微電子學(xué)概論-ch光電子器件ppt課件

1、 光電子器件v光電子器件：光子和電子共同作用的半導(dǎo)體器件v發(fā)光器件：將電能轉(zhuǎn)換為光能v發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，縮寫為LED)v半導(dǎo)體激光器v光電探測器：利用電子學(xué)方法檢測光信號的v太陽能電池：將光能轉(zhuǎn)換為電能 OUTLINE固體中的光吸收和光發(fā)射固體中的光吸收和光發(fā)射半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器光電探測器光電探測器半導(dǎo)體太陽能電池半導(dǎo)體太陽能電池 v光具有波粒二象性v 在固體中，光子和電子之間的相互作用有三種基本過程：v光吸收v自發(fā)發(fā)射v受激發(fā)射兩個能級之間的三種基本躍遷過程兩個能級之間的三種基本躍遷過程(a) 吸收吸收 (b) 自發(fā)發(fā)

2、射自發(fā)發(fā)射 (c) 受激發(fā)射受激發(fā)射 n光電效應(yīng)光電效應(yīng)n 用光照射某一物體，可以看做用光照射某一物體，可以看做是一連串能量是一連串能量n光子轟擊在這個物體上，此時光子光子轟擊在這個物體上，此時光子能量就傳遞給能量就傳遞給n電子，并且是一個光子的全部能量電子，并且是一個光子的全部能量一次性地被一一次性地被一n個電子所吸收根據(jù)愛因斯坦假個電子所吸收根據(jù)愛因斯坦假設(shè)），電子得到設(shè)），電子得到n光子傳遞的能量后其能態(tài)發(fā)生變化，光子傳遞的能量后其能態(tài)發(fā)生變化，從而使受光從而使受光n照射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)，把照射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)，把這種物理現(xiàn)象這種物理現(xiàn)象n稱為光電效應(yīng)。稱為光電效應(yīng)。n光吸收

3、內(nèi)光電效應(yīng)）光吸收內(nèi)光電效應(yīng)）n光發(fā)射外光電效應(yīng)）光發(fā)射外光電效應(yīng)） 當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。光電導(dǎo)效應(yīng) 在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，引起載流子的激發(fā)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。光吸收內(nèi)光電效應(yīng)）光吸收內(nèi)光電效應(yīng)） 過程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時，價帶中的電子受過程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時，價帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子

4、和價帶帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。導(dǎo)帶價帶禁帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價電子所占能帶Eg 光生伏特效應(yīng) 在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。 基于該效應(yīng)的光電器件有半導(dǎo)體太陽能電池。 以PN結(jié)為例，光線照射PN結(jié)時，設(shè)光子能量大于禁帶寬度Eg，使價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對，在耗盡層內(nèi)電場的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側(cè)，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光電動勢。I光 光電池的工作原理示意圖 P N 固體中的光吸收過程固

5、體中的光吸收過程本征吸收(a,b)非本征吸收(c) 激子吸收 自由載流子吸收晶格吸收雜質(zhì)吸收 在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光電子。叫做光電子。 基于外光電效應(yīng)的光電器件有半導(dǎo)體發(fā)光二級基于外光電效應(yīng)的光電器件有半導(dǎo)體發(fā)光二級管、光電管、光電倍增管等。管、光電管、光電倍增管等。光發(fā)射的前提條件：由于電子從高能級向低能級躍遷光發(fā)射的前提條件：由于電子從高能級向低能級躍遷時，釋放出的能量以光子的形式存在，當(dāng)電子處于高時，釋放出的能量以光子的形式存在，當(dāng)電子處

6、于高能級時，系統(tǒng)往往處于不穩(wěn)定狀態(tài)激發(fā)能級）。能級時，系統(tǒng)往往處于不穩(wěn)定狀態(tài)激發(fā)能級）。光發(fā)射外光電效應(yīng)）光發(fā)射外光電效應(yīng)） 光發(fā)射的方式光發(fā)射的方式n自發(fā)發(fā)射n受激發(fā)射n發(fā)光器件n 發(fā)光二極管：靠注入載流子自發(fā)復(fù)合而引起的自發(fā)輻射；非相干光n半導(dǎo)體激光器則是在外界誘發(fā)的作用下促使注入載流子復(fù)合而引起的受激輻射；相干光，具有單色性好、方向性強、亮度高等特點n n受激輻射和自發(fā)輻射產(chǎn)生的光的特點不同受激輻射和自發(fā)輻射產(chǎn)生的光的特點不同n 受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同，這種光稱為相干傳播方向與入射光相同，這種光稱為相干光。光。n 自發(fā)輻射光是

7、由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)輻射光是由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)躍遷產(chǎn)生的，其頻率和方向分布在一自發(fā)躍遷產(chǎn)生的，其頻率和方向分布在一定范圍內(nèi)，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種定范圍內(nèi)，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種光稱為非相干光。光稱為非相干光。 n半導(dǎo)體中導(dǎo)致光輻射的非平衡載流子復(fù)合非平衡載流子：處于激發(fā)狀態(tài)的少數(shù)載流子。半導(dǎo)體中導(dǎo)致光輻射的幾種非平衡載流子復(fù)合過程 OUTLINE固體中的光吸收和光發(fā)射半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體激光器光電探測器半導(dǎo)體太陽能電池 v半導(dǎo)體電致發(fā)光有著悠久的歷史v1907年觀察到電流通過硅檢波器時發(fā)黃光現(xiàn)象v1923年在碳化硅檢波器中觀察到類似的現(xiàn)象v1955年觀察到III-V族

8、化合物中的輻射v1961年觀察到磷化鎵pn結(jié)的發(fā)光v60年代初期GaAs晶體制備技術(shù)的顯著發(fā)展v1962年制成GaAs發(fā)光二極管和GaAs半導(dǎo)體激光器v異質(zhì)結(jié)的發(fā)展對結(jié)型發(fā)光器件性能的提高也起了很大的推進(jìn)作用半導(dǎo)體發(fā)光二級管 半導(dǎo)體發(fā)光二級管n工作原理：（電致發(fā)光器件）n在正向偏置的PN結(jié)中，依靠非平衡少數(shù)載流子注入作用，使電子和空穴分別注入p區(qū)和n區(qū)，非平衡少子與多子復(fù)合時，以輻射光子的形式將多余能量轉(zhuǎn)變成光能。n非平衡載流子：處于激發(fā)狀態(tài)的少數(shù)載流子。n發(fā)光過程：n正向偏置下的載流子注入n復(fù)合輻射n光能傳輸 正向偏置下的載流子注入及復(fù)合輻射（以同質(zhì)PN結(jié)為例）正向偏置時的pn結(jié)能帶圖 n擴(kuò)

9、散電流n導(dǎo)致發(fā)光二極管輻射復(fù)合的主要電流。n輻射效率內(nèi)量子效率）n產(chǎn)生輻射的電流在總擴(kuò)散電流中的比例n與pn結(jié)內(nèi)部的摻雜濃度有關(guān)衡載流子數(shù)單位時間內(nèi)注入的非平數(shù)單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光子r n外量子效率n與內(nèi)量子效率相比，其值非常小n外電子效率對二極管的放光效率非常關(guān)鍵發(fā)光二極管中PN結(jié)上的光子發(fā)射總光子數(shù)光子數(shù)半導(dǎo)體中實際發(fā)射出的發(fā)光二極管中pn結(jié)上的光子發(fā)射示意圖 半導(dǎo)體發(fā)光二級管的材料n具備的條件：n具有合適的禁帶寬度Egn可獲得電導(dǎo)率高的n型和p型晶體n晶體的完美性好n發(fā)光的輻射復(fù)合幾率大 OUTLINE固體中的光吸收和光發(fā)射半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體激光器光電探測器半導(dǎo)體太陽能電池 v半導(dǎo)體發(fā)

10、射激光，即要實現(xiàn)受激發(fā)射，必須滿足下面三個條件：v通過施加偏壓等方法將電子從能量較低的價帶激發(fā)到能量較高的導(dǎo)帶，建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，以產(chǎn)生受激輻射v形成光諧振腔，使受激輻射光子增生，產(chǎn)生受激振蕩，導(dǎo)致產(chǎn)生的激光沿諧振腔方向發(fā)射v滿足一定的閾值條件，使電子增益大于電子損耗，以產(chǎn)生自激振蕩 條件1：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布設(shè)在單位物質(zhì)中低能級電子數(shù)和高能級電子數(shù)分別為N1和N2物質(zhì)在正常狀態(tài)下N1N2，受激吸收與受激輻射的速率分別比例于N1和N2且比例系數(shù)相等，此時光通過該物質(zhì)時，光強會衰減，物質(zhì)為吸收物質(zhì)。若N2N1，受激吸收小于受激輻射，光通過該物質(zhì)時，光強會放大，該物質(zhì)成為激活物質(zhì)。N2N1的分布與正

11、常狀態(tài)相反，故稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 增益區(qū)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布區(qū)的產(chǎn)生： PN結(jié)界面上由于多數(shù)載流子擴(kuò)散運動形成內(nèi)部空間電場區(qū)，該電場導(dǎo)致載流子的漂移運動，無外加電壓時，兩種運動處于平衡狀態(tài)，能帶發(fā)生傾斜。當(dāng)外加正向電壓時，內(nèi)部電場被削弱，擴(kuò)散運動加強，能帶傾斜減小，在PN結(jié)形成一個增益區(qū)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布區(qū)），高濃度的電子和空穴進(jìn)入激發(fā)態(tài)，可產(chǎn)生自發(fā)輻射。 條件2：激光振蕩和光學(xué)諧振腔v激光振蕩的產(chǎn)生：激光振蕩的產(chǎn)生：v 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布必要條件粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布必要條件) )激活物質(zhì)置于激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中，對光的頻率和方向進(jìn)行選擇光學(xué)諧振腔中，對光的頻率和方向進(jìn)行選擇= =連續(xù)連續(xù)的光放大和激光振蕩

12、輸出維持自激振蕩）。的光放大和激光振蕩輸出維持自激振蕩）。v光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔由兩個反射率分別為由兩個反射率分別為R1R1和和R2R2的平行的平行反射鏡構(gòu)成。腔內(nèi)物質(zhì)具備粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，可用反射鏡構(gòu)成。腔內(nèi)物質(zhì)具備粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，可用其產(chǎn)生的自發(fā)輻射光作入射光，經(jīng)反射鏡反射沿軸其產(chǎn)生的自發(fā)輻射光作入射光，經(jīng)反射鏡反射沿軸線方向傳播的光被放大，沿非軸線方向傳播的光被線方向傳播的光被放大，沿非軸線方向傳播的光被減弱，反射光經(jīng)反射鏡多次反射不斷被放大，方向減弱，反射光經(jīng)反射鏡多次反射不斷被放大，方向性不斷改善，使增益大幅度提高。性不斷改善，使增益大幅度提高。 條件3：閥值電流密度n由于半導(dǎo)體內(nèi)的光

13、子吸收、反射鏡面上的部分穿透和反射，使得激光振蕩存在損耗n光增益對電流的增大而增大；當(dāng)光強足夠小時，諧振腔增益為常數(shù)；當(dāng)光強增大到一定程度時，增益系數(shù)隨光強的增加而下降，出現(xiàn)增益飽和；當(dāng)飽和增益等于損耗時，出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)振蕩n當(dāng)增益系數(shù)高于某一最低限度，才足以克服損耗，產(chǎn)生振蕩，輸出激光，此時對應(yīng)的最小電流密度，稱為閥值電流密度 n基本結(jié)構(gòu)是雙異質(zhì)結(jié)(DH)平面條形結(jié)構(gòu) n由三層不同類型半導(dǎo)體材料構(gòu)成，不同材料發(fā)射不同的光波長。 n 結(jié)構(gòu)中間有一層厚0.10.3 m的窄帶隙P型半導(dǎo)體，稱為有源層；兩側(cè)分別為寬帶隙的P型和N型半導(dǎo)體，稱為限制層。三層半導(dǎo)體置于基片(襯底)上，前后兩個晶體面作為反射鏡構(gòu)

14、成法布里 - 珀羅(FP)諧振腔。 半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu) OUTLINE固體中的光吸收和光發(fā)射半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體激光器光電探測器半導(dǎo)體太陽能電池 v光電探測器：利用入射光子與半導(dǎo)體中處于束縛態(tài)的電子(或空穴)相互作用，將它們激發(fā)為自由態(tài)，引起半導(dǎo)體的電阻降低或者產(chǎn)生電動勢v光子探測器的三個基本過程：v光子入射到半導(dǎo)體中并產(chǎn)生載流子v載流子在半導(dǎo)體中輸運并被某種電流增益機(jī)構(gòu)倍增v產(chǎn)生的電流與外電路相互作用，形成輸出信號，從而完成對光子的探測光電探測器 v內(nèi)光電效應(yīng)v光電導(dǎo)效應(yīng)：光生載流子改變半導(dǎo)體的電阻率v光伏特效應(yīng)：光生電子和空穴在內(nèi)建電場作用下作漂移運動，如器件開路，在在器件兩端產(chǎn)生光生

15、電動勢基本的光電效應(yīng) v光敏電阻光電導(dǎo)探測器）：光敏電阻通常由一塊狀或薄膜狀半導(dǎo)體及其兩邊的歐姆接觸構(gòu)成光電導(dǎo)探測器 n光電二極管：光電二極管實際上就是一個工作光電二極管：光電二極管實際上就是一個工作在反向偏置條件下的在反向偏置條件下的pnpn結(jié)結(jié)np-i-np-i-n管是光電二極管中的一種。它的結(jié)構(gòu)特點管是光電二極管中的一種。它的結(jié)構(gòu)特點是，在是，在P P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N N型半導(dǎo)體之間夾著一層相型半導(dǎo)體之間夾著一層相對很厚的本征半導(dǎo)體。這樣，對很厚的本征半導(dǎo)體。這樣，PNPN結(jié)的內(nèi)電場就結(jié)的內(nèi)電場就基本上全集中于基本上全集中于 I I 層中，提高光電探測器的靈層中，提高光電探測器的靈敏度敏度 P-Si N-Si I-SiPIN管結(jié)構(gòu)示意圖P-I-N光電二極管 OUTLINE固體中的光吸收和光發(fā)射半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體激光器光電探測器半導(dǎo)體太陽能電池 半導(dǎo)體太陽能電池半導(dǎo)體太陽能電池v吸收光輻射而產(chǎn)生電動勢，它是半導(dǎo)體太陽能電池實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的理論基礎(chǔ)v產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)的兩個基本條件：v半導(dǎo)體材料對一定波長的入射光有足夠大的光吸收系數(shù)，即要求入射光子的能量h大于或等于半導(dǎo)體的禁帶寬度Egv具有光生伏特結(jié)構(gòu)，即有一個內(nèi)建電場所對應(yīng)的勢壘區(qū) v影響太陽能影響太陽能電池轉(zhuǎn)換效電池轉(zhuǎn)換效率