聲電壓或電流的均方值。

依據(jù)噪聲產(chǎn)生的物理原因，光電探測器的噪聲可以分為熱噪聲、散粒噪聲、產(chǎn)生復(fù)合噪聲和低頻噪聲等。

1)熱噪聲

熱噪聲是由耗散元件中電荷載流子的隨機(jī)熱運動引起的。由于光電探測器有一個等效電阻R，處于熱平衡條件下的電阻即使沒有外加電壓，也都有一定量的噪聲。

理論上給出熱噪聲均方電流和均方電壓分別為

式中：

k

是玻爾茲曼常數(shù)；

T是絕對溫度；R是器件的電阻值；

Δf

是測量系統(tǒng)的工作帶寬。

式(8.18)和式(8.19)說明，熱噪聲存在于任何電阻中，且與溫度成正比，與頻率無關(guān)，即噪聲是由各種頻率分量組成的，因此熱噪聲又稱為白噪聲。

在微弱信號探測中，熱噪聲是一個不可忽視的量。降低熱噪聲的方法，一是制冷，二是在滿足信號不失真的條件下，盡量縮短工作頻帶。

2)散粒噪聲

光電發(fā)射材料表面光電子的隨機(jī)發(fā)射或半導(dǎo)體內(nèi)光生載流子的隨機(jī)產(chǎn)生和流動會引起探測器輸出電流的起伏，這種由于光生載流子的本征擾動產(chǎn)生的電流起伏稱為散粒噪聲，又稱量子噪聲。光電倍增管和光電二極管中主要的噪聲源就是散粒噪聲，因為電子管中任一短時間內(nèi)發(fā)射出來的電子決不會總是等于平均數(shù)，而是圍繞這一平均數(shù)有一漲落。理論證明，這種漲落引起的均方噪聲功率為

式中：

IDC

是流過器件的電流直流分量或平均值；e是電子電荷；

Δf

是測量系統(tǒng)的工作帶寬。

當(dāng)利用信噪比評價兩種光電探測器的性能時，有一定的局限性。例如，對于單個光電探測器，其信噪比的大小與入射信號輻射功率及接收面積有關(guān)。如果入射輻射強(qiáng)，接收面積大，信號比就大，但其性能不一定就好。

6)噪聲等效功率(NEP)

如果投射到探測器敏感元件上的輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓或電流正好等于探測器本身的噪聲電壓或電流，即探測器的信噪比等于1，此時輻射功率就是噪聲等效功率(NEP)，其表達(dá)式為

噪聲等效功率實際上就是光電探測器最小可探測功率。其值越小，探測器所能探測到的輻射功率越小，探測器越靈敏。

8.2.2光電池

光電池是一種不需要外加偏置電壓，利用光生伏特效應(yīng)就能將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的PN結(jié)光電器件。按照光電池的用途可以將光電池分為太陽能光電池和測量光電池兩大類。

光電池具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、可靠性高、壽命長等特點，太陽能電池作為一種綠色能源，無論在日常生活還是太空探測等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，而測量光電池作為光電檢測器件，被廣泛應(yīng)用在光度、色度和光學(xué)精密計量中。

光電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個PN結(jié)，由于制作PN結(jié)的材料不同，光電池可分為硅光電池、硒光電池、鍺光電池和砷化鎵光電池。目前應(yīng)用較多的是硅光電池和硒光電池，下面主要以這兩種材料為例，介紹光電池的工作原理、性能參數(shù)等。

1.光生伏特效應(yīng)

圖8.8是半導(dǎo)體PN結(jié)示意圖。在沒有光照的情況下，結(jié)型半導(dǎo)體的P型區(qū)和N型區(qū)由于空穴和電子濃度梯度的存在，載流子擴(kuò)散后形成一個不可移動的帶正負(fù)電荷的離子組成的空間電荷區(qū)，也稱為耗盡層，進(jìn)而形成由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)建電場。

圖8.8PN結(jié)示意圖

當(dāng)光照照射到半導(dǎo)體材料上時，只要光子能量大于材料的禁帶寬度，就可能激發(fā)出電子空穴對，打破原有的平衡狀態(tài)，出現(xiàn)新的電荷移動。光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，它們在PN結(jié)的邊緣被收集，相當(dāng)于在PN結(jié)上加了一個正向電壓。這種由于光照在PN結(jié)兩端出現(xiàn)的電動勢稱為光生電動勢，這種效應(yīng)稱為光生伏特效應(yīng)，簡稱光伏效應(yīng)。基于這一效應(yīng)，如果將PN結(jié)的外電路構(gòu)成回路，則外電路中就會出現(xiàn)信號電流，即由光照射激發(fā)的光電流，且光電流從P區(qū)經(jīng)負(fù)載流至N區(qū)，負(fù)載中得到功率輸出。這種電動勢是以光照為基礎(chǔ)的，一旦光照消失，光生電動勢也不復(fù)存在。

2.光電池的基本結(jié)構(gòu)

圖8.9是硅光電池結(jié)構(gòu)示意圖，它實質(zhì)上是一個大面積的半導(dǎo)體PN結(jié)。硅光電池的基體材料是一薄片P型單晶硅，其厚度在0.44mm以下，在它的表面上利用熱擴(kuò)散技術(shù)生成一層N型受光層，基體和受光層的交接處形成PN結(jié)。在N型受光層上制作有柵狀負(fù)電極，另外在受光面上還均勻覆蓋有抗反射膜，它是一層很薄的SiO2

膜，可以使電池對有效入射光的吸收率達(dá)到90%以上，并使硅光電池的短路電流增加25%~30%。圖8.9硅光電池結(jié)構(gòu)示意圖

以硅材料為基體的硅光電池可以使用單晶硅、多晶硅和非晶硅來制造。單晶硅光電池是目前應(yīng)用最廣的一種，它有2CR和2DR兩種類型，其中2CR型硅光電池采用N型單晶硅制造，

2DR型硅光電池采用P型單晶硅制造。

1)伏安特性

硅光電池的伏安特性表示輸出電流和輸出電壓隨負(fù)載電阻變化的曲線。

圖8.10是硅光電池的工作原理圖，當(dāng)PN結(jié)受光照射時，就會在PN結(jié)兩端形成光生電動勢。如果用一個理想電流表接通PN結(jié)，則有由N區(qū)流向P區(qū)的電流Ip通過，稱為光電流。在有光照時，若PN結(jié)外電路接上負(fù)載電阻RL

，此時PN結(jié)內(nèi)出現(xiàn)兩種方向相反的電流：

一種是光激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對，在內(nèi)建電場作用下，形成光電流Ip

，它與光照有關(guān)，其方向與PN結(jié)反向飽和電流Is

相同；另一種是光生電流Ip

流過負(fù)載RL

產(chǎn)生電壓降U，相當(dāng)于在PN結(jié)上施加正向偏置電壓，從而產(chǎn)生正向電流ID

，以ID

方向為正方向，流過PN結(jié)的凈電流為

式中：第一項是普通二極管表達(dá)式；第二項是光電流；

e是電子電荷；

k是玻爾茲曼常數(shù)；T是熱力學(xué)溫度。圖8.10硅光電池的工作原理圖．

硅光電池的等效電路圖如圖8.11所示，這里運用了理想二極管方程。隨著二極管加正向偏置電壓，空間電荷區(qū)的電場變?nèi)?，但是不可能變?yōu)榱慊蚋淖兎较?。光電流是沿反偏方向的電流，因此，光電池的電流也總是沿反偏方向?/p>

光電流與光照度E(單位是勒克斯lx)的關(guān)系為

式中，

SE

為光電靈敏度，單位是μA/lx。因此，式(8.29)變?yōu)?/p>

IL=ID-Ip=Is(eeU/kT-1)-SEE圖8.11硅光電池的等效電路圖

光電池的伏安特性曲線如圖8.12所示，在沒有光照射時，

PN結(jié)光電池的伏安特性與普通的半導(dǎo)體二極管相同；在光照射時，

PN結(jié)光電池的伏安特性曲線沿電流軸向平移，平移幅度與光照度成正比。

若PN結(jié)短路，即電阻兩端電壓U=0，則得到短路電流IL=Isc

為

若PN結(jié)開路，則得到開路電壓Uoc為圖8.12光電池的伏安特性曲線

2)光照特性

圖8.13是不同照度下光電池的伏安特性曲線。從式(8.32)可以看出，短路電流Isc與光照度E呈線性關(guān)系，而式(

8.33)表明光電池的開路電壓Uoc，即光生電動勢與光照度的對數(shù)成正比。圖8.13不同照度下光電池伏安特性曲線

實際使用光電池時都外接有負(fù)載電阻RL，光電池在不同負(fù)載電阻下的光電特性如圖8.14所示。負(fù)載電阻越小，線性度越好，且線性范圍越寬。因此，實際使用光電池時應(yīng)該選取合適的負(fù)載，以保證用做檢測器時，光電流和照度保持線性關(guān)系。同時，圖8.14還表明，光電流在弱光照射下與光照度線性關(guān)系較好，光照度增加到一定程度后，輸出電流非線性緩慢地增加，直至飽和，并且負(fù)載電阻越大，越容易出現(xiàn)飽和，即線性范圍較小。所以，如果想獲得較寬的光電線性范圍，負(fù)載電阻也不能取很大。圖8.14光電池在不同負(fù)載電阻下的光電特性

3)光譜特性

光電池的光譜特性表示在單位輻射通量的不同波長的光分別照射時，光電池所產(chǎn)生的短路電流大小的相對比較。在線性測量中，不僅要求光電池有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，同時還要求與人眼視見函數(shù)有相似的光譜響應(yīng)特性。

圖8.15表明，硅光電池的光譜響應(yīng)峰值在0.8μm附近，波長范圍為0.4~1.2μm。因此，硅光電池可在很寬的波長范圍內(nèi)應(yīng)用。硒光電池的光譜響應(yīng)峰值在0.5μm附近，波長范圍為0.38~0.75μm。

光電池光譜范圍的波長閾值取決于多個因素，如半導(dǎo)體材料的禁帶寬度、材料表面反射損失、制造工藝和使用環(huán)境溫度等。圖8.15光電池的光譜特性

4)頻率特性

光電池的頻率特性是指光電池相對輸出電流與光的調(diào)制頻率之間的關(guān)系。硅光電池和硒光電池的頻率特性不同，如圖8.16所示，硅光電池的頻率響應(yīng)較好，而硒光電池的頻率響應(yīng)較差。所以高速計數(shù)器的轉(zhuǎn)換一般采用硅光電池作為傳感器元件。

光電池的頻率特性還與負(fù)載有關(guān)，如圖8.17所示，對同一種半導(dǎo)體材料的光電池，負(fù)載大時頻率特性變差，減小負(fù)載可以減小時間常數(shù)，提高頻率響應(yīng)。但是負(fù)載電阻的減小會使輸出電壓降低，實際使用時要視具體要求而定。圖8.16光電池的頻率特性

8.17不同負(fù)載下光電池的頻率特性

5)溫度特性

光電池的溫度特性是指在光照射時光電池的開路電壓Uoc

和短路電流Isc隨溫度變化的規(guī)律。光電池的溫度曲線如圖8.18所示，隨著溫度的升高，開路電壓Uoc逐漸減小，減小率約為2~3mV/℃。短路電流Isc隨著溫度的升高而增大，但增大比例很小，增大數(shù)量級為10-5~10-3mA/℃。

當(dāng)光電池用作光電檢測系統(tǒng)的檢測器件時，就應(yīng)考慮這種溫漂效應(yīng)并進(jìn)行補(bǔ)償，以保證測量精度。圖8.18光電池的溫度特性

6)穩(wěn)定性

當(dāng)光電池密封良好、電極引線可靠、應(yīng)用合理時，光電池的性能是相當(dāng)穩(wěn)定的，使用壽命也很長。硅光電池的性能比硒光電池更穩(wěn)定。光電池的性能和壽命除了與光電池的材料及制造工藝有關(guān)外，在很大程度上還與使用環(huán)境條件有密切關(guān)系。如在高溫和強(qiáng)光照射下，會使光電池的性能變壞，而且降低使用壽命，使用中要加以注意。

4.光電池的應(yīng)用

利用光電池將太陽能轉(zhuǎn)變成電能是光電池的重要應(yīng)用之一，并已在人造衛(wèi)星和宇宙飛船中得到廣泛應(yīng)用。隨著人類航天技術(shù)及微波輸電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，空間太陽能電站的設(shè)想可望得到實現(xiàn)。由于光電池不受天氣、氣候條件的制約，其發(fā)展顯示出美好的前景，是人類大規(guī)模利用太陽能的一條有效途徑。

利用光電池具有光敏面大、頻率響應(yīng)高、光電流隨光照度呈線性變化等特點，作為光電檢測器件，光電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于光電讀數(shù)、光電開關(guān)、光柵測量等領(lǐng)域。

8.2.3PIN光電探測器

PIN管是光電二極管中的一種，它的結(jié)構(gòu)特點是，采用高阻純硅材料及離子漂移技術(shù)，在P型半導(dǎo)體材料和N型半導(dǎo)體材料之間形成一層相對較厚且沒有雜質(zhì)的本征層(I層)，其結(jié)構(gòu)如圖8.19所示。

PIN是一種有源光電探測器件，該器件主要利用半導(dǎo)體PN結(jié)結(jié)區(qū)電場采集光生載流子，進(jìn)而完成光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴IN光電二極管產(chǎn)生光電效應(yīng)的具體工作原理是：工作時PN結(jié)施加反向偏置形成一定范圍的耗盡層，當(dāng)它受光輻照時，輻照光先經(jīng)P層，再進(jìn)入Ⅰ區(qū)，最后到N基片。

Ⅰ區(qū)對提高整個器件的靈敏度和頻率起著十分重要的作用。因為Ⅰ區(qū)相對于P區(qū)和N區(qū)較厚，是高阻區(qū)，反向偏壓主要集中在這一區(qū)域，形成高電場區(qū)，如圖8.20所示。高電阻使暗電流明顯減少。本征層的引入使耗盡層加大，使入射光能充分被吸收產(chǎn)生光生載流子，提高了器件的量子效率和靈敏度。同時，由于P區(qū)非常薄，只能使在Ⅰ區(qū)中的光生載流子在強(qiáng)電場作用下加速運動，所以載流子渡越時間非常短，這就提高了響應(yīng)速度，其響應(yīng)時間為納米量級。耗盡層加寬也明顯地減少了結(jié)電容Cd，結(jié)電容一般為皮法量級，從而使時間常數(shù)τc=CdRL

減少，有利于高頻響應(yīng)。這些光生載流子在向電極運動時，將在外電路中形成電流，電流的幅度受到光生載流子的調(diào)制作用，因而可以用來探測經(jīng)過調(diào)制的光信號。圖8.19PIN結(jié)構(gòu)示意圖圖8.20PIN工作原理示意圖

PIN光電探測器的特點有：頻帶寬，由耗盡層寬度與外加電壓的關(guān)系可知，增加反向偏壓會使耗盡層寬度增加，使結(jié)電容進(jìn)一步減少，從而使頻帶寬度變寬；因為I層很厚，在反向偏壓下可承受較高的反向電壓，故PIN光電探測器的線性輸出范圍寬；本征層電阻很大，PIN管的輸出電流小，一般多為微安量級。

由于PIN光電探測器的I層電阻很大，輸出電流一般為幾微安，因而需要將PIN管與前置運算放大器集成在同一硅片上，并封裝于一個管殼內(nèi)，形成PIN混合集成光電探測器件。

在數(shù)字光纖通信應(yīng)用中，評價PIN光電探測器性能好壞的參數(shù)有響應(yīng)光譜、量子效率、響應(yīng)時間、暗電流和最小可檢測功率等。表8.1列出了常用的不同材料PIN光電二極管的工作特性。

8.2.4雪崩光電二極管APD

PIN光電二極管工作時的反向偏置都遠(yuǎn)離擊穿電壓，而雪崩光敏二極管(APD)是利用PN結(jié)在高反向電壓(略低于擊穿電壓)下產(chǎn)生的雪崩倍增效應(yīng)來工作的半導(dǎo)體器件。

雪崩光電二極管是具有內(nèi)增益的一種光伏器件。圖8.

21是APD的工作原理示意圖，它利用光生載流子在強(qiáng)電場內(nèi)的定向運動產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，以獲得光電流的增益。在雪崩過程中，光生載流子在強(qiáng)電場的作用下高速定向運動，具有很高動能的光生電子或空穴與晶格原子碰撞，使晶格原子電離產(chǎn)生二次電子空穴對；二次電子和空穴在電場的作用下獲得足夠的動能，又使晶格原子電離產(chǎn)生新的電子空穴對，此過程像“雪崩”似地繼續(xù)下去。電離產(chǎn)生的載流子數(shù)遠(yuǎn)大于光激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子數(shù)，這時雪崩光電二極管的輸出電流迅速增加。圖8.21APD工作原理示意圖

圖8.22是背面入光臺面型InGaAsP/InPSAGMAPD的結(jié)構(gòu)示意圖，有源區(qū)由光吸收層和雪崩區(qū)組成，入射光區(qū)的直徑被限制在30~300μm，用環(huán)形電極，入射面涂敷抗反射介質(zhì)膜以降低入射光在輸入表面的反射，用擴(kuò)散或離子注入的辦法圍繞擴(kuò)散區(qū)加一個保護(hù)環(huán)，以避免邊緣擊穿。和PIN光電二極管一樣，

APD也要采用臺面結(jié)構(gòu)以減少結(jié)電容，提高頻率響應(yīng)。同時，為了實現(xiàn)均勻倍增，襯底材料的摻雜濃度要均勻，缺陷要少。

雪崩光電二極管的特點有：靈敏度高，電流增益可達(dá)102

~103

；響應(yīng)速度快，響應(yīng)時間只有0.5ns，響應(yīng)頻率可達(dá)100GHz；噪聲等效功率很小，約為10-15W；反向電壓高，可達(dá)200V，接近反向擊穿電壓。

描述雪崩光電二極管的特性參數(shù)主要有雪崩增益、伏安特性、增益帶寬積、過剩噪聲因子、響應(yīng)時間等。

1.雪崩增益

雪崩光電二極管有電流內(nèi)增益，一般硅或鍺材料的雪崩二極管的電流內(nèi)增益可達(dá)102~103

，在超高頻的調(diào)制光照射下仍有很顯著的增益。

雪崩光電二極管光電流增益的大小用倍增因子M表示，

M隨反向偏壓U的變化可用下面的經(jīng)驗公式近似表示

式中：

UB

是反向擊穿電壓；U是反向外加電壓；

n是與材料、摻雜和器件有關(guān)的常數(shù)，硅材料的n=1.5~4，鍺材料的n=2.5~3。式(8.34)表明，當(dāng)反向外加電壓接近擊穿電壓時，二極管的光電流增益趨向無窮大，

PN結(jié)發(fā)生擊穿。實際雪崩過程是統(tǒng)計過程，并不是每一個光子都經(jīng)過了同樣的放大，所以，

M是一個統(tǒng)計平均值。PN結(jié)在任何小的局部區(qū)域提前擊穿都會使二極管的使用受到限制，因而只有當(dāng)一個實際的器件在整個PN結(jié)面上是高度均勻時，才能獲得高的、有用的平均光電流增益。從工作狀態(tài)來說，雪崩光電二極管實際上是工作于接近(但沒有達(dá)到)雪崩擊穿狀態(tài)的、高度均勻的半導(dǎo)體光電二極管。圖8.22背面入光臺面型InGaAsP/InPSAGMAPD結(jié)構(gòu)示意圖

2.伏安特性

雪崩光電二極管暗電流、光電流與偏置電壓的關(guān)系曲線如圖8.23所示。從圖中可知，在偏置電壓較低時，

A點以左不發(fā)生雪崩過程。隨著偏壓的逐漸升高，倍增電流逐漸增加。從B點到C點增加很快，屬于雪崩倍增區(qū)。再繼續(xù)增大偏置電壓，將發(fā)生雪崩擊穿，同時噪聲也顯著增加，如圖中C點以右的區(qū)域。因此，最佳的偏壓工作區(qū)是C點以左，否則進(jìn)入雪崩擊穿區(qū)燒壞雪崩光電二極管。也就是說，當(dāng)反向偏壓超過B點后，由于暗電流增加的速度更快，使有用的光生電流減小。所以最佳工作點在接近雪崩擊穿點附近，此時對偏壓的穩(wěn)定性要求較高。

圖8.23APD暗電流、光電流與偏置電壓的關(guān)系曲線

3.增益帶寬積

增益帶寬積(GB)表示帶寬和倍增因子的關(guān)系，是3dB帶寬與低頻下倍增因子的乘積，其表達(dá)式為

式中：Nic是取決于離化系數(shù)比的常數(shù)；

W

是雪崩區(qū)寬度；

vds

是飽和速度；

α/β是離化系數(shù)比(注入電子時)，當(dāng)注入載流子是空穴時α/β?lián)Q成β/α

式(8.35)表明，當(dāng)倍增因子較小時，帶寬取決于渡越時間或RC時間常數(shù)。當(dāng)增加倍增因子時，帶寬逐漸降低，因為受增益帶寬乘積的限制，它常常影響到工作頻率在1GHz以上的光纖通信系統(tǒng)的性能。

4.過剩噪聲因子

噪聲大是雪崩光電二極管的一個主要缺點，由于雪崩反應(yīng)是隨機(jī)的，所以它的噪聲較大，特別是當(dāng)工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無法使用。

在雪崩倍增工作條件下，由于散粒噪聲倍增，雪崩過程會引起附加的噪聲，稱為過剩噪聲，這是在雪崩過程中由離化碰撞的無序漲落引起的。過剩噪聲可用過剩噪聲因子來表示，其表達(dá)式為

式中：對于電子注入時，

k是α/β；而對于空穴注入時，

k是β/α。從式(8.36)中可以看出，k應(yīng)減到最小以減小噪聲。

5.響應(yīng)時間

由于雪崩光電二極管工作時加有很高的反向電壓，使光生載流子在結(jié)區(qū)的渡越時間很短，其結(jié)電容也只有幾皮法，因此雪崩光電二極管的響應(yīng)速度特別快，如硅管的響應(yīng)時間為0.5~1ns。

雪崩光電二極管廣泛應(yīng)用于光纖通信、弱信號檢測、激光測距等領(lǐng)域。表8.2列出了常用的雪崩光電二極管的工作特性。

8.3發(fā)光二極管

光電探測器和光電池都可以把光能轉(zhuǎn)換成電能，即光子產(chǎn)生過剩電子和空穴，從而形成電流，也可以給PN結(jié)加正向電壓形成電流，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，也就是發(fā)光二極管LED。

1.發(fā)光機(jī)制

LED的光發(fā)射是基于所注入半導(dǎo)體中電子和空穴的復(fù)合而產(chǎn)生的光輻射，包括導(dǎo)帶中的電子直接躍入價帶與空穴復(fù)合發(fā)光，及載流子通過晶體中的雜質(zhì)或缺陷所形成復(fù)合中心的復(fù)合發(fā)光等。如果按照電子躍遷方式，則復(fù)合可以分為帶間復(fù)合、激子復(fù)合、通過雜質(zhì)中心復(fù)合、通過電子陷阱復(fù)合等。

2.LED結(jié)構(gòu)及工作原理

圖8.24、圖8.25和圖8.26分別是LED結(jié)構(gòu)示意圖、發(fā)光示意圖和能帶示意圖。LED的核心部分是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的晶片，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間有一個有源區(qū)，稱為PN結(jié)。當(dāng)不存在外加電壓時，由于PN結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。當(dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入P區(qū)的電子在PN結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同，因而當(dāng)電子和空穴復(fù)合時釋放出的能量多少也不同，釋放出的能量越多，發(fā)出的光的波長越短。圖8.24圖8.25LED發(fā)光示意圖圖8.26LED能帶示意圖

為了提高載流子注入效率，

LED多采用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，如P－p－N雙異質(zhì)結(jié)型半導(dǎo)體AlxGa1-xAs/GaAs(見圖8.27)。在正向偏置條件下，高濃度電子和空穴從寬帶隙的N型和P型Alx

Ga1-xAs層注入窄帶隙的P型GaAs

有源層，且被異質(zhì)結(jié)勢壘限制在有源區(qū)內(nèi)。當(dāng)有源層厚度小于載流子擴(kuò)散長度時，由于電中性條件要求，注入導(dǎo)帶的電子和注入價帶的空穴數(shù)是相等的，且均勻分布在有源區(qū)中。在電注入激勵條件下，有源區(qū)內(nèi)的電子和空穴產(chǎn)生復(fù)合而發(fā)光。不連續(xù)的帶隙結(jié)構(gòu)一方面加強(qiáng)了對載流子的束縛，提高了載流子的注入效率；另一方面，由于N區(qū)和P區(qū)的帶隙比有源區(qū)寬，所以從有源區(qū)發(fā)出的光子不會被頂層和襯底所吸收，它們只起著窗口作用，因此雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)大大地提高了LED的發(fā)光效率。圖8.27雙異質(zhì)結(jié)型LED示意圖

從產(chǎn)生不同發(fā)光方向的結(jié)構(gòu)來區(qū)分，

LED有兩種結(jié)構(gòu)：面發(fā)射型和邊發(fā)射型。面發(fā)射型LED(見圖8.28)發(fā)出的光垂直于PN結(jié)平面。為了提高光發(fā)射效率，避免襯底對光的吸收，面發(fā)射型LED的表面需要做成不同形狀或用高折射率透明介質(zhì)作為封裝材料。面發(fā)射型LED工藝復(fù)雜，成本較高，其優(yōu)點是面發(fā)射型LED到光纖的耦合效率高。邊發(fā)射型LED(見圖8.29)發(fā)出的光平行于PN結(jié)平面，內(nèi)部用一個幾十微米的條形結(jié)構(gòu)來限制電流大小和發(fā)光區(qū)域，這種結(jié)構(gòu)的LED使用較少。與面發(fā)射型LED相比，邊發(fā)射型LED光出射方向性好。圖8.28面發(fā)射型LED結(jié)構(gòu)圖圖8.29邊發(fā)射型LED結(jié)構(gòu)圖

3.LED特性參數(shù)

1)發(fā)射光譜

LED的發(fā)射光譜是指LED發(fā)出的光的相對強(qiáng)度或能量隨波長或頻率變化的分布曲線。它直接決定著發(fā)光二極管的發(fā)光顏色，并影響它的發(fā)光效率。發(fā)射光譜的形成由材料的種類、性質(zhì)以及發(fā)光中心的結(jié)構(gòu)決定，而與器件的幾何形狀和封裝方式無關(guān)。

LED所發(fā)射的光一般具有連續(xù)光譜，描述光譜分布的兩個主要參量是它的峰值波長和發(fā)光強(qiáng)度的半寬度，如圖8.30所示。輻射躍遷所發(fā)射的光子，其波長λ

與躍遷前后的能量差Δ

E之間的關(guān)系為λ=hc/ΔE。復(fù)合躍遷前后的能量差大體就是材料的禁帶寬度Eg

。因此，峰值波長由材料的禁帶寬度決定。峰值光子的能量還與溫度有關(guān)，它隨溫度的增加而減少。當(dāng)結(jié)溫上升時，譜帶波長以0.2~0.3nm/℃的比例向長波方向移動。圖8.30GaAs0.6P0.4和GaP的光譜

邊發(fā)射型LED有源層內(nèi)的光發(fā)射過程和器件特性與面發(fā)射型LED相似，但是發(fā)射光譜寬度不同，如圖8.31所示。這時發(fā)射的光沿著有源層從內(nèi)部傳播到光發(fā)射端面，在傳播過程中，發(fā)射譜內(nèi)大部分波長更短的光在有源層內(nèi)被吸收，因為短波長光的吸收系數(shù)比長波長的大。因此邊發(fā)射型LED的發(fā)射光譜較窄，同一種材料制成的LED，邊發(fā)射型LED的譜寬只有面發(fā)射型LED的70%。圖8.31面發(fā)射型LED和邊發(fā)射型LED的典型發(fā)射光譜

2)伏安特性

LED的伏安特性曲線如圖8.32所示，它與普通二極管的伏安特性大致相同。當(dāng)電壓小于開啟點的電壓值時沒有電流，一旦電壓超過開啟點就顯示出歐姆導(dǎo)通特性，這時正向電流與電壓的關(guān)系為

式中：I0是開啟點電流；k是玻爾茲曼常數(shù)；

m

是復(fù)合因子。在寬禁帶半導(dǎo)體中，當(dāng)電流小于0.1mA時，通過結(jié)內(nèi)深能級進(jìn)行復(fù)合，空間復(fù)合電流起支配作用，這時m=2；當(dāng)

I增大后，擴(kuò)散電流占優(yōu)勢，這時m=1。半導(dǎo)體材料的禁帶寬度不同，開啟電壓略有差異。圖8.32LED伏安特性曲線

3)響應(yīng)時間

在快速顯示時，標(biāo)志器件對信息反應(yīng)速度的物理量稱為響應(yīng)時間，即器件啟亮與熄滅時間的延遲。實驗證明，發(fā)光二極管的上升時間隨電流的增加而近似呈指數(shù)衰減。發(fā)光二極管的時間響應(yīng)快，為納秒量級，比人眼的時間響應(yīng)要快得多，但用作光信號傳遞時，響應(yīng)時間又顯得太長。發(fā)光二極管的響應(yīng)時間取決于注入載流子非發(fā)光復(fù)合的壽命和躍遷的幾率。

4)發(fā)光效率

LED發(fā)光效率是指PN結(jié)輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子射到外部的百分?jǐn)?shù)，即器件內(nèi)部的光如何有效地發(fā)射出來的參數(shù)。注入載流子的復(fù)合并不全是輻射復(fù)合，有一部分將參與非輻射復(fù)合，而且載流子輻射復(fù)合產(chǎn)生的光也不是全部能射出管外。LED的發(fā)光效率常用單位時間內(nèi)輻射到自由空間的光子數(shù)和注入的載流子數(shù)之比來表示，稱為外量子效率ηe

。LED外量子效率不僅與輻射發(fā)光效率，即內(nèi)量子效率ηi

有關(guān)，而且還與逸出器件外部的效率，即光提取率ηo

有關(guān)，

LED外量子效率可表示為

內(nèi)量子效率ηi是指單位時間內(nèi)從有源層輻射出來的光子數(shù)與單位時間內(nèi)注入LED的電子數(shù)之比。電子和空穴在PN結(jié)有源層中復(fù)合會產(chǎn)生光子，然而并不是每一對電子和空穴都會產(chǎn)生光子。由于LED的PN結(jié)作為雜質(zhì)半導(dǎo)體，存在著材料品質(zhì)、位錯因素以及工藝上的種種缺陷，會產(chǎn)生雜質(zhì)電離、激發(fā)散射和晶格散射等問題，使電子從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)后與晶格原子或離子交換能量時發(fā)生無輻射躍遷，也就是不產(chǎn)生光子，這部分能量不轉(zhuǎn)換成光能而轉(zhuǎn)換成熱能損耗在PN結(jié)內(nèi)，于是就有一個復(fù)合載流子轉(zhuǎn)換效率。一般是通過測量LED輸出的光功率來評價這一效率，這個效率稱為內(nèi)量子效率，其公式為

輻射復(fù)合所產(chǎn)生的光子并不是全部都能離開晶體向外發(fā)射，從有源區(qū)產(chǎn)生的光子通過半導(dǎo)體時有部分被吸收；另外，由于半導(dǎo)體的高折射率，光子在界面處很容易發(fā)生全反射而返回晶體內(nèi)部。即使是垂直射到界面的光子，由于高折射率而產(chǎn)生高反射率，有相當(dāng)部分被返回晶體內(nèi)部。因此存在光提取率ηo

概念，其定義為單位時間輻射到自由空間的光子數(shù)與單位時間從有源層輻射出來的光子數(shù)之比，用公式表示為

式中，

P是輸出功率。

由于半導(dǎo)體材料折射率高、全反射等因素，有源層產(chǎn)生的光絕大部分在LED內(nèi)部轉(zhuǎn)換為熱能白白損耗掉了，能夠輻射到自由空間的光占很小部分，使傳統(tǒng)LED的出光效率很低。為了提高光的透射率，人們想了很多措施，如用高折射率、低熔點的透明玻璃對管芯進(jìn)行拱形或半球形封裝，光在封裝材料內(nèi)幾乎是垂直地入射到空氣界面，所以不會產(chǎn)生全內(nèi)反射，這樣出光效率可以提高4~7倍。

5)壽命

LED的壽命定義為亮度降低到原來亮度一半時所經(jīng)歷的時間。LED的壽命一般都很長，在電流密度小于1A/cm

2

時，一般可達(dá)106h。

隨著工作時間的加長，亮度下降的現(xiàn)象稱為老化。隨著電流密度的加大，老化變快，壽命變短。

6)發(fā)光亮度與電流密度的關(guān)系

LED的發(fā)光亮度B是單位面積發(fā)光強(qiáng)度的量度，其值基本上與正向電流密度呈線性關(guān)系。LED的發(fā)光亮度受環(huán)境溫度的影響，環(huán)境溫度越高，所允許的耗散功率越小，允許的工作電流也就越小，發(fā)光亮度下降。環(huán)境溫度越高，結(jié)溫升高，也使亮度下降。即使環(huán)境溫度不變，由于注入電流加大，引起結(jié)溫升高，發(fā)光亮度隨電流密度也會呈現(xiàn)飽和現(xiàn)象。

7)調(diào)制帶寬

LED的頻率響應(yīng)可以表示為

式中：

ω為調(diào)制頻率；P(ω)為輸出光功率；

τe

為注入載流子壽命。

當(dāng)ωc=1/τe

時，

P

(ωc

)=0.707P(0)。在接收機(jī)中，檢測電流正比于光功率。當(dāng)光功率下降到0.707時，接收電功率下降到0.7072≈0.5倍，即下降了3dB。因此ωc

定義為截止頻率。

在光纖通信中的調(diào)制帶寬既可以使用電調(diào)制帶寬，又可以使用光調(diào)制帶寬，兩者的關(guān)系如圖8.33所示。如果將光纖通信系統(tǒng)中的電路一起考慮時，采用電調(diào)制帶寬是非常有用的。圖8.33光纖通信中的光調(diào)制帶寬和電調(diào)制帶寬之間的關(guān)系

由圖8.33可以看出，從電的角度看，光電檢測器輸出電功率變?yōu)樵瓉淼囊话?，?dāng)系統(tǒng)輸出光生電流變?yōu)?.707時，所對應(yīng)的頻率定義為3dB帶寬，即電3dB帶寬。從光的角度看，當(dāng)LED輸出光功率變?yōu)樵瓉淼囊话霑r，所對應(yīng)的頻率定義為光3dB帶寬，此時光電檢測器輸出的光電流相應(yīng)地減小為原來的1/2。

4.LED的特點

發(fā)光二極管具有如下特點：

(1)高效率：發(fā)光效率高，一個2J/s的LED燈相當(dāng)于一個15J/s的普通白熾燈燈泡的照明效果。

(2)壽命長：

LED燈的最長壽命可達(dá)100000h；LED的半衰減期可達(dá)50000h以上。

(3)低耗電：比同光效的白熾燈最多可節(jié)省70%。

(4)低故障：

LED是半導(dǎo)體元件，與白熾燈和電子節(jié)能燈相比，沒有真空器件和高壓觸發(fā)電路等敏感部件，故障極低，可以免維修。

(5)綠色、環(huán)保：LED光譜集中，沒有多余紅外、紫外等光譜，熱量、輻射很少，對被照物產(chǎn)生影響少，而且不含汞等有害物質(zhì)，廢棄物可回收，沒有污染。

(6)方向性強(qiáng)：平面發(fā)光，方向性強(qiáng)，它與點光源白熾燈不同，視角度小于等于180°。

(7)快響應(yīng)：響應(yīng)時間短，啟動十分迅速，只有納秒量級。白熾燈是毫秒數(shù)量級。

(8)低電壓：驅(qū)動電壓低，工作電壓為直流，安全。

(9)小體積：利用其特點可設(shè)計又薄、又輕、又緊湊的各種式樣的燈具、背光源產(chǎn)品。

(10)多色彩：

LED色彩鮮艷豐富，可利用不同的半導(dǎo)體材料得到不同顏色的光，利用時序控制電路，更能達(dá)到豐富多彩的動態(tài)變化效果。

(11)控制方便：只要調(diào)整電流，就可以隨意調(diào)光，使燈光更加清晰柔和，讓人感覺更加舒服。

5.LED的應(yīng)用

在LED的應(yīng)用中，首先介紹的是各種類型的指示燈、信號燈，

LED正在成為指示燈的主要光源。LED的壽命在數(shù)十萬小時以上，為普通白熾燈的100倍以上，而且具有功耗小、發(fā)光響應(yīng)速度快、亮度高、小型、耐振動等特點，在各種應(yīng)用中占有明顯的優(yōu)勢。

利用LED進(jìn)行數(shù)字顯示，有點矩陣型和字段型兩種方式。例如使LED發(fā)光元件按縱橫矩陣排列，并根據(jù)數(shù)字只讓相應(yīng)的元件發(fā)光。除數(shù)字之外，還可顯示英文字符、羅馬字符、日文假名等，其視認(rèn)性也很好。

LED還可以用于平面顯示，由于LED為固體元件，可靠性高，與采用白熾燈的顯示器相比，功耗小。目前，用于室內(nèi)、外顯示，采用LED點矩陣型模塊的大型顯示器正在迅速推廣普及。采用LED點矩陣型模塊結(jié)構(gòu)時，顯示板的大小可由LED發(fā)光點密集排列成任意尺寸；發(fā)光顏色可以是從紅到綠的任意單色、多色，甚至全色；灰度可以從十?dāng)?shù)階到幾十階分階調(diào)節(jié)。LED與專用IC相組合，也可由電視信號驅(qū)動，進(jìn)行電視畫面顯示。

LED除用做顯示器件外，還可用做各種裝置和系統(tǒng)的光源。如電視機(jī)、空調(diào)等遙控器的光源。在光電檢測系統(tǒng)及光通信系統(tǒng)中，也可作為發(fā)射光源來使用。當(dāng)然在這兩個領(lǐng)域中的應(yīng)用有一定限制，如由于LED相干長度短，不適合作為大量程干涉儀的光源。在目前的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，由于光纖存在色散特性，

LED的寬光譜將導(dǎo)致脈沖的展寬，限制系統(tǒng)的通信容量，

LED只適合于低速率、短距離光纖通信系統(tǒng)。

8.4激光二極管

LED的光子輸出歸因于電子從導(dǎo)帶到價帶的躍遷，這種輻射是自發(fā)的。一旦結(jié)構(gòu)和工作條件發(fā)生改變，器件就可以在一個新的模式下工作，產(chǎn)生一致的光譜輸出，這種新型器件就是激光二極管(LD)。LD是一個借助于受激輻射發(fā)光的半導(dǎo)體器件。與LED相比，

LD所用材料和結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，品種類別更多，工作特性更為優(yōu)異，是光纖通信中使用的最重要的三大關(guān)鍵光器件之一。

1.LD工作三大要素

半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的機(jī)理與氣體和固體激光器是基本相同的，即受激發(fā)射材料、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和光學(xué)諧振腔。但由于半導(dǎo)體材料物質(zhì)結(jié)構(gòu)的特異性和半導(dǎo)體材料中電子運動的特殊性，

LD產(chǎn)生激光的具體過程又有許多特殊之處。

2.注入式同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)及工作原理

為了簡述半導(dǎo)體激光器的工作原理，又不失典型性，以注入式同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器為例進(jìn)行講解?！白⑷胧健笔侵讣す馄鞯谋闷址绞?，即直接給半導(dǎo)體的PN結(jié)加正向電壓，注入電流?！巴|(zhì)結(jié)”是指激光器的結(jié)構(gòu)，即PN結(jié)由同一種材料的P型和N型構(gòu)成。圖8.34是注入式GaAs同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖，其工作原理如下：圖8.34注入式GaAs同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)示意圖

(1)建立起有源區(qū)內(nèi)載流子的反轉(zhuǎn)分布。在半導(dǎo)體中代表電子能量的是由一系列接近于連續(xù)的能級所組成的能帶，因此在半導(dǎo)體中要實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須使處在高能態(tài)導(dǎo)帶底的電子數(shù)比處在低能態(tài)價帶頂?shù)目昭〝?shù)大很多，這借助于給同質(zhì)結(jié)加正向偏壓，向有源層內(nèi)注入必要的載流子來實現(xiàn)，將電子從能量較低的價帶激發(fā)到能量較高的導(dǎo)帶中去。當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合時，便產(chǎn)生受激發(fā)

射作用。圖8.35和圖8.36分別是重?fù)诫s同質(zhì)結(jié)GaAs未加正向電壓和加正向電壓的能級示意圖。

由圖8.36可以看出，在外加電壓作用下，在PN結(jié)區(qū)附近，導(dǎo)帶中有大量電子，而在其對應(yīng)的價帶中則留有大量的空穴，這部分能帶范圍稱為有源區(qū)。在有源區(qū)中，如果導(dǎo)帶中的

電子向下躍遷到能量較低的價帶，就會發(fā)生電子空穴復(fù)合，電子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)，其多余的能量以光子的形式輻射出去。圖8.35注入式GaAs同質(zhì)結(jié)未加正向電壓能級示意圖圖8.36注入式GaAs同質(zhì)結(jié)加正向電壓后能級示意圖

(2)要獲得相干受激輻射，必須使受激輻射在光學(xué)諧振腔內(nèi)得到多次反饋而形成激光振蕩。激光器的諧振腔是由半導(dǎo)體的自然解理面作為反射鏡形成的，用半導(dǎo)體解理面構(gòu)成共振腔，獲得的反射率一般只有30%左右，為滿足某些應(yīng)用的要求，腔鏡需要達(dá)到高反射率，可以在有源層兩側(cè)各交替迭加許多層折射率不同的半導(dǎo)體材料。

(3)為了形成穩(wěn)定振蕩，激光媒質(zhì)必須能提供足夠大的增益，以彌補(bǔ)諧振腔引起的光損耗及由腔面的激光輸出等引起的損耗，不斷增加腔內(nèi)的光場。這就必須要有足夠強(qiáng)的電流注入，有足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高，得到的增益就越大，即必須滿足一定的電流閾值條件，當(dāng)激光器達(dá)到閾值時，具有特定波長的光就能在腔內(nèi)諧振并被放大，最后形成激光而連續(xù)地輸出。

理論分析證明，產(chǎn)生光受激輻射放大的條件是

式中：(EF

)N和(EF

)P

分別是N

區(qū)和P

區(qū)的準(zhǔn)費米能級；

Eg

是禁帶寬度。也就是通過注入非平衡載流子，使非平衡的電子和空穴的準(zhǔn)費米能級之差大于禁帶寬度。

3.LD的主要特性參數(shù)

半導(dǎo)體激光器是半導(dǎo)體二極管，它具有半導(dǎo)體二極管的一般特性，還具有激光器所具有的光頻特性。

1)閾值條件

考慮一個半導(dǎo)體激光器的諧振腔，如圖8.37所示，兩端面的反射率分別為R1

和R2

，腔長L

，光強(qiáng)為I0

的光從端面z=0出發(fā)射向端面z=L，然后再反射回來到達(dá)端面z=0，這樣一個往返路途光強(qiáng)的變化為

式中：

g

是增益系數(shù)；α

是損耗系數(shù)。圖8.37諧振腔示意圖

實現(xiàn)載流子反轉(zhuǎn)分布是激光器的先決條件，而要在諧振腔內(nèi)形成激光振蕩，還必須滿足激光器的閾值條件，即光在諧振腔內(nèi)來回傳播一周的過程中，增益必須等于或大于腔內(nèi)的各種損耗。令光子在腔內(nèi)往返一周時光強(qiáng)保持不變，就得到形成激光振蕩的閾值條件，即

式(8.44)表明增益系數(shù)必須等于或大于某一數(shù)值才能形成激光。

同質(zhì)結(jié)GaAs激光器的泵浦是加正向電流，利用正向電流密度和增益系數(shù)的關(guān)系，可以得到同質(zhì)結(jié)GaAs激光器的閾值電流密度為

式中，β

是增益因子。室溫下，同質(zhì)結(jié)GaAs激光器的閾值電流密度Jth為3×104

~5×104

A/cm2

。

2)伏安特性

半導(dǎo)體激光器的伏安特性與一般半導(dǎo)體二極管的相同，具有單向?qū)щ娦?，如圖8.38所示。由于半導(dǎo)體激光器工作時加正向偏壓，所以其結(jié)電阻很小。其正向電阻主要由材料的體積電阻和引線的接觸電阻來決定。這些電阻雖