2第十章-半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)和光電_...

1、半導(dǎo)體光電 半導(dǎo)體的光電性質(zhì)是半導(dǎo)體材料最重要性質(zhì)之一。 半導(dǎo)體的光電效應(yīng)是各種光電器件的基礎(chǔ)。 光學(xué)方法是研究半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)和檢測(cè)材料參數(shù)的一種重要手段。 本章：討論半導(dǎo)體的光吸收、光生伏特效應(yīng)等半導(dǎo)體材料基本的光電性質(zhì)和應(yīng)用。 半導(dǎo)體的光學(xué)常數(shù) v設(shè)均勻不帶電的介質(zhì)的復(fù)折射為 ，磁導(dǎo)率m=m0（對(duì)于光學(xué)中所討論的大多數(shù)固體材料，相對(duì)磁導(dǎo)率mr=1)，介電常數(shù)e=ere0，電導(dǎo)率s，則光（頻率為w）在中傳播時(shí)，有以下關(guān)系：以上公式中n0為折射率，k為消光系數(shù)。nni=0k=11212/12022220eewserrnkesw e e2222021 21211=rr/反射率v當(dāng)光照射到介質(zhì)的

2、界面時(shí)，或多或少會(huì)發(fā)生反射。反射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之比稱為反射率。當(dāng)光從空氣垂直人射到介質(zhì)表面時(shí)，可以得出反射率R為v對(duì)于吸收很弱的材料，k很小，反射率R比純電介質(zhì)的稍大。對(duì)于金屬，由于k很大，R很接近于1。 Rnn=()()112222kk透射率v在介質(zhì)的界面上，除了光的反對(duì)外，還有光的透射，透射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之比稱為透射率。若不考慮光的吸收，則在界面上透射率T與反射率滿足下式： T=1-Rv一般情況下，光透過一定厚度的介質(zhì)時(shí)，透射率與反射率之間有以下的關(guān)系： TRdRd=() exp()exp()11222吸收系數(shù)v上式中的a稱為吸收系數(shù)，它與消光系數(shù)的關(guān)系為v吸收系數(shù)的物理意義：光在介質(zhì)中傳

3、播距離1/時(shí)，光的強(qiáng)度衰減到原來的1/e。v對(duì)于電介質(zhì)材料，消光系數(shù)趨于，光在這類材料中沒有被吸收，因此材料是透明的。v在金屬和半導(dǎo)體中，消光系數(shù)不為0，即存在光吸收，光的強(qiáng)度隨著透入深度的增加按指數(shù)規(guī)律衰減，即 2wkcxeII=0半導(dǎo)體的光吸收吸收 v半導(dǎo)體材料中的電子吸收光子的能量，從能量較低的狀態(tài)躍遷到能量較高的狀態(tài)。這種躍遷可以發(fā)生在：1、不同的能帶之間；2、同一能帶的不同狀態(tài)之間；3、禁帶中的分立能級(jí)之間；4、禁帶中的分立能級(jí)和能帶之間。v以上各種吸收引起不同的吸收過程。本征吸收v在半導(dǎo)體中。最主要的吸收過程是電子由價(jià)帶向?qū)У能S遷所引起的光吸收，稱為本征吸收或基本吸收這種吸收伴隨

4、著電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生，使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加，即產(chǎn)生光電導(dǎo)。顯然，引起本征吸收的光子能量必須等于或大于禁帶寬度，即v對(duì)應(yīng)的波長稱為本征吸收限。根據(jù)上式，可得出本征吸收長波限的公式為hhEg=0)()(242. 1meVEgcm=Burstein-Moss effect吸收譜與吸收邊v吸收系數(shù)對(duì)光子能量（或波長）的依賴關(guān)系稱為吸收譜。v本征吸收限可在吸收譜中明顯地表現(xiàn)出來。吸收系數(shù)曲線在短波端陡峭地上升，是半導(dǎo)體吸收譜突出的一個(gè)特點(diǎn)。它標(biāo)志著本征吸收的開始。v通常把吸收限附近的吸收譜稱為吸收邊。它相應(yīng)于電子由價(jià)帶頂附近到導(dǎo)帶底附近的躍遷。直接躍遷v電子在躍遷過程中，除了能量必須守恒外，還必須滿足準(zhǔn)

5、動(dòng)量守恒。設(shè)電子的初態(tài)和末態(tài)的波矢分別為k和k，則應(yīng)有v若電子在躍遷前后的波矢可以認(rèn)為保持不變，則這種躍遷稱為直接躍遷。這種躍遷過程相當(dāng)于電子由價(jià)帶豎直地躍遷到導(dǎo)帶，所以也稱為垂直躍遷。v對(duì)下圖那樣的能帶結(jié)構(gòu)，直接躍遷的吸收系數(shù)為v這種能帶結(jié)構(gòu)稱為直接能隙半導(dǎo)體材料。 kkhvc= ww=BwEg()/1 2 E0 Egg直接躍遷-由吸收譜求能隙寬度2與的關(guān)系為一直線，將此直線外推到=0處，可得出禁帶寬度Eg。ZnO filmZnO film間接躍遷v若導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂位于k空間的不同位置，例如在Si和Ge中，那么任何豎直躍遷所吸收的光子能量都應(yīng)該比禁帶寬度大。v但實(shí)驗(yàn)指出，引起本征吸收的最低光

6、子能量還是約等于Eg。v推論：除了豎直躍遷之外，還存在另一類躍遷過程：由價(jià)帶頂向具有不同值的導(dǎo)帶底的躍遷。 v在這種躍遷過程中，電子的準(zhǔn)動(dòng)量變化很大。由于光子的動(dòng)量很小，所以必須吸收或發(fā)射聲子才能滿足準(zhǔn)動(dòng)量守恒。設(shè)聲子的波矢為，略去光子的動(dòng)量，準(zhǔn)動(dòng)量守恒由下式給出：v v如果用表示聲子的能量，則能量守恒可表示為 kkq=EEEfip=光子波矢電子波矢kcm=25104121081acm吸收系數(shù)v在以上二式中，正號(hào)和負(fù)號(hào)分別對(duì)應(yīng)于吸收和發(fā)射聲子的過程。v這種除了吸收光子之外還要吸收或發(fā)射聲于的躍遷，稱為間接躍遷或非豎直躍遷。相應(yīng)的材料稱為間接能隙半導(dǎo)體材料。v由于聲子的能量很小，一般不超過百分之

7、幾電子伏特，所以間接帶間躍遷所涉及的光子能量仍然接近禁帶寬度。 wwwwww=AEEEkTAEEEkTEAEEEkTEEgPpgPppgPpPp()exp(/)()exp(/)()exp(/)22111 E EE 0 E gggg吸收譜線v不難看出，如果以 為縱坐標(biāo)，以光子能量為橫坐標(biāo)，則吸收譜線應(yīng)為兩條直線v對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)上的兩個(gè)截距，分別為Eg-Ep和Eg+Ep。v由此可以求出禁帶寬度和聲子的能量。 間接躍遷材料的缺點(diǎn)v實(shí)際上在直接禁帶半導(dǎo)體中，涉及聲子發(fā)射和吸收的間接躍遷也可能發(fā)生，即直接禁帶半導(dǎo)體中也會(huì)發(fā)生間接躍遷。同樣，在間接禁帶半導(dǎo)體中，也可能發(fā)生直接躍遷。但它們不是能量最低的帶間躍遷

8、。v間接躍遷要求同時(shí)有光子和聲子參加，是一個(gè)二級(jí)過程，躍遷幾率要比直接躍遷的躍遷幾率小得多，相應(yīng)的吸收系數(shù)也較小。v因?yàn)楣怆娖骷话憔婕半娮拥能S遷，因此間接能隙半導(dǎo)體材料一般不適宜作為光電材料，尤其不能作為發(fā)光材料。激子吸收v在低溫時(shí)發(fā)現(xiàn)，某些晶體在本征吸收連續(xù)光譜區(qū)的低能側(cè)靠近吸收限附近存在一系列吸收線，并且對(duì)應(yīng)于這些吸收線不伴隨有光電導(dǎo)。v起因：激子吸收電子空穴對(duì)）Emm neVexnr= 113622e*.()自由載流子吸收v當(dāng)入射光的波長較長，不足以引起帶間躍遷或形成激子時(shí)，半導(dǎo)體中仍然存在光吸收，而且吸收系數(shù)隨著波長的增加而增加。這種吸收是自由載流子在同一能帶內(nèi)的躍遷引起的，稱為自

9、由截流子吸收。 v載流子對(duì)電磁能量的吸收顯著地依賴于頻率（或波長）?？梢宰C明，自由載流子的吸收系數(shù) 。v自由載流子吸收也需要聲子參與，因此也是二級(jí)過程，與接躍遷過程類似。但這里所涉及的是載流子在同一帶內(nèi)的躍遷。 2子帶間的躍遷v電子在價(jià)帶或?qū)е凶訋В╯ub-band）之間的躍遷。在這種情況下，吸收曲線有明顯的精細(xì)結(jié)構(gòu)，而不同于由自由載流子吸收系數(shù)隨波長單調(diào)增加的變化規(guī)律。v多半導(dǎo)體的價(jià)帶在價(jià)帶頂附近由三個(gè)子帶組成，不同子帶間可以發(fā)生三種引起光吸收的躍遷過程。v（a）從輕空穴帶到重空穴帶的躍遷v（）從分裂的帶到重空穴帶的躍遷v（c）從分裂的帶到輕空穴帶的躍遷。雜質(zhì)吸收v雜質(zhì)可以在半導(dǎo)體的禁帶中

10、引入雜質(zhì)能級(jí)，例如Ge和Si中的III族和V族雜質(zhì)。占據(jù)雜質(zhì)能級(jí)的電子或空穴的躍遷可以引起光吸收，這種吸收稱為雜質(zhì)吸收，可以分為下面三種類型： 吸收光子可以引起中性施主上的電子從基態(tài)到激發(fā)態(tài)或?qū)У能S遷； 中性受主上的空穴從基態(tài)到激發(fā)態(tài)或價(jià)帶的躍遷； 電離受主到電離施主間的躍遷；v由于雜質(zhì)能級(jí)是束縛態(tài)，因而動(dòng)量沒有確定的值，所以不必 滿足動(dòng)量守恒的要求，因此躍遷幾率較大。電子在雜質(zhì)能級(jí)及雜質(zhì)能級(jí)與帶間的電子在雜質(zhì)能級(jí)及雜質(zhì)能級(jí)與帶間的躍遷躍遷雜質(zhì)能級(jí)吸收示意圖晶格振動(dòng)吸收v由于光子和晶格振動(dòng)的相互作用引起的光吸收稱為晶格振動(dòng)吸收。v晶格振動(dòng)能量一般在紅外區(qū)。v對(duì)于離子晶體或具有離子性的化合物半

11、導(dǎo)體，紅外光的高頻電場(chǎng)能使正負(fù)離子沿相反的方向位移，即激發(fā)長光學(xué)波振動(dòng)，這種振動(dòng)造成交變的電偶極矩，導(dǎo)致光的吸收。v 在元素半導(dǎo)體Ge和Si中，雖然不存在固有電偶極矩，但仍能觀察到晶格振動(dòng)吸收。實(shí)際上，這是一種二級(jí)效應(yīng)，由于紅外光產(chǎn)生的電場(chǎng)感應(yīng)出電偶極矩，此電偶極矩反過來又與電場(chǎng)耦合引起光吸收。v 光生伏特效應(yīng)-Photovoltaicv 用適當(dāng)波長的光照射非均勻半導(dǎo)體，例如P-N結(jié)和金屬-半導(dǎo)體接觸等，由于勢(shì)壘區(qū)中內(nèi)建電場(chǎng)（也稱為自建電場(chǎng)）的作用，電子和空穴被分開，產(chǎn)生光生電流或者光生電壓。v這種由內(nèi)建電場(chǎng)引起的光-電效應(yīng)，稱為光生伏特效應(yīng)。v利用光電效應(yīng)可以制成太陽能電池，直接把光能轉(zhuǎn)換成

12、電能，這是它最重要的實(shí)際應(yīng)用。另外，光生伏特效應(yīng)也廣泛應(yīng)用于光電探測(cè)器。下面以P-N結(jié)為例介紹這種效應(yīng)。 P-N結(jié)中光生伏特效應(yīng)的物理過程v光子能量大于禁帶寬度，結(jié)較淺，因而光激發(fā)在結(jié)兩邊都能產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。vP-N結(jié)的勢(shì)壘區(qū)內(nèi)存在較強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)，結(jié)區(qū)附近的少子很容易在這個(gè)電場(chǎng)的作用下進(jìn)入另一區(qū)，成為多數(shù)載流子，從而在P區(qū)形成空穴的積累，在N區(qū)形成電子的積累。v這時(shí)如果把P-N的兩端接上負(fù)載，就會(huì)有電流通過，這時(shí)PN結(jié)就成為光電池，在其內(nèi)部形成由N區(qū)流向P區(qū)的光生電流。v如果外回路開路，則上述的電荷積累將導(dǎo)致PN結(jié)兩端形成電勢(shì)差，使勢(shì)壘高度降低為，產(chǎn)生正向電流。當(dāng)光生電流和正向電流相等時(shí)，P

13、N兩端建立起穩(wěn)定的電勢(shì)差Voc（P區(qū)相對(duì)N區(qū)是正的），這也就是光電池的開路電壓。 幾種光伏結(jié)構(gòu)的能帶圖光照前后情況光電池的I-V特性光電池的電流電壓特性 v光電池的伏安特性為v其中Iph為光電流，I為流過負(fù)載的電流，Is為反向飽和電流。=1lnsphIIIekTV太陽能電池的4個(gè)參數(shù)v開路電壓：如果外電路開路，則稱為光電池的開路電壓。v短路電流：如果將外電路短路，則V=0v填充因子F：光照時(shí)I-V曲線IV象限所圍面積中最大的矩形面積與Voc、Isc所圍的矩形面積之比。=1lnsphIIekTVphscII=轉(zhuǎn)換效率：光照時(shí)I-V曲線IV象限所圍面積中最大的矩形面積與光功率之比scocmmIVI

14、VF =phmmPIV=半導(dǎo)體發(fā)光 v 發(fā)光是光吸收的逆過程。它起源于電子在能級(jí)之間的躍遷。v發(fā)光反映了：電子在相關(guān)能級(jí)的分布激發(fā)態(tài)的壽命載流子弛豫途徑能級(jí)密度及占有等情況。發(fā)光的五個(gè)特征參量 v光譜：發(fā)光強(qiáng)度隨波長變化的規(guī)律。它反映了發(fā)光的來源、躍遷中的始態(tài)及未態(tài)、躍遷幾率等。v效率：光致發(fā)光中有量子效率、光度效率及能量效率三種表示方法。實(shí)用中光度效率（流明/瓦）比較流行。這是因?yàn)橛昧髅鱽肀硎景l(fā)光強(qiáng)度時(shí)計(jì)及了眼睛的靈敏度。發(fā)光強(qiáng)度既和發(fā)光效率有關(guān)，又和輸入能量有關(guān)。v發(fā)光期間或激發(fā)態(tài)壽命：它表示從激發(fā)停止起，發(fā)光在多長的期間內(nèi)衰減下來。對(duì)于分立中心而言，發(fā)光的衰減符合指數(shù)規(guī)律，但很多情況并非

15、如此。對(duì)于復(fù)合發(fā)光，情況更復(fù)雜。衰減曲線對(duì)了解發(fā)光動(dòng)力學(xué)是十分重要的。v偏振：它說明發(fā)光是各向同性的，還是各向異性的。這反映發(fā)光中心的結(jié)構(gòu)，它與基質(zhì)晶體的對(duì)稱性有關(guān)。v相干性：一般情況下，發(fā)光是非相干的，而激光則是相干的。因?yàn)榘l(fā)光是自發(fā)發(fā)射，而激光是感生發(fā)射。從相干性能可以估計(jì)受激發(fā)射的成分。 發(fā)光的種類名 稱光致發(fā)光陰極射線發(fā)光電致發(fā)光韌致輻射黑體輻射化學(xué)發(fā)光生物發(fā)光閃 電起 因吸收入射光的能量吸收電子束的能量真空放電或電場(chǎng)激發(fā)帶電粒子加速運(yùn)動(dòng)發(fā)熱化學(xué)反應(yīng)熱生物組織中的化學(xué)反應(yīng)正負(fù)電荷碰撞絕緣體與半導(dǎo)體發(fā)光的異同v 絕緣體及半導(dǎo)體都可產(chǎn)生發(fā)光。v絕緣體的發(fā)光：發(fā)光中心，即靠摻進(jìn)合適的雜質(zhì)。v

16、半導(dǎo)體發(fā)光：主要依靠能帶中載流子的復(fù)合，但也可依靠分立發(fā)光中心。v絕緣體的發(fā)光更多地反映發(fā)光中心的性質(zhì)，而半導(dǎo)體的發(fā)光既可反映雜質(zhì)的性質(zhì)，又可反映能帶的性質(zhì)。 發(fā)光中心發(fā)光-色心v發(fā)光中心是雜質(zhì)和缺陷引起的位于禁帶中的局域電子態(tài)。因?yàn)檐S遷時(shí)不需要遵守動(dòng)量守恒規(guī)則，因而發(fā)光效率較高。v在發(fā)光材料中常常要摻進(jìn)少量雜質(zhì)，其目的有：1、形成發(fā)光中心，提高發(fā)光中心濃度2、形成淬滅中心，縮短發(fā)光余輝，提高器件工作速度。3、改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型。v常用的雜質(zhì)：1、過渡族金屬離子；v2、稀土離子；3、施主或受主；v4 、 等 電 子 雜 質(zhì) ： 和 基 質(zhì) 原 子 （ 或 離 子 ） 的 外 層 電 子 數(shù)

17、相同的雜質(zhì)，但電負(fù)性相差較大的雜質(zhì)；v5、類汞離子。v*主要用于絕緣體，但也可由于半導(dǎo)體材料，如硅中摻鉺等。復(fù)合發(fā)光v 半導(dǎo)體發(fā)光主要依靠復(fù)合發(fā)光。復(fù)合過程包括：1、導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴復(fù)合發(fā)光；2、導(dǎo)帶電子和雜質(zhì)上的空位復(fù)合發(fā)光；3、雜質(zhì)上的電子和價(jià)帶空穴復(fù)合發(fā)光。 間接能帶半導(dǎo)體的發(fā)光v如果是間接能帶半導(dǎo)體，那么電子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)時(shí)除了滿足能量守恒外，還必需滿足動(dòng)量守恒，因此躍遷幾率較低，即發(fā)光效率很低。v因?yàn)楣枋情g接能帶半導(dǎo)體，因此直接用硅作為發(fā)光器件效率很低。這就是硅在光電方面應(yīng)用時(shí)遇到的最大困難。v改進(jìn)措施：1、摻雜形成發(fā)光中心，如摻Er；構(gòu)成超晶格，如Si-SiO2，GeSi，

18、硅量子點(diǎn)等。邊緣發(fā)射 v 在激發(fā)能量和禁帶寬度接近時(shí)，可以看到能量接近禁帶寬度的輻射。它們?cè)诘蜏叵率蔷€光譜，包括：1、激子和束縛激子2、等電子陷阱3、施主-受主對(duì)的發(fā)光等。激子復(fù)合發(fā)光v激子是電子-空穴對(duì)，在一定的條件下電子和空穴復(fù)合發(fā)射出能量接近禁帶寬度的光。2nREhg=施主-受主對(duì)的發(fā)光 v當(dāng)施主與受主靠得很近，以致它們的波函數(shù)重疊時(shí)，電子可以通過隧道效應(yīng)和空穴復(fù)合發(fā)光。v這一現(xiàn)象是1956年P(guān)rener 及Williams 為解釋ZnS的發(fā)光而發(fā)現(xiàn)的。后來證實(shí)它在很多半導(dǎo)體的發(fā)光中都是存在的。它的發(fā)光的光子的能量是：e：介電常數(shù)，R是施主與受主之間所有可能的晶格距。 E REEEeRg

19、DA( )()=2e等電子雜質(zhì)與束縛激子v和 基 質(zhì) 原 子 （ 或 離 子 ） 的 外 層 電 子 數(shù)相同的雜質(zhì)，但電負(fù)性相差較大的雜質(zhì)稱。v如 ZnTe中的O，GaP中的N，CdS電Te，GaP中Bi。v俘獲了電子（成空穴）的等電子陷阱又通過庫侖相互作用吸引一個(gè)空穴（或電子）形成束縛激子。v摻入等電子雜質(zhì)對(duì)提高間接帶材料的發(fā)光效率十分有效，這是提高發(fā)光效率的一種有實(shí)用價(jià)值的方法。 等電子雜質(zhì)提高發(fā)光效率的物理本質(zhì)v測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系DPDqh。如果一個(gè)粒子的空間位置受到約束，那么它的動(dòng)量就測(cè)量不準(zhǔn)，即動(dòng)量沒有確定的值。v載流子被等電子雜質(zhì)束縛在很小范圍，因此其動(dòng)量可以在較大范圍里變化，從而可以比較

20、容易地滿足躍遷中的動(dòng)量守恒的要求而無需聲子的參加，因而提高了躍遷幾率。v因?yàn)榈入娮酉蓦A的作用是短程的，它對(duì)載流子的束縛能很小。因此它引起的發(fā)光的波長就較短。v短波長對(duì)提高存儲(chǔ)密度有很大的好處。 量子點(diǎn)光電器件 測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系DPDqh。如果一個(gè)粒子的空間位置受到約束，那么它的動(dòng)量就測(cè)量不準(zhǔn)，即動(dòng)量沒有確定的值。 載流子被等電子雜質(zhì)束縛在很小范圍，因此其動(dòng)量可以在較大范圍里變化，從而可以比較容易地滿足躍遷中的動(dòng)量守恒的要求而無需聲子的參加，因而提高了躍遷幾率。 通過量子約束效應(yīng)，可以改變光子能量（藍(lán)移） 多孔硅、納米硅、NCS量子阱，B位錯(cuò)環(huán) Under sunlight Under UV ligh

21、tPorous silicon made in 1992 in SKLSM場(chǎng)致發(fā)光 v場(chǎng)致發(fā)光：固體在電場(chǎng)的作用下將電能直接轉(zhuǎn)換為光能的發(fā)光現(xiàn)象，也稱為電致發(fā)光。v場(chǎng)致發(fā)光的種類：按結(jié)構(gòu)分類：粉末（II-VI族化合物）簿膜（II-VI族化合物）結(jié)型（III-V族）v按激發(fā)方分類：交流電場(chǎng)激發(fā)直流電場(chǎng)激發(fā)交流粉末場(chǎng)致發(fā)光光源 v 交流粉末場(chǎng)致發(fā)光光源的結(jié)構(gòu)如右圖所示。該器件的發(fā)光材料（通常為ZnS:Cu）懸浮在介電系數(shù)很高、透明而又絕緣的膠合介質(zhì)中，并被兩電極所挾持。背電極由金屬導(dǎo)電膜制作，透明的SnO導(dǎo)電膜作為另一電極，高介電系數(shù)的TiO反射層不僅能有效地反射光，而且還有防止擊穿作用。當(dāng)在兩電

22、極間加上交變電場(chǎng)時(shí)，粉未就會(huì)產(chǎn)生場(chǎng)致發(fā)光。 交流場(chǎng)致發(fā)光光源的性能v亮度與所加的交流電壓幅度和頻率有關(guān)。在較低頻率下，亮度隨頻率線性增加。頻率高到一定范圍，亮度就出現(xiàn)飽和趨勢(shì)。飽和頻率的高低隨具體發(fā)光材料的種類而變。對(duì)同一種發(fā)光材料，電壓越高，飽和頻率也越高。頻率一定時(shí)，發(fā)光強(qiáng)度與電壓的關(guān)系為v發(fā)光亮度隨時(shí)間而變化，即發(fā)光波形。場(chǎng)致發(fā)光的余輝極短，電壓一去掉，發(fā)光馬上消失。脈沖激發(fā)下，場(chǎng)致發(fā)光的反應(yīng)速度很快，上升時(shí)間常數(shù)比衰減時(shí)間小得多。LLVV=001 2exp/交流場(chǎng)致發(fā)光光源的優(yōu)缺點(diǎn)v優(yōu)點(diǎn)： 可固體化、平板化；工作可靠、安全、壽命長；占地小、易于安裝；面積與形狀幾乎不受限制，可以通過光刻

23、、掩膜制成任意發(fā)光圖形；是冷光源，無紅外輻射，隱蔽性好；視角大，光線柔和，易于觀察；功耗低，約幾毫瓦厘米2；發(fā)光易于電控。v缺點(diǎn)： 亮度較低（一般使用亮度為50cd/m2左右）、驅(qū)動(dòng)電壓高（通常需上百伏）、老化快。 直流粉未場(chǎng)致發(fā)光光源v結(jié)構(gòu)：與交流粉未場(chǎng)致發(fā)光光源類似。但其發(fā)光涂層是導(dǎo)電的CuxS，而不是大量分布在中間的絕緣膠合介質(zhì)。v激發(fā)：前者依靠交變電場(chǎng)激發(fā)，而直流場(chǎng)致發(fā)光吸收的能量等于通過發(fā)光體的傳導(dǎo)電流與實(shí)際施加在發(fā)光體上電壓的乘積。v要求：發(fā)光體與電極有良好的接觸。v使用要求：使用前需在兩電極上施加短暫的高壓脈沖，使銅離子從緊挨著陽極的發(fā)光體表面上失落，形成一高阻的薄ZnS層。v工

24、作電壓較低，但由于大部分電壓降落在高阻層上，因此ZnS也能發(fā)光。v 直流粉末場(chǎng)致發(fā)光源的優(yōu)缺點(diǎn)v優(yōu)點(diǎn)：亮度高，在約100V的直流電壓激發(fā)下，發(fā)光亮度高達(dá)300cd/m2，且亮度隨電壓上升而迅速上升。制造工藝簡(jiǎn)單，成本低，外部驅(qū)動(dòng)方便。v缺點(diǎn)：效率低，功率轉(zhuǎn)換效率只有0.1%，而且壽命較短（約1000小時(shí)）。 薄膜場(chǎng)致發(fā)光v將固體發(fā)光材料制成薄膜的形式，在電場(chǎng)作用下出現(xiàn)的發(fā)光現(xiàn)象，稱為薄膜場(chǎng)致發(fā)光。v薄膜場(chǎng)致發(fā)光光源與粉未場(chǎng)致發(fā)光光源在形式上極其相似，發(fā)光層夾在兩個(gè)平板電極之間，如同一個(gè)平板電容器。兩個(gè)電極中，至少有一個(gè)是透明的或半透明的，如導(dǎo)電玻璃等，當(dāng)在兩電極上加電壓時(shí)，薄膜發(fā)光并通過它透射

25、出來。 v薄膜場(chǎng)致發(fā)光也有直流和交流兩種。交流薄膜場(chǎng)致發(fā)光大源是在發(fā)光膜層與電極之間增加一層絕緣層，因此只在交流電壓激發(fā)下才發(fā)光。 薄膜場(chǎng)致發(fā)光的特點(diǎn)v差別：薄膜場(chǎng)致發(fā)光的突出特點(diǎn)是沒有介質(zhì)，它僅僅由ZnS多晶摻Mn后彼此聯(lián)接而成。v薄膜發(fā)光體可與電極直接接觸，加上膜很薄（約1mm左右），因而可獲得低壓直流場(chǎng)致發(fā)光，一般工作電壓只要十幾伏至幾十伏。 v由于膜的厚度很薄，又沒有介質(zhì)，顆粒均勻細(xì)密，因此薄膜場(chǎng)致發(fā)光有很高的分辨率，成象質(zhì)量高。v發(fā)光亮度隨電壓變化迅速，顯示對(duì)比度好。v直流簿膜發(fā)光器件的驅(qū)動(dòng)電壓低，可直接用集成電路驅(qū)動(dòng)。 器件厚度對(duì)分辨率的影響發(fā)光二極管v發(fā)光二極管就是一個(gè)由p型和N

26、型半導(dǎo)體組合成的二極管。少數(shù)載流子在PN結(jié)區(qū)的注入與復(fù)合引起發(fā)光。發(fā)光二極管也稱作注入式場(chǎng)致發(fā)光光源。v當(dāng)加上正向偏壓時(shí)，在外電場(chǎng)作用下，p區(qū)的空穴和n區(qū)的電子就向?qū)Ψ綌U(kuò)散運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成少數(shù)載流子的注入，從而在PN結(jié)附近產(chǎn)主導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的復(fù)合。v電子和空穴的每一次復(fù)合，將釋放出與材料性質(zhì)有關(guān)的能量（Eg），這個(gè)能量會(huì)以熱能、光能、或部分熱能和部分光能的形式輻射出來。發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu) 發(fā)光二極管的特性參數(shù) v量子效率：輸入和輸出能量之間的比值。1、注入的載流子不見得都復(fù)合；可能通過結(jié)區(qū) 的 隧 道 效 應(yīng) 和 其 他 的 形 式 流 走 。2、復(fù)合后也不定都發(fā)光。可能以晶格振動(dòng)（熱能）或其他形

27、式的能量（如俄歇躍遷），即所謂的無輻射復(fù)合。v內(nèi)量子效率：發(fā)光復(fù)合在整個(gè)過程中占的比例。v外量子效率：產(chǎn)生的光子數(shù)并不能全部射出器件之外。向外界發(fā)射的光子能量占輸入能量的比例就是外量子效率。 提高外量子效率的途徑v某些發(fā)光二極管材料的內(nèi)量子效率很高，接近100，但外量子效率卻很低。v主要原因：所用半導(dǎo)體材料的折射率較高，如GaAs的折射率為3.6，因此發(fā)生全內(nèi)反射的臨界角很小，大部輻射到材料與空氣界面上光幾乎全部被反射回去，故光能損失很大。v為 了 減 少 全 反 射 損 失 ， 通 常 采 用 兩 種 方 法 ：1、把半導(dǎo)體與空氣的交界面做成半球形，以便讓絕大部分的光線以小于臨界角的方向射出

28、表面。v2、把PN結(jié)密封在透明的高折射率的塑料中。這種結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體空氣界面相比，光輸出約增大三倍。v3、采用鑄塑方法把塑料做成半球形，進(jìn)一步減少光能損失。提高外量子效率的實(shí)用方法發(fā)光與電流的關(guān)系v發(fā)光二極管的電流-電壓特性和普通的二板管大體一樣。v對(duì)于正向特性，存在一個(gè)開啟電壓。電壓小于開啟以前幾乎沒有電流，電壓一超過開啟點(diǎn)就顯示出歐姆導(dǎo)通特性，工作電流一般為550mA。反向擊穿電壓一般在5V以上。v發(fā)光二極管的光出射度與電流密度近似成正比。v發(fā)光二極管的光出射度還強(qiáng)烈地依賴于工作溫度。當(dāng)環(huán)境溫度較高或工作電流過大時(shí)，由于熱損耗，使光出射度不再繼續(xù)隨著電流成比例提高，出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。 光譜特性v

29、發(fā)光二極管的發(fā)光光譜直接決定著它的發(fā)光顏色。目前能制造出紅、綠、黃、橙、藍(lán)、紅外等各種顏色的發(fā)光二極管，發(fā)光光譜半寬度約為2030nm。v隨著結(jié)溫的上升，峰值波長將隨溫度增加漂向長波方向漂移，即發(fā)射波長具有正的溫度系數(shù)。 v為什么？響應(yīng)時(shí)間v發(fā)光二極管的響應(yīng)時(shí)間是表示反應(yīng)速度的一個(gè)重要參數(shù)，尤其在脈沖驅(qū)動(dòng)或電光調(diào)制時(shí)顯得十分重要。v響應(yīng)時(shí)間是指接通或斷開電源時(shí)發(fā)光二極管啟亮或熄滅的時(shí)間。直接躍遷的材料的響應(yīng)時(shí)間僅幾個(gè)納秒，而間接躍遷材料的響應(yīng)時(shí)間約為100納秒。為什么？v發(fā)光二級(jí)管可利用交流供電或脈沖供電獲得調(diào)制光或脈沖光，調(diào)制頻率可達(dá)幾十兆赫。這種直接調(diào)制技術(shù)使發(fā)光二極管在相位測(cè)距儀、能見度

30、儀及短距離通訊中獲得應(yīng)用。 工作壽命v發(fā)光二極管的壽命一般是很長的，在電流密度小于1A/cm2的情況下，壽命可達(dá)106小時(shí)。即可連續(xù)工作一百余年，這是任何光源均無法與之競(jìng)爭(zhēng)的。v發(fā)光二極管的亮度隨著工作時(shí)間的增加而衰減，這就是老化。老化的快慢與電流密度有關(guān)。 其他光電器件v光電導(dǎo)v光敏二極管v光敏三極管v光耦合器件v光波導(dǎo)v光存儲(chǔ)v光放大v光調(diào)制v邏輯功能增益tdVNNGphem=DD=2光電導(dǎo)型光探測(cè)器光敏二極管v光敏二極管的原理基本上和光電池相同，當(dāng)光照射到PN結(jié)上時(shí)，流過PN結(jié)的電流會(huì)發(fā)生變化。因此，通過測(cè)量流過PN結(jié)的電流即可測(cè)量出入射光的強(qiáng)度。光敏三極管v光敏三極管是一個(gè)有基區(qū)但沒有

31、基極的三極管。基區(qū)留有窗口讓光通過。v當(dāng)有光照射到基區(qū)上時(shí)，有構(gòu)成be的PN結(jié)上有光生電流產(chǎn)生，此電流經(jīng)三極管放大后流過負(fù)載。光耦合器件v 光耦合器件是將發(fā)光二極管和光電接收元件組合而構(gòu)成的一種器件，它是以光子作為傳輸媒介，將輸入端的電信號(hào)耦合到輸出端，但輸入端和輸出端在電路上是隔離的。v光電耦合器件具有體積小、壽命長、抗干擾能力強(qiáng)和輸入輸出間絕緣性能好，單向傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，因而在工業(yè)控制等方面得到廣泛的應(yīng)用。 負(fù)阻發(fā)光器件v負(fù)阻發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)及伏安特性如下圖所示，它相當(dāng)于兩個(gè)PN結(jié)串在一起，但可以等效為兩個(gè)三極管。其伏安特性曲線呈S型。工作原理v當(dāng)加上如圖所示的電壓時(shí)，由于PN結(jié)J2反向，故幾

32、乎無電流流過，當(dāng)偏壓提高到J2的擊穿電壓時(shí)，電流開始上升。由于P1N1P2和N1P2N2具有晶體管放大作用，整個(gè)體系的電流倍增率大于1，于是電流急增，同時(shí)壓降迅速降低。v實(shí)際工作時(shí)，在負(fù)阻發(fā)光管上預(yù)先加上直流偏壓，它低于負(fù)阻的閉鎖電壓。v當(dāng)要選通時(shí)，只需在控制極上加一幅度較大的脈沖電壓，負(fù)阻發(fā)光管就可以呈“通”狀態(tài)，負(fù)阻發(fā)光管上的電壓降為V0。負(fù)阻發(fā)光管此時(shí)可以發(fā)出很明亮的光，并且一直保持著，即能把電信號(hào)用發(fā)光的形式“記住”。v要擦除這記住的信號(hào)，除非電壓低于維持電壓。也可在控制極上加反向脈沖來擦除，其幅度應(yīng)大于所加的正向電壓。v當(dāng)有光照時(shí)，脈沖開啟電壓可以降低，甚至直接用光照就可使負(fù)阻發(fā)光管

33、開啟。這樣可以用一種波長的光把信號(hào)寫入，使負(fù)阻光管“記住”，并通過負(fù)阻發(fā)光器件發(fā)出另一波長和強(qiáng)度的光進(jìn)行讀出。v這一性能可用于光存儲(chǔ)、光放大、光波長轉(zhuǎn)換等。半導(dǎo)體激光器v在異質(zhì)結(jié)應(yīng)用中已經(jīng)提到。v 1962年，從由液氮冷卻的正向偏置的GaAs 的PN結(jié)得到了8100埃的脈沖輻射。v不久之后，又有人宣稱在GaAs1-XPx混合晶體的結(jié)中取得了7100埃的激光作用。v目前由半導(dǎo)體激光器發(fā)出的相干幅射的波長已經(jīng)從紅外進(jìn)入紫外范圍。 產(chǎn)生激光的條件和過程v 激光器一般是由工作物質(zhì)、諧振腔和泵浦源組成。v利用泵浦源能量將工作物質(zhì)中的粒子從低能態(tài)激發(fā)到高能態(tài)，使處于高能態(tài)的粒子數(shù)多于處于低能態(tài)的粒子數(shù)，構(gòu)