半导体的光电导.doc

半导体的光电导半导体的光吸收在半导体材料中产生非平衡载流子。载流子的增加必然使材料电导率增大。这种由光照引起半导体电导率增加的现象称为光电导。本征吸收引起的光电导称为本征光电导。现在讨论均匀半导体材料的光电导效应1 附加电导率2无光照时，半导体样品的暗电导率为电子和空穴的迁移率。设光注入的非平衡载流子浓度分别为和，当电子刚被激发式中q为电子电量，为平衡载流子浓度；和分别为到导带时，同导带中热平衡电子相比较可能会有较大的能量，但通过与晶格的碰撞，在极短的时间内就以发射声子的形式释放多余的能量变成热平衡电子。因此在整个光电导过程中可以认为光生电子与热平衡电子具有相等的迁移率，则光照情况下样品的电导率变为式中；附加光电导为光电导的相对值对本征光电导令则可以看出要得到相高的光电导，应使和有较小的数值，对半导体本征吸收，；但是并不是光生电子和光生空穴都对光电导有贡献。对型其本征光电导主要来自光生空穴的贡献对型，其本征光电导主要来自于光生电子的贡献就是说，在本征光电导中，光激发的电子和空穴数是相等的，但是在它们复合消失以前，只有其中一种光生载流子（一般为多载流子）有较长的时间存在于自由状态，而另一种则往往被一些能级（陷阱）来缚住，这样，或附加电导率应为或除了本征光电导外，杂质能级上的电子或空穴受光照激发也能产生光电导，但比本征光电导弱得多。2定态光电导及其弛豫过程定态光电导是指在恒定光照下产生的光电导。因为和在一定条件是一定的，所以光电导的变化反映了光生载流子的变化。设工表示以光子数计算的光强度即单位时间通过单位面积的光子数，为样品的吸收录数，则单位时间单位体积内吸收的光能量（以光子数计）与光强成正比。为单位体积内光子的吸收率，从而电子空穴对的产生率为代表每吸收一个光子产生的电子空穴对数，称为量子产额，每吸收一个光子产生一个电子空穴对，则 一般，设在某一时刻开始以强度为I的光照射半导体表面，假设除激发过程外，不存在其他任何过程，经秒时间后光生载流子浓度为如光强保持不变，光生载流子浓度将随线性增大，如图虚线所示。但由于光激发同时，还存在复合过程，因此和不可能直线上升，光生载流子浓度随时间的变化如图中曲线所示，最后达到稳定值，这时附加电导率也达到稳定值。这就是定态光电导。显然，达到定态光电导时，电子空穴的复合率等于产生率，即。设光生电子和空穴的寿命分别为和，则定态光生载流子浓度为从而定态光电导率为定态光电导率与，和四个参数有关，其中和表征光和物质的相互作用，决定着光生载流子的激发过程。而和表征载流子与物质之间的相互作用，决定着载流子运动和非平衡载流子的复合过程。光照经过一定的时间后才能达到定态光电导；同样，当光照停止后，光电流也是逐渐消失，如图所示，这种在光照下光电导率逐渐上升和光照停止后光电导率逐渐下降的现象，称为光电导的弛豫现象。在讨论弛豫过程中，采用一种载流子起作用的情况，即设（A）小注入情况设时开始光照，光强度为I，在小注入时，光生载流子寿命是定值，复合率R等于在光照过程中，的增加率应为分离变量升积分，利用起始条件，得到在小注入情况下，光生载流子浓度即光电导率按指数规律上升，即图中曲线上升级，当时，这就是光生载流子的空态值当光照停止后，决定光生载流子的方程为时，停止光照。这时光生载流子浓度已达到定态，即时，解方程得 指数规律下降，即为曲线的下降积，小注入情况下，光电导的上升和下降函数为上升下降两式为具有相同时间常数的指数曲线，称为弛豫时间（B）强注入情况注入光强很强情况，和情况下，载流子寿命不再是固定值，而方程应改为利用起始条件：上升时 下降时解上述方程得出强注入情况下，的弛豫曲线方程：上升下降在强注入情况下，光生载流子寿命是光强和时间的函数 （C）光电导灵敏度及光电导增益 定义：单位光照度所引起的光电导致称为光电导灵敏度 一定光照下，越大，灵敏度越高 而，弛豫时间大，灵敏度提高。 另一方面，大，光电导上升缓慢，即对光仪号反应慢 小，光电导上升快，对光仪导反应灵敏光电导灵敏度和弛豫时间是光敏电阻的两个重要参数，实际应用中即要求灵敏度高（大），又要求弛豫时间短（小，反应快）。两者相互矛盾。同一种材料组成的光敏电阻，由于结构不同，可以产生不同的光电导效果，通常用光电导增益表示光电导效应的增强。如图10-19设光敏电阻两端接电源，在外场的作用下，光生载流子（设为电子）在两电极间的定向运动形成电路中的光电流。在一定条件下，光生电子的寿命可以大大超过电子从一个电极漂移到另一个电极所需要的时间（渡越时间），这样当电子在电场作用下到达正电极时，负电极必须同时释放出一个电子，以保持样品的电中性。这种过程一直继续到光生载流子复合的发生，因此，在情况下，光敏电阻每吸收一个光子就能使许多个电子相继通过两个电极，这样电极靠近时的光电流将大于电极远离时的光电流。通常用光电导增益因子G表示这种光电导效应的增强。 外加电压为V，电子迁移率为，电极间距离为L，则渡越时间 光电导增益因子大，大，小，则G大。第二章 光电二极管与太阳能电池 利用半导体光电效应制造的半导体器件统称为光电器件，本章主要介绍半导体光生伏持效应，光电二极管和太阳能电池的基本原理。一、光生伏特效应：1、定义光生伏特效应：半导体吸收光能后在PN结上产生光生电动势的效应称为光生伏特效应。2、物理过程 吸收光子产生非平衡电子空穴对，(见图7-2) 电子空穴对在空间分离并分别堆集产生电势差3、P-N结能带图如图为天光照时平衡时PN结能带图，设入射光垂直于PN结面，结较浅，光子射入PN结区，甚至深入到半导体材料内部，入射光子能量大于禁带宽度，由本征吸收在结的两边产生电子空穴对在光激发作用下，半导体多数载流子浓度一般变化不大，而少数载流子浓度变化却相当大，因此主要研究少数载流子运动。由于PN结势垒区内存在较强的自建电场，方向由N区指向P区，结两边的光生少子受到自建场的作用，各自向相反的方向运动：P区的电子穿过PN结进入n区；n区的空穴进入P区，从而使得P区电势升高，n区电势降低，于是在PN结两端形成了光生电动势，这就是PN结的光生伏特效应。积累的光生载流子部份地补偿了平衡PN结的空向电荷，引起PN结势垒高度的降低，如图所示。如果PN结处于开路状态，光生载流子在PN结两端产生光生电动势。这时PN结两端测得的电位差时开路电压，用表示，从能带图上看PN结势垒由。降低到。势垒降低的部份正好是P区和N区费米能极分开的距离。如果把PN结从外部短路，则PN结附近的光生载流子将通过这个途径流通。这时流过PN结的电流叫短路电流，用表示，其方向从PN结内部看是从N区指向P区，这时非平衡载流子不再积累在PN结两侧，光电压降为零。一般情况下，PN结材料和引线总有一定电阻，用表示这种等效电阻。这时光生载流子只有一部份积累在PN结上，使势垒降低，v是电流流过时产生的压降。其情况如图所示。二、光电二极管光电二极管是利用光生伏特效应原理进行工作的一种器件，它工作在反向偏置状态。将光光仪号转换成电仪号达到探测光仪号的目的。1、物理原理如图给光电二极管加上反向偏置电压，天光照时，二极管处于关闭状态，没有电流流过，只有很小的反向电流（图）。有光照时，在半导体材料中产生大量的电子空穴对，对P区而言，空穴是多子，电子是少子，而PN结势垒区的作用是帮助少子漂移越过耗尽层到达N区，被电源正极抽走，而P的多子空穴被电源负极抽走，同样N区的多子电子被电源正极抽走而少子空穴则渡过耗尽层达到P区从而形成光电流。入射光强强，激发的电子空穴对多，光电流大。入射光强弱，激发的电子空穴对少，光电流小。从而将光仪号的强弱转变成为电仪号的强弱2、典型光电=极管结构（1）P=I-N光电=极管在P层和N层之间夹入一层本征成低掺杂的工层材料就构成了P-I-N结构的光电=极管，如图示出其基本结构。半导体吸收光子后产生电子空穴对。对于产生在耗尽层和耗尽层外载流子扩散长度以内的电子空穴对，最后将被耗尽区的电场分开，漂移通过耗尽层，在外电路产生电流，P层和N层之间的I层也是耗尽层，它增加了耗尽层的宽度。在足够高的反向偏压下，I层完全变成耗尽层。在I层中产生的电子空穴对立刻被电场分离而形成光电流在I层之外产生的电子空穴对以扩散方式向耗尽层边缘扩散然后被耗尽层收集，形成扩散电流。I层的目的是为了使光电二极管获得最佳的量子效率和频率响应。（2）雪崩光电=极管雪崩=极管是一种常用光电探测器，它利用器件内部的雪崩倍增过程使光吸收产生的电流得到放大，如图是它的基本结构。当反向偏压足够大时，结的强电场将引起载流子的雪崩倍增，形成倍增区，使光电流得到放大。I层厚度做得比较大。直接带隙材料为微米数量级，间接带隙材料为几十个微米量极，是光的吸收区域，其间的电场不足以发生碰撞电离，但通常能使载流子以饱和漂移速度运动，N型保护环的作用是防止结的边缘击穿。中间的结的击穿将光于保护环击穿。设计雪崩光电二极管的一个重要考虑是如何减少雪崩噪声。雪崩噪声是由雪崩过程的随机产生的，在耗尽层中每一给定距离所产生的每一个电子空穴对并不经历相同的倍增过程。雪崩噪声和电离率比（）有关，越小，雪崩噪声也越小。III-V族化合物半导体是制造光电器件的重要材料，原则上，在直接带隙半导体情况下，光电探测器的吸收区不必很长，雪崩光电二极管可以由宽的吸收区和倍增区构成。但对于窄带隙材料，碰撞电离所需要的强电场会会引起很大的来自带间隧道效应的漏电流。为了避免这种现象，通常采用分别吸收和倍增的雪崩光电二极管结构，如图所示，光吸收发生在窄禁带材料内，雪崩倍增过程发生在宽禁带材料内。如图表示1.51.65波长的光通信用InGaAs光电二极管的典型结构，在衬底上外延生长光吸收层和倍增层，并在这两层中间夹入层。夹入层是用来缓和InGaAsP和InP层的禁带宽度Eg（分别为0.75ev和0.35ev）的差异所产生的价带不连续，使光吸收产生的空穴迅速流入倍增层，作为倍增层的InP材料的空穴电离率大于电子电离率（），这种光电二极管的倍增过程是由空穴碰撞电离而在N型InP中形成的。（3）金属-半导体光电二极管金属半导体光电二极管的结构如图所示，入射光穿过金属层进入半导体。为了避免大量的反射和吸收损耗，金属接触层通常做得很薄（约10nm）而且定力反射涂层。金属半导体光电