半導(dǎo)體器件物理內(nèi)容和圖片-第九章光電器件

9章光電器 輻射躍遷與光的吸如圖8.1所示的是電磁光譜。人眼所能感覺的范圍，大約是從0.4m到0.7m圖8.1m0.4m0.7m1000m 0.5770.597 紫外 可見 紅外近極

極

波長(zhǎng)

光子能量

8.1chc

1.24

輻射躍發(fā)輻射(spontaneousemission)、受激輻射(stimulatedemission)。在此，以一簡(jiǎn)單的系基態(tài)(groundstate)E2相當(dāng)于激發(fā)態(tài)(excitedstate)，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v12hv12＝E2E1。在室溫下，固體內(nèi)的大多數(shù)原于處于基態(tài)。此時(shí)若有一能量恰好等于v12的光子撞擊此系統(tǒng)，則原先的狀態(tài)將被擾亂12為吸收8.2(ah12的光子，這個(gè)過程即稱為射[圖8.2(b)]。當(dāng)一能量為hv12的光子撞擊一原本在激發(fā)態(tài)的原子時(shí)[圖8.2c]，此原子被hv12的光子。這個(gè)過程即hv12。同時(shí)，此輻射也是相干的(coherent)，因?yàn)樗械墓庾佣际峭辔话l(fā)射。之 之

圖8.2 在兩個(gè)能級(jí)間的三種基本躍遷過程.其中黑點(diǎn)表示原子的能態(tài).最初的能態(tài)在左邊，經(jīng)過躍遷后，其最終的能態(tài)則在右發(fā)光二極管的主要工作過程是自發(fā)輻射，激光二極管(1aserdiode，LD)則是受激輻射，E1E2的瞬間分布(population，或譯粒子數(shù)、電子群數(shù))n1n2。在熱平衡的條件下，若(E2E1)＞3kT根據(jù)玻爾茲曼分布，n1

E2E1

kT kTn2n1n1n2不變。受激輻射速率正比于光子場(chǎng)能量密度B12n2（hv12n2B21則是比例常數(shù)。自發(fā)輻A21n2A21（hv12B12n2（hv12B21

B21n2（hv12

A21n2=B12n1（hv12 受激輻射速率＝B21(hv

AA

受激輻射速率B21n1

自發(fā)輻射速

A21n2光的吸寬度(hvEg)8.3(a)所示．若hvEg-hvEg)8.3(b)一方面，若hvEg，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)，光子圖 光的吸收(a)hEg，(b)hEg，(c)hhvEg且光子通量(photonflux，或譯光子束)為

秒每平方厘米所具有的光子數(shù)為單位)收的比例是與通量的強(qiáng)度成正比。因此，在一增量距離

[8.4(a)]目為(x)x，其中為比例常數(shù)，它定義為吸收系數(shù)(absorptionefficient)。如xxxdxxaxxdx

0時(shí)(x)00x0

00

(x在光照射下的半導(dǎo) 光通量的指數(shù)衰圖 光的吸吸收系數(shù)是hv的函數(shù)。圖8.5為幾種應(yīng)用于光電器件的重要半導(dǎo)體的光吸收系數(shù)，其中以虛線表示的是非晶硅，它是制 能電他的重要材料。在截止波長(zhǎng)c時(shí)，吸收1.24

g

h/

Ge(CGe(C1.24/Eg1.88Ga30In70As(1.4 Si(1.1?Si(0.82m)Ge(C1.24/Eg1.88Ga30In70As(1.4Si(1.1Si(0.82m)

//cm吸收系數(shù)mcm吸收系數(shù)m透光深度1

1.6波長(zhǎng)

8.5數(shù)種半導(dǎo)體材料的光吸收系數(shù)(括號(hào)內(nèi)的數(shù)值為截止波長(zhǎng)hvEg或c【例1】一0.25m厚的單晶硅樣品被一能量為3eV的單色光(單一頻率)照射，其入射功率10mW。試求此半導(dǎo)體每秒所吸收的總能量、多余熱能耗散到晶格的速率以及通過本征解8.5知其吸收系數(shù)4×104cm10(1eaw)102[1exp9(41040.25104)]0＝0.0063J／s；6.3mW。hv

33

62.762.7％×6.3mW≈2.41.61019

16(個(gè)發(fā)光二極管(1ight-emittingdiode)p-n結(jié)，它能在紫外光、可見光或紅外光區(qū)域輻LED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IED則應(yīng)用于光及光纖通訊方面?？梢姽獍l(fā)光二極8.6所示為人眼對(duì)光波長(zhǎng)的相對(duì)靈敏度(或?qū)?yīng)的光子能量)m0.555m0.555紅紅綠紫紫橙黃藍(lán)GaNGaAs1-

/

Eg/

8.6常作為可見光LED的半導(dǎo)體途中還表示了人眼的相對(duì)靈敏hv等于或大于1.8eV(＜0．7＝的光線感光，因此所選擇的半導(dǎo)GaAs1yPyGaIn1xN合金的Ⅲ—VV族元素的品格位置(如砷位置)，就形成了此Ⅲ—V族化合物合金。三元(三種元素)AxB1xCAC1yDy，而四元(四種元素)AxB1xCyD1y其中A和B為第四族元素CD為第V族元素x和y是物質(zhì)的量的比(摩爾比moleV族元素與總原子數(shù)之比。8.1LED的Ⅲ—V 波長(zhǎng)Ga047In0Ga027In073As063P0GaAs:Er,InP:Si:GaAs:Yb,InP:AlxGa1-xAs:GaAs:Al011Ga089As:Al04Ga06As:GaAs015P0GaP:340,430,260,310,8.7(a)表示GaAs1yPyy0＜y＜0.45時(shí)，它屬于則屬于間接禁帶半導(dǎo)體圖8.7(b)示幾種合金成分的能量—?jiǎng)恿繄D導(dǎo)帶有p=0ppax(導(dǎo)體中，如砷化鎵及GaAs1yPy，y＜0.45，因其可以保持動(dòng)量守恒。光子能量大約等于半TTEgyEgEgy TEgyEgEgy0032禁帶寬度禁帶寬度eV能0

物質(zhì)的量的比

動(dòng)量GaAs1-yPy的成分與直接及間接禁帶的關(guān)系8.

(y0.4)、橙色(0.65)、黃色(0.85)、綠色光(1.0)的合金成分y0.45的GaAs1yPy因此在間接禁帶半導(dǎo)體中，常會(huì)引進(jìn)一些特殊的復(fù)合中心以增加輻射幾率。如對(duì)GaAs1yPy8.8表示GaAs1yPy(對(duì)所產(chǎn)生的光子數(shù)目)0.4＜y＜0.5的范圍內(nèi)會(huì)y0.5y含含 不含0%%量子效

不含0

合金成分8.8LED,用外延方法生長(zhǎng)的緩變型(或譯漸變型)GaAs1yPy，合金層用來發(fā)射發(fā)射光pnB B B

緩變合1-發(fā)射光p1-p1- 1-

反射接

緩變合1-8.9平面二極管LED的基本結(jié)構(gòu)以及(a)不透明襯底(GaAs1-yyP與(b)透明襯底(GaP)p-n結(jié)光子發(fā)射的效LED(0.455ym0.492PmⅥ族化合物的硒化鋅(ZnSe)ⅢⅤ族氮化物半導(dǎo)體的氮化鎵(aNV族化合物的碳化硅(iCⅡ-Ⅵ的太短，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。目前最有希望的材料是氯化鎵(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1.95eV至6.2eV(相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍由0.2m至0.63m)。雖藍(lán)寶石(Al2O3上生長(zhǎng)高品質(zhì)的氮化鎵。圖8.10為生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上的Ⅲ-Ⅴ族氮化物

p型電

未摻雜n型電

藍(lán)寶石襯藍(lán)藍(lán)寶石襯8.10生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上的III-V族氮化物pn型的歐姆接觸都必須形成在上表面。藍(lán)光產(chǎn)生于GaxIn1xN區(qū)域的輻射性復(fù)合作用，而GaxIn1xNpAlxGa1xNn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)c由斯涅耳定律(Snell’slaw)有

n1

(如砷化鎵在0.8m時(shí)，n2＝3.66) (n＝1)的介質(zhì)．砷億稼的臨界角約為16；而磷化鎵(在0.8m，n 的臨界角約為17LED3p-n結(jié)．在低正向偏壓時(shí)，二極管I

expqvIRs

expqvIRs

RsIdIrLEDIrRsLED8.6m(fullwidthat uAlintensity，F(xiàn)WHM，半高寬)為。光譜寬度一般是隨著2m其中m是強(qiáng)度為峰值時(shí)的波長(zhǎng)。所以當(dāng)波長(zhǎng)由可見光進(jìn)入紅外光時(shí)，F(xiàn)WHM例如，在m＝0.55

(綠光)FWHM20nm0.3

LED8.11為兩種LED燈具的構(gòu)造圖。每一LED燈具包含一個(gè)LED及一個(gè)的塑膠鏡頭作為濾光鏡并增加其對(duì)比效果．圖8.11(a)中的燈具是使用傳統(tǒng)的二極管頭座，而圖8.11(b)則顯示了適用于透明性半導(dǎo)體(如磷化鎵)的包裝它可通過LED的五個(gè)面(四個(gè)在側(cè)邊，

8.11兩種LED8.12LED顯示器的基本形式。其中七段式[8.12(a)]0-9七段式(數(shù)字型

57陣列式(文字型8.12數(shù)字式與文字式的LED5×7陣列式[8.12(L)]可以顯示文字符號(hào)(A-Z0-9)。顯示器的制造可以利用類似制造硅集成電路的工藝技術(shù)，或者將單個(gè)的LED鑲嵌于反射物上而形成桿形區(qū)域。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。白光LED需要紅、綠、藍(lán)三種顏色的LED。LED(LED)LED的廣泛使以上僅介紹由無(wú)機(jī)(inorganic)半導(dǎo)體材料(如GaAsP與GaN)所制造的器件近年來，上的應(yīng)用。因?yàn)橛袡C(jī)發(fā)光二極管(organiclight-emittingdiode，OLKD)具有低功率消耗、優(yōu)異8.13(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)，連接至具有不同分子排列的芳香性二胺(aromaticdiamine)OLED是在透明襯底(如玻璃)上8.13(b)所示。NONOAONONOAON玻璃襯陽(yáng)二陽(yáng)極二陽(yáng)極陽(yáng)極二陽(yáng) 玻璃襯

有機(jī)半導(dǎo)

OLED截面

OLED的能帶8.8.13(c)OLED的能帶圖，它基本上是在AlQ3與二胺之間形成一個(gè)異質(zhì)結(jié)穴也由陽(yáng)極注入并向此界面移動(dòng)因?yàn)橛袆?shì)壘EC與EV由圖8.13(c)，可以具體說明OLED的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：(1)使用超薄薄膜以降低偏壓。例如，圖中有機(jī)半導(dǎo)體薄膜的總厚度只有150nm。(2)q1q2紅外光發(fā)光二極管 LEDLEDLED(0.9m)與許多Ⅲ-V族化合物，如四元的GaxIn1xAsyP1yLED(1.1m~1.6m)。紅外光LED的一種重要應(yīng)用是作為輸入(或控制信號(hào))與輸出信號(hào)去輥之用的光器(opto-isolator)。固8.14所示為一光器，紅外光LED作為光源，光電二極管(photodiode) 光電二極輸入輸入信 圖8.14光器可降輸入信號(hào)與輸出信號(hào)去耦(decouple,或譯分離紅外光LED的另一個(gè)重要應(yīng)用是在通信系統(tǒng)中通過光纖來輸運(yùn)光的信號(hào)。光纖可視為在光頻率下的一種波導(dǎo)管(wave-guide)100m。它的柔軟性甚佳，而且可以誘導(dǎo)光信號(hào)，經(jīng)過好幾千米直到另一個(gè)，就圖8.15是兩種類型的光纖。其中一種是由很純的硅石(SiO2所制成的包覆層光纖稱為階躍(或譯階變)拆射串光纖(stepindexfiber)躍所形成的反射來隊(duì)通過式(10)的計(jì)算，當(dāng)n1＝1.457(包覆層)及n2＝1.480(在漸變(或譯緩變)折射率光纖(graded－indexfiber)[8.15(b)]中，折射率以拋物線的形式由4成正比典型的衰減值在波長(zhǎng)為0.8m時(shí)為3dB／km，在1.3m0.6dB／km1.55Pm0.2dB／km芯芯包覆層a)(階躍折射率光纖，具有折射率較大的部部m100m50

芯折射

包覆層)(b漸變折射率光纖遞8.16表示一種簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(point-to-point)光纖通信系統(tǒng)，利用一個(gè)光源(LED或激發(fā)送電輸入信

驅(qū)動(dòng)電 驅(qū)動(dòng)電 LED或激

LED或激光探測(cè) 放大 信號(hào)還原光光探測(cè) 放大 信號(hào)還原

電輸出信8.16光纖傳輸系統(tǒng)的基本器8.17GaInAsPLED區(qū)域發(fā)出，并導(dǎo)入光纖內(nèi)。利用異質(zhì)結(jié)(GaInAsP-InP)可以提高效率，因?yàn)榄h(huán)繞在輻射性GaInAsPInP會(huì)有約束載流子的作用。有關(guān)載流子的約束LED注入電流的直接調(diào)制。寄而光輸出的速度主要取決于載流子的，載流子的又由各種復(fù)合過程(如在第2章曾過的表面復(fù)合等)來決定。假使電流在角頻率P)p

2定以為光的輸出降為＝0時(shí)的2

f

1

ARn-襯激 GaInAspP-p-接觸鍍AuSi8.17小面積平臺(tái)式刻蝕的GaInAsP/InP表面輻射LED結(jié)2】試以＝500psLED的調(diào)制頻寬。解由式（13）得f

250010

MHz半導(dǎo)體激0.1mm)之一它可以應(yīng)用于機(jī)光學(xué)刻錄機(jī)及高速激光等除此之外它還廣泛用于多基礎(chǔ)研究與技未方面，如高分辨率氣體光譜學(xué)及大氣污染監(jiān)測(cè)等。半導(dǎo)體材30m。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

SPAsIn1? 05104PInAl 05204AsInAlP00409lAs

P0l06

aaa

05304AsInGaSbGaA0505

05

0

a

8.18III-V最重要的三種Ⅲ-V族化合物合金系統(tǒng)GaxIn1xAsyP1yGaxIn1xAsySb1yAlxGa1xAsySb1

8.18所示的Ⅲ-V

）AlxGa1xAs匹配會(huì)小于0.1InP（a＝5.8687A）作為襯底則四元化合物GaxIn1xAsyP1y也可以達(dá)到很完美底晶格匹配，如圖8.18的垂直線所示EgEgEg2Eg間接禁直接禁EgEgEgEg2間接禁直接禁Eg禁帶禁帶寬度0

hhT折射率折射率0

物質(zhì)的量的比AlAsAlxGa1-xAs禁帶寬度與其成分

物質(zhì)的量的比AlAs在1.38eV時(shí)AlxGa1-xAs的折射率與其成分的8.8.19(a)AlxGa1xAsx＜0.45時(shí)，此合金為直接禁帶半導(dǎo)體，超過此值后則變成間接禁帶半導(dǎo)體。圖8.19(b)顯示折射審與鋁成eV激光的工作原8.20為同質(zhì)結(jié)(homojunction)激光[8.20(a)]與雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)(double-heterostructure，DH)激光[圖8.20(b)]在正偏條件下，在結(jié)處所繪出的能帶、折射率分布、光產(chǎn)生的光場(chǎng)一、分布反轉(zhuǎn)(population激光中的分布反轉(zhuǎn)，先考慮簡(jiǎn)并型(degenerate；或譯)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；以致于在pEFVnEFC則高于導(dǎo)帶的邊緣；當(dāng)外加一足夠大的偏壓時(shí)(8.20pnpnpnpnpnpnpAlxGa1-npp 22~d有源

0.50.5~有源d有源d8.20(a)同質(zhì)結(jié)激光與(b)雙異質(zhì)結(jié)（DH）激光的一些特性的比較第二行是正向偏壓下的能帶圖同質(zhì)結(jié)激光的折射率變化小于1%，而DH激光的折射率變化則約為5%.最下面一行是光的約束情形

(EFCEFV)Eg二、載流子與光學(xué)約束（population(activeresion)的兩端都內(nèi)，光的約束可由圖8.2l來說明，它是一個(gè)三層介質(zhì)的波導(dǎo)管，其折射率分別為n1n2，n2，其中有源層如三明治般被夾在兩個(gè)約束層之間[8.21(a)]。在n2n1n2由式(10)可知第一層和第二層界面[圖8.21(L)]的光線角度12層界面間的23射就被導(dǎo)引約束在與各層界面平行的方向上可以定義約束因子(onfinemntfctr)為在有源區(qū)內(nèi)的光強(qiáng)度對(duì)有源區(qū)內(nèi)外光強(qiáng)度總和的比例。約束因子可寫成C因子

1exp(Cnd

d三、光學(xué)腔與反饋(opticalandicalgan)的現(xiàn)象。光波沿著激光腔作單程傳導(dǎo)所獲得的增益是很小為了提高增益必須使光波作多次可821(a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(10)面劈開，可以產(chǎn)生兩R n Rn1

(無(wú)源區(qū) (無(wú)源區(qū) (無(wú)源區(qū) (有源區(qū) (無(wú)源區(qū)L (有源區(qū)x (有源區(qū)0xd/

(無(wú)源區(qū) (無(wú)源區(qū)

層3(pAlxGa11(nAlxGa1nn2 n2 n2 8.n為半導(dǎo)體對(duì)應(yīng)與波長(zhǎng)的折射率（n通常為的函數(shù)3】R(n3.6)。解由式（15）得3.612R 3.61L必須滿足下述條件：mm

2n或m

2nL1 ndnd2nL1 ndnd

發(fā)光光長(zhǎng)軸模激光腔中的模

光增光衰激光模

自發(fā)輻射光

光增益波8.4】A＝0.94mn＝3.6L＝300m，計(jì)算典型砷化鎵激光的模式間距。解由式(18)得

(0.9410623.6300106m

4

10m4基本的激光器結(jié)8238.23(a)pnion)，這是因?yàn)樵诮Y(jié)兩端使用相同的半導(dǎo)體材料。沿著垂直于＜10＞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8.23僅示出前半面的發(fā)射-腔(abryt或譯費(fèi)米佩羅腔、白洛腔，其典型的起長(zhǎng)度地應(yīng)用在近代的半導(dǎo)體激光器中。屬接縱向接yxz110L()a同質(zhì)結(jié)激

雙異質(zhì)結(jié)(DH)激s L()c長(zhǎng)條狀DH激圖8.23法布里-腔形態(tài)的半導(dǎo)體激光結(jié)8.23(b)是雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)(double-heterostructre，DH)激光，此結(jié)構(gòu)類似于三明治。有一層很薄的半導(dǎo)體(GaAs)被另一種不同的半導(dǎo)體(AlxGa1xAs)8.23(a)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5m一、域值電流密度(throboldcurrentJth824JthHJthJthH300K具有低Jth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)用法布里腔法布里腔L 法布里 腔L 約 約雙異質(zhì)結(jié)結(jié)d 約 約 雙異質(zhì)結(jié)結(jié)d )cm域值電流密度 T8.2420中兩種激光結(jié)構(gòu)的域值電流密度與溫度關(guān)系可表示為額定(nominal，或譯標(biāo)稱、名目、名義)電流密度JnomJAcm2Jnom

其中d是有源層的厚度，以m單位。圖8.25表示一典型砷化鎵DH激光的增益計(jì)算值。在50cm1≤g≤400cm1內(nèi)，增益是隨著J g

J0JnomJ0

g0/J0＝5×102cmmAJ0＝4．5×103A/(cm2mRexp[(ga)L]

或增益閾值a1ln1

R TTNAND41017TTNA?ND41017cmcm/增益增益系0 額定電流密度Jnom/(103A/cm28.25增益系數(shù)與額定電流密度的變化圖.虛線部分表示其線性關(guān)其中是約束因子，是由于吸收或其他散射機(jī)制所引起的單位長(zhǎng)度的損耗，L是光學(xué)腔的J

J0d

J0

a1ln1

gT

R J 其中 項(xiàng)常稱 ，而即增益因子(gainfactor)。為了降低J，必須增大、th thL、R及減小d、【例5】試以下列資料求出激光二極管的域值電流：前方與后方鏡面的反射率分別為與0.99，光學(xué)腔的長(zhǎng)度與寬度分別為300m與5m＝100cm10cm3A1g＝100cm1＝0.90J0

g0解由已知的增益因子式(23)中的

J 1

J

cm2

a2LlnRR

12因

1000.9A/cm210

A/

2300

0.440.99

二、溫度效應(yīng)（tempreature8.26表示一連續(xù)波(continuouswave，cw)AlxGa1xAs-GaAsDHJth8.26a25115℃之間變化時(shí)，cwI 25C25C354555657585 115域值電流25C354555657585 115域值電流輸出功率0

注入電流/mA GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光中光的輸出與二極管電流關(guān)系IthIth~exp(T/110IthIth/IthIth~exp(T/110 散熱器溫度/連續(xù)波（CW）域值電流與溫度的關(guān)系8.【6】8.26解 Jthexp272J expT T27C110ln2C27C76C103三、調(diào)制頻率與縱軸模式(modulationfreencyandlongiudina1modes對(duì)光纖通信而言，光源必須能夠在高頻時(shí)調(diào)制。典型的GaAs或GaInAsP激光的輸出功率能維持在一固定的水平(如每面10mW)直到GHz的范圍；不像LED的輸出功率會(huì)隨著調(diào)GalnAs-A1GaAsDH間距(44)近乎均勻地分布著。這些發(fā)射譜線屬于縱軸模式[式(17)]分布式反饋激光(distributedfeedback(multmodes)1Gbt／工作的單一模式能提供挑選出單一頻率的建設(shè)校機(jī)制的激光腔有兩種激光結(jié)構(gòu)使用種方法——分布式布喇格反射器(dibutdBrggreflctor)激光及分布式反饋(dibutedfeedbakasers激光。圖8.27(a)是分布式布喇格反射器(DBR)激光的截面圖其中傳導(dǎo)電流的區(qū)域稱為泵浦區(qū)(pumpedregion)。光柵(grating，或譯波長(zhǎng)選擇柵)置于泵浦區(qū)外。由于有源區(qū)與柵結(jié)構(gòu)的有效結(jié)合，在波長(zhǎng)B的反射會(huì)增強(qiáng)，此B稱為布喇格波長(zhǎng)，它與柵的周期有關(guān)，2nB

n是模式的有效折射率，而l是柵的整數(shù)序(integerorder)狀激光的溫度系數(shù)較大3／℃)，因?yàn)樗请S著禁帶寬度的變化而變化。DBRDFB光在集成光學(xué)(在硬襯底上將微小的光波導(dǎo)器件與電路以平面技術(shù)制造在一起)泵浦DFB分布式布喇格反射器（DBR）激

分布式反饋（DFD）激圖 得到單一頻率激光的兩種方量子阱激光(quantumwell激光的有源層厚度很小，大約為10nm~20nm，圖8.28(a)顯示QW激光的能帶圖，其的GaAs區(qū)域(Ly20nm)A1GaAsLy接近德布羅意(deBroglie，或譯德布羅依)波長(zhǎng)h/ph是普朗克常數(shù)，p載流子的動(dòng)量)y量子阱中帶電粒子的能量可以分解成在y方向上受限的分量與在x及z方向上兩個(gè)不受 En,k,k

2 22 22

En個(gè)特征值(eigenvalue，或譯本征值)m*是有效質(zhì)量，而 分別是在x及z方向上的波數(shù)(wavenumber).8.28(b)EnE1E2E3Ehh1Ehh2Ehh3Elh1Elh2 EgEgEgEg單一GaAsAlGaAskEgn0躍重空輕空n=1?ˉn=2?ˉn=1?ˉn=2?ˉ

圖 量子阱（QW）激dNdE

E1Ehh1GaAs／A1GaAsQW65A／cm2的0.9m附近的發(fā)射波長(zhǎng)。至于工作在較長(zhǎng)波長(zhǎng)的激光，已經(jīng)有工作在1.3m及1.5m波長(zhǎng)范圍的GaInAs／GalnAsP復(fù)合(或譯多重)量子阱(multiple-quantum-well，MQW)激光被開發(fā)出來。圖8.29(a)GaInAsPGaInAsInP包覆層之中，以形InP襯底品格匹配。有源區(qū)是由四個(gè)8nm厚的無(wú)摻雜GaInAs量子阱(具有0.75eV的28)30nm厚的無(wú)摻雜GalnAsP層(0.95eVEg)8.29(b)表示對(duì)應(yīng)的有源區(qū)的能帶圖。N-INPp-InP包覆層漸變折射率SCH(grade-indexSCH，GRIN-SCH)標(biāo)示于圖8.29(c)，其中波導(dǎo)管的GRIN是由一些小階梯式、禁帶寬度逐步增加的復(fù)合包覆層組成。GRIN-SCHSCH結(jié)構(gòu)更MQW結(jié)構(gòu)的存在，使許多 (EgpGaInAsppGaInAspInPnInPnInP襯波導(dǎo)管

GaInAs8nmGRINMQWGRIN GRINMQWGRIN Eg1.130.928.

43勢(shì)具有漸增禁帶寬度薄層的GRINSCH 光探測(cè)光敏電阻光敏電阻包含一個(gè)簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體平板，而在乎板兩端則具有歐姆接觸(8.30)。當(dāng)入q(np

LWD歐姆接圖 由一半導(dǎo)體平板與兩端的接觸所構(gòu)成的光敏電阻的示意n0．經(jīng)過一段時(shí)間tn(t)在相同的體積內(nèi)由于復(fù)合而衰減為n

exp(t

其中是載流子的。由式（29）可以得復(fù)合率為1

exp(t)

AWL的光敏電阻（圖8.30)Popt/(hPopth1態(tài)時(shí)，載流子產(chǎn)生G必須等于復(fù)合 。假如探測(cè)器的厚度D遠(yuǎn)大于1Gt

IP(E)WD(qnnE)WD(qnvd

E是光敏電路內(nèi)的電場(chǎng)，而vd是載流于漂移速度。將式(31)n代人式(32)若定義原來的光電流

IP

Popt

nEL

IPh則由式（33）G

hv

GIIph

nE

Lv其中trLvd

n

為載流子渡越時(shí)間。而增益則與載流子對(duì)渡越時(shí)間之比有關(guān)7】5×1012個(gè)光子／s打在＝0.8n載流子的為0.5ns，且此器件的＝2500cm2／(V·s)，E＝5000V／cm，L＝10m。 n 2500cm2/(vs)51010s5000V/

IPq(0.85=4×10-6A=4

個(gè)光子

10104 GnEL

250051010

光電二極管p-n結(jié)或金屬—半導(dǎo)體接觸。當(dāng)光信號(hào)打一、量子效率(quantum

pp

opt

ghIp是在波長(zhǎng)為(AJ)Popt定的重要因一是吸收系數(shù)(圖8.5)。因?yàn)楹筒ㄩL(zhǎng)有依賴關(guān)系，能產(chǎn)生可觀的光電流的波長(zhǎng)范圍是有限的。長(zhǎng)截止波長(zhǎng)c是由禁帶寬度決定的[式(9)]，如鍺為p-n結(jié)收集以前就會(huì)發(fā)生復(fù)合。8.31AuAu- Gen-Ag-Au-Gen-Ag-量子量子效0

8/圖 數(shù)種光探測(cè)器的量子效率與波長(zhǎng)的關(guān)紅外光區(qū)時(shí)，硅光電二極管(具有抗反射層)0.8m0.9m100％的量子1.0m1.6m間，鍺光電二極管與Ⅲ-V族光電二極管(GaInAs)二、響應(yīng)速度(responsespeed)2GHz時(shí)，硅(107cm／s)25m。p-i-n(本征層)可子調(diào)制以優(yōu)化量子效率及頻率響應(yīng)。圖8.32(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-金屬接 i抗發(fā)射 i EEECV~~

WP圖 p-i-n光電二極管的工如圖【8】PoP010R)，其中R為反射系數(shù)。當(dāng)通過半導(dǎo)體時(shí)，此入射光會(huì)被吸收，因此在某一深度x，剩余的P(x)P(x)＝P(1R)exp(-x)．試以104cm1R＝0.1計(jì)算當(dāng)有一01

解 xlnP(1R)

cm2 四、金屬—半導(dǎo)體光電二極管(metal-semiconductor8.33是一種高速金屬-大量反射及吸收損耗，金屬膜必須非常薄(約101／。在此可以選擇一種

薄的、透明的金屬n金抗發(fā)薄的、透明的金屬n金抗發(fā)射涂薄的、透明的金屬n的金與50nm的硫化鋅(zincsulfide)作為抗反射層的金—硅光探測(cè)器，會(huì)有超過950.6328m(氦-氖激光、紅光)的入射光被輸運(yùn)到硅襯底。五、異質(zhì)結(jié)光電二極管（heterojunctionphotodiode）長(zhǎng)范圍由0.65m至0.85m的光電器件這些異質(zhì)結(jié)是很重要的而在更長(zhǎng)的波長(zhǎng)(1m至1.6m)時(shí)，可以用三元化合物如Ga047In053As(Eg0.75eV)及四元化合物如Ga07In073As(Eg0.85eV8.31所示(GaInAs曲線)1m1.6m70 雪崩光電二極的。其倍增可使有電流增益，而且此器件可以探測(cè)被調(diào)制到微波頻率的光信號(hào)APD在設(shè)計(jì)時(shí)需著重考慮將雪崩噪聲減低到最小。雪崩噪聲來源于雪崩倍增過程的隨雪崩噪聲與電離率之比 有關(guān)此比例越小雪崩噪聲就越小這是因?yàn)楫?dāng)pn時(shí)n電離率串趨近于零(如p0＞、則每＝使用p與n差異很大的半導(dǎo)體。其噪聲因子(noisefactor)為 Fn

(2

=0且n28.34(a)APDnp-P摻雜分布(np區(qū)域)。由于 的比例約0.04，當(dāng)M=10時(shí)，其噪聲因子由式(37)得出為2.3n接AR接AR p50m? p50mp接pp型襯接

/8.34典型的硅雪崩光電二極 能電能電池(solarcell)在太空中及地球上的應(yīng)用均非常廣泛，它提供了人造長(zhǎng)時(shí)期 能輻射(solar由輸出的輻射能來自核聚變反應(yīng)。每秒約有6×1011kg的氫轉(zhuǎn)變成氦，其質(zhì)量?jī)魮p耗約為4×103kg．由質(zhì)能方程(F＝mc2)可知，這些質(zhì)量損耗轉(zhuǎn)變成4×1020(0.2m-3m)。目前的總質(zhì)量約為2×1030kg，若維持穩(wěn)定的輻射能量輸出，其生100，在地球的大氣層外，位于其圍繞軌道的平均距離處輻射的強(qiáng)度被定義，量(airmass)”定義為1／cos，其中是垂直線與方位間的夾角。1(s【例9】空氣質(zhì)量可以很容易地由一垂直的高h(yuǎn)與其陰影長(zhǎng)度1(s1得出空氣質(zhì)量1.5(AM1.5)其相對(duì)應(yīng)的cos 1為cos1(0.667)＝48最大的陽(yáng)光強(qiáng)度是發(fā)生在位于頭頂正上方時(shí)(＝0即AMl0)。圖8.35是關(guān)于光譜輻照度(每單位面積每單位波長(zhǎng)的功率)的兩條曲線上面的那條曲線是空氣質(zhì)量為零的情況(AM0)，它代表在地球大氣層外的光譜。AM0光譜與人及太空工具的應(yīng)用有關(guān)。而地球上能電他的性能是與空氣質(zhì)量1.5(Aml.5)光譜有關(guān)。這個(gè)光譜代表當(dāng)位于與垂直線夾角48時(shí)，落在地球表面的陽(yáng)光。在這個(gè)角度，入射功率約為963W／m2。圖 砷化鎵與硅在空氣質(zhì)量。與空氣質(zhì)量1.5的光譜輻照度與截止波長(zhǎng)的關(guān)p-n結(jié)能電當(dāng)電池在光譜時(shí)，能量小于禁帶寬度Eg的光子對(duì)電池輸出并無(wú)貢獻(xiàn)。能EgEgEg的能量則會(huì)以熱的形式消耗掉。為了導(dǎo)出轉(zhuǎn)換效率，應(yīng)考慮如圖8.37(a)所示，輻射下的p-n結(jié)能帶圖。它的等效電路示于圖8.37(b)。其中有一恒定電流源與結(jié)并聯(lián)。此電流源IL是由于輻射產(chǎn)余的多IsR1/4np

1?cmp型1?cmp型pn1cmp型圖 硅p-n結(jié)能電池的示意

I-VI

qv IsexpkT1

IIs[exp(qVIs[exp(qV)(

8.而I1 I1

Dp

Eg Js

qNN

NA

ND p

kTA是器件面積。式(38)8.38(a)IL＝100mAIs＝1nA積A＝4cm2、T＝300K。此曲線透過第四象限，因此可以由器件輸出功率。圖8.38(b)是I-V曲線更一般化的表示方式，它是圖8.38(a)對(duì)電壓軸反轉(zhuǎn)所作出來的。選擇適當(dāng)?shù)呢?fù)載，可以得到接近80IscVocIL是短路電流，而Voc8.38(b)Pm(＝Im×Vm)ImVm最大功率矩最大功最大功率矩最大功率矩I/TIs1 0V/最大功率矩 能電池在光照射下的電流電壓特性曲最大功率矩

將(a)對(duì)電壓軸反8.kT IL

kT

ILVoc

n

1I I

I sI

IL，則VocIsPIV

qv

I

IsVexpkT dPdV0VkTln

1(IL/Is)

kTln1qVm

1

/(kT)

kT I(qVm)exp(qV

IL1

/(kT)

PI

kT

qVm

kT m

IcVoc

ln1

kT q

【例10】如圖8.38(a)所示的能電池，當(dāng)電壓為0.35V時(shí)，試計(jì)算其開路電壓及輸出功

100103A

(0.026)

1109

0.35V時(shí)的輸出功率如式(40)(ILIs為反向電流，所以必須加上負(fù)號(hào))

e0

轉(zhuǎn)換效率〔conversionefficiency一、理想效率(idealIV/P kTln1qVmkT/m 或

IL

kT

q

FFI

PinFF是填充因子(fillfactor)FF

kTln1 kT

kT

qVm qVm填充因子為最大功率矩形[8.38(b)]IscVov理想效率可以由式(定義的理想I-V特性求得。而一已知半導(dǎo)體的飽和電流密度則能量h(EgIsILP及最大功豐年P(guān)m由式與(42)求得．輸入功率Pin是光譜中的所有光子的積分(圖8.35)。在AM1.5條件下，效率 有較寬的最大值(大約29％)，而且與E無(wú)密切相關(guān)。因此，禁帶寬度在1eV 2eV之間的半導(dǎo)體皆可考慮作為能電池材料。二、光譜分離(spectrumsplitting)陽(yáng)不同禁帶陽(yáng)能電

光譜分三、串聯(lián)電阻與復(fù)合電流(series hinationRs8.40所示。由式(38)I-V特性II I

1 VIRs kT

Rs＝058.40所示，其中除了只RsIsILT8.385RsI

qvIRs

Is kT 1kT IIL

PIqln 如圖8.36所示的典型硅能電池而言，n-p電他的串聯(lián)電阻約0.7，而p-n則約0.4nI/RSRSRSRS0V/圖8.40具有串聯(lián)電阻的能電池的電流-電壓特性曲線與其等效電' qV IrecIsexp2kT

' qn's p

sI(39)到式(42)sII'2即可。由于V 效率遠(yuǎn)低于理想電流。在300K時(shí)，硅能電池的復(fù)合電流會(huì)使效率降低25％硅與化合物半導(dǎo)體能電硅是能電池中最重要的半導(dǎo)體材料．它無(wú)毒而且是在地殼中含量?jī)H次于氧的元素因此即使大量使用也不會(huì)有造成環(huán)境或資源耗盡的而且它在微電子中的用廣泛，已經(jīng)建立好一套完整的技術(shù)。Ⅲ-V族化合物半導(dǎo)體及其合金系統(tǒng)提供了許多不同禁帶寬度的選擇且其幾晶格常常匹／InP等材料系統(tǒng)已被發(fā)展成能電池而應(yīng)用于人造與太空等方面。一、PERL電池[PERLCell]8.41PERL(passivatedemitterrearlocally-diffused)電池。此電池在頂部具有上下顛倒的角錐體結(jié)構(gòu)，是利用各向異性刻蝕出刻蝕速率較慢的(111)晶面此角錐體結(jié)構(gòu)可以減少入射光在頂部表面的反射。因?yàn)榇怪庇陔姵氐娜肷涔鈺?huì)以斜角擊傾斜的(111)構(gòu)造具有比鋁層更好的背面反射。至今，PERL24%最高轉(zhuǎn)換效率。8.41RERL（passivatedemitterrearlocallydiffused）電池二、非晶硅能電池（amorp