第十章半导体的光学性质和光电

1、2021/2/61 半导体光电 半导体的光电性质是半导体材料最重要性质之 一。 半导体的光电效应是各种光电器件的基础。 光学方法是研究半导体的能带结构和检测材料 参数的一种重要手段。 本章:讨论半导体的光吸收、光生伏特效应等半 导体材料基本的光电性质和应用。 2021/2/62 半导体的光学常数 v设均匀不带电的介质的复折射为 ,磁 导率m=m0（对于光学中所讨论的大多数固体材 料,相对磁导率mr=1),介电常数e=ere0,电导率s,则 光（频率为w）在中传播时,有以下关系: 以上公式中n0为折射率,k为消光系数。 nni= 0 k =11 2 1 2/1 2 0 22 2 2 0 eew

2、s e r r n ke s w e e 2 2 22 0 2 1 2 1 2 11= r r / 2021/2/63 反射率 v当光照射到介质的界面时,或多或少会发生反射。 反射光强与入射光强之比称为反射率。当光从 空气垂直人射到介质表面时,可以得出反射率R 为 v对于吸收很弱的材料,k很小,反射率R比纯电介 质的稍大。对于金属,由于k很大,R很接近于1。 R n n = () () 1 1 22 22 k k 2021/2/64 透射率 v在介质的界面上,除了光的反对外,还有光的透 射,透射光强与入射光强之比称为透射率。若不 考虑光的吸收,则在界面上透射率T与反射率满 足下式: T=1-R

3、 v一般情况下,光透过一定厚度的介质时,透射率 与反射率之间有以下的关系: T Rd Rd = () exp() exp() 1 12 2 2 2021/2/65 吸收系数 v上式中的a称为吸收系数,它与消光系数的关系 为 v吸收系数的物理意义:光在介质中传播距离1/ 时,光的强度衰减到原来的1/e。 v对于电介质材料,消光系数趋于,光在这类材 料中没有被吸收,因此材料是透明的。 v在金属和半导体中,消光系数不为0,即存在光吸 收,光的强度随着透入深度的增加按指数规律衰 减,即 2wk c x eII = 0 2021/2/66 半导体的光吸收吸收 v半导体材料中的电子吸收光子的能量,从能量较

4、低的 状态跃迁到能量较高的状态。这种跃迁可以发生在: 1、不同的能带之间; 2、同一能带的不同状态之间; 3、禁带中的分立能级之间; 4、禁带中的分立能级和能带之间。 v以上各种吸收引起不同的吸收过程。 2021/2/67 本征吸收 v在半导体中。最主要的吸收过程是电子由价带 向导带的跃迁所引起的光吸收,称为本征吸收或 基本吸收这种吸收伴随着电子-空穴对的产生, 使半导体的电导率增加,即产生光电导。显然, 引起本征吸收的光子能量必须等于或大于禁带 宽度,即 v对应的波长称为本征吸收限。根据上式,可得出 本征吸收长波限的公式为 hhE g = 0 )( )( 242. 1 m eVEg c m=

5、 2021/2/68 Burstein-Moss effect 2021/2/69 吸收谱与吸收边 v吸收系数对光子能量（或波 长）的依赖关系称为吸收谱。 v本征吸收限可在吸收谱中明 显地表现出来。吸收系数曲 线在短波端陡峭地上升,是半 导体吸收谱突出的一个特点。 它标志着本征吸收的开始。 v通常把吸收限附近的吸收谱 称为吸收边。它相应于电子 由价带顶附近到导带底附近 的跃迁。 2021/2/610 直接跃迁 v电子在跃迁过程中,除了能量必须守恒外,还必须满 足准动量守恒。设电子的初态和末态的波矢分别为k 和k,则应有 v若电子在跃迁前后的波矢可以认为保持不变,则这种 跃迁称为直接跃迁。这种跃

6、迁过程相当于电子由价 带竖直地跃迁到导带,所以也称为垂直跃迁。 v对下图那样的能带结构,直接跃迁的吸收系数为 v这种能带结构称为直接能隙半导体材料。 kk hv c = w w = BwEg() / 1 2 E 0 E g g 2021/2/611 直接跃迁-由吸收谱求能隙宽度 2与的关系为一直线,将此直线外推到=0处,可得出禁 带宽度Eg。 2021/2/612 ZnO film 2021/2/613 ZnO film 2021/2/614 间接跃迁 v若导带底和价带顶位于k空间的不同位置,例如在Si 和Ge中,那么任何竖直跃迁所吸收的光子能量都应 该比禁带宽度大。 v但实验指出,引起本征吸

7、收的最低光子能量还是约等 于Eg。 v推论:除了竖直跃迁之外,还存在另一类跃迁过程:由 价带顶向具有不同值的导带底的跃迁。 2021/2/615 v在这种跃迁过程中,电子 的准动量变化很大。由 于光子的动量很小,所以 必须吸收或发射声子才 能满足准动量守恒。设 声子的波矢为,略去光 子的动量,准动量守恒由 下式给出: v v如果用表示声子的能 量,则能量守恒可表示为 kkq= EEE fip = 光子波矢 电子波矢 kcm= 2 5104 1 2 108 1 a cm 2021/2/616 吸收系数 v在以上二式中,正号和负号分别对应于吸收和发射声 子的过程。 v这种除了吸收光子之外还要吸收或

8、发射声于的跃迁, 称为间接跃迁或非竖直跃迁。相应的材料称为间接能 隙半导体材料。 v由于声子的能量很小,一般不超过百分之几电子伏特, 所以间接带间跃迁所涉及的光子能量仍然接近禁带宽 度。 ww w w w w = AEE EkT AEE EkT E AEE EkT EE gP p gP p p gP p Pp () exp(/) () exp(/) () exp(/) 22 11 1 E EE 0 E g gg g 2021/2/617 吸收谱线 v不难看出,如果以 为纵坐标,以光子能量 为横坐标,则吸收谱线应 为两条直线 v对应横坐标上的两个截距, 分别为Eg-Ep和Eg+Ep。 v由此可以

9、求出禁带宽度和 声子的能量。 2021/2/618 间接跃迁材料的缺点 v实际上在直接禁带半导体中,涉及声子发射和吸 收的间接跃迁也可能发生,即直接禁带半导体中 也会发生间接跃迁。同样,在间接禁带半导体中, 也可能发生直接跃迁。但它们不是能量最低的 带间跃迁。 v间接跃迁要求同时有光子和声子参加,是一个二 级过程,跃迁几率要比直接跃迁的跃迁几率小得 多,相应的吸收系数也较小。 v因为光电器件一般均涉及电子的跃迁,因此间接 能隙半导体材料一般不适宜作为光电材料,尤其 不能作为发光材料。 2021/2/619 激子吸收 v在低温时发现,某些晶体在本 征吸收连续光谱区的低能侧 靠近吸收限附近存在一系

10、列 吸收线,并且对应于这些吸收 线不伴随有光电导。 v起因:激子吸收电子空穴对） E m m n eV ex n r = 1136 22 e * . () 2021/2/620 自由载流子吸收 v当入射光的波长较长,不足以引起 带间跃迁或形成激子时,半导体中 仍然存在光吸收,而且吸收系数随 着波长的增加而增加。这种吸收是 自由载流子在同一能带内的跃迁引 起的,称为自由截流子吸收。 v载流子对电磁能量的吸收显著地依 赖于频率（或波长）。可以证明, 自由载流子的吸收系数 。 v自由载流子吸收也需要声子参与, 因此也是二级过程,与接跃迁过程 类似。但这里所涉及的是载流子在 同一带内的跃迁。 2 20

11、21/2/621 子带间的跃迁 v电子在价带或导带中子带（sub-band）之间的 跃迁。在这种情况下,吸收曲线有明显的精细结 构,而不同于由自由载流子吸收系数随波长单调 增加的变化规律。 v多半导体的价带在价带顶附近由三个子带组成, 不同子带间可以发生三种引起光吸收的跃迁过 程。 v（a）从轻空穴带到重空穴带的跃迁 v（）从分裂的带到重空穴带的跃迁 v（c）从分裂的带到轻空穴带的跃迁。 2021/2/622 杂质吸收 v杂质可以在半导体的禁带中引入杂质能级,例如 Ge和Si中的III族和V族杂质。占据杂质能级的 电子或空穴的跃迁可以引起光吸收,这种吸收称 为杂质吸收,可以分为下面三种类型:

12、吸收光子可以引起中性施主上的电子从基 态到激发态或导带的跃迁; 中性受主上的空穴从基态到激发态或价带 的跃迁; 电离受主到电离施主间的跃迁; v由于杂质能级是束缚态,因而动量没有确定的值, 所以不必 满足动量守恒的要求,因此跃迁几率 较大。 2021/2/623 电子在杂质能级及杂质能级与带间的电子在杂质能级及杂质能级与带间的 跃迁跃迁 2021/2/624 杂质能级吸收示意图 2021/2/625 晶格振动吸收 v由于光子和晶格振动的相互作用引起的光吸收称为晶 格振动吸收。 v晶格振动能量一般在红外区。 v对于离子晶体或具有离子性的化合物半导体,红外光的 高频电场能使正负离子沿相反的方向位移

13、,即激发长光 学波振动,这种振动造成交变的电偶极矩,导致光的吸收。 v 在元素半导体Ge和Si中,虽然不存在固有电偶极矩,但 仍能观察到晶格振动吸收。实际上,这是一种二级效应, 由于红外光产生的电场感应出电偶极矩,此电偶极矩反 过来又与电场耦合引起光吸收。 v 2021/2/626 光生伏特效应-Photovoltaic v 用适当波长的光照射非均匀半导体,例如P-N结 和金属-半导体接触等,由于势垒区中内建电场 （也称为自建电场）的作用,电子和空穴被分开, 产生光生电流或者光生电压。 v这种由内建电场引起的光-电效应,称为光生伏 特效应。 v利用光电效应可以制成太阳能电池,直接把光能 转换成

14、电能,这是它最重要的实际应用。另外, 光生伏特效应也广泛应用于光电探测器。下面 以P-N结为例介绍这种效应。 2021/2/627 P-N结中光生伏特效应的物理过程 v光子能量大于禁带宽度,结较浅,因而光激发在结两边都 能产生电子-空穴对。 vP-N结的势垒区内存在较强的内建电场,结区附近的少 子很容易在这个电场的作用下进入另一区,成为多数载 流子,从而在P区形成空穴的积累,在N区形成电子的积 累。 v这时如果把P-N的两端接上负载,就会有电流通过,这时 PN结就成为光电池,在其内部形成由N区流向P区的光 生电流。 v如果外回路开路,则上述的电荷积累将导致PN结两端形 成电势差,使势垒高度降低

15、为,产生正向电流。当光生电 流和正向电流相等时,PN两端建立起稳定的电势差Voc （P区相对N区是正的）,这也就是光电池的开路电压。 2021/2/628 几种光伏结构的能带图 2021/2/629 光照前后情况 2021/2/630 光电池的I-V特性 2021/2/631 光电池的电流电压特性 v光电池的伏安特性 为 v其中Iph为光电流,I 为流过负载的电 流,Is为反向饱和电 流。 =1ln s ph I II e kT V 2021/2/632 太阳能电池的4个参数 v开路电压:如果外电路开路,则 称为光电池的开路电压。 v短路电流:如果将外电路短路, 则V=0 v填充因子F:光照时

16、I-V曲线IV象 限所围面积中最大的矩形面积 与Voc、Isc所围的矩形面积之 比。 =1ln s ph I I e kT V phsc II=转换效率:光照时I-V曲 线IV象限所围面积中 最大的矩形面积与光 功率之比 scoc mm IV IV F = ph mm P IV = 2021/2/633 半导体发光 v 发光是光吸收的逆过程。 它起源于电子在能级之间 的跃迁。 v发光反映了: 电子在相关能级的分布 激发态的寿命 载流子弛豫途径 能级密度及占有等情况。 2021/2/634 发光的五个特征参量 v光谱:发光强度随波长变化的规律。它反映了发光的来源、跃迁中 的始态及未态、跃迁几率等

17、。 v效率:光致发光中有量子效率、光度效率及能量效率三种表示方法。 实用中光度效率（流明/瓦）比较流行。这是因为用流明来表示发 光强度时计及了眼睛的灵敏度。发光强度既和发光效率有关,又和 输入能量有关。 v发光期间或激发态寿命:它表示从激发停止起,发光在多长的期间内 衰减下来。对于分立中心而言,发光的衰减符合指数规律,但很多情 况并非如此。对于复合发光,情况更复杂。衰减曲线对了解发光动 力学是十分重要的。 v偏振:它说明发光是各向同性的,还是各向异性的。这反映发光中心 的结构,它与基质晶体的对称性有关。 v相干性:一般情况下,发光是非相干的,而激光则是相干的。因为发光 是自发发射,而激光是感生

18、发射。从相干性能可以估计受激发射的 成分。 2021/2/635 发光的种类 名 称 光致发光 阴极射线发光 电致发光 韧致辐射 黑体辐射 化学发光 生物发光 闪 电 起 因 吸收入射光的能量 吸收电子束的能量 真空放电或电场激发 带电粒子加速运动 发热 化学反应热 生物组织中的化学反应 正负电荷碰撞 2021/2/636 绝缘体与半导体发光的异同 v 绝缘体及半导体都可产生发光。 v绝缘体的发光:发光中心,即靠掺进合适的杂质。 v半导体发光:主要依靠能带中载流子的复合,但 也可依靠分立发光中心。 v绝缘体的发光更多地反映发光中心的性质,而 半导体的发光既可反映杂质的性质,又可反映 能带的性质

19、。 2021/2/637 发光中心发光-色心 v发光中心是杂质和缺陷引起的位于禁带中的局域电子态。因为跃 迁时不需要遵守动量守恒规则,因而发光效率较高。 v在发光材料中常常要掺进少量杂质,其目的有: 1、形成发光中心,提高发光中心浓度 2、形成淬灭中心,缩短发光余辉,提高器件工作速度。 3、改变半导体的导电类型。 v常用的杂质: 1、过渡族金属离子; v2、稀土离子; 3、施主或受主; v4 、 等 电 子 杂 质 : 和 基 质 原 子 （ 或 离 子 ） 的 外 层 电 子 数 相同的杂质,但电负性相差较大的杂质; v5、类汞离子。 v*主要用于绝缘体,但也可由于半导体材料,如硅中掺铒等。

20、 2021/2/638 复合发光 v 半导体发光主要依靠复 合发光。复合过程包括: 1、导带电子和价带空穴 复合发光; 2、导带电子和杂质上的 空位复合发光; 3、杂质上的电子和价带 空穴复合发光。 2021/2/639 间接能带半导体的发光 v如果是间接能带半导体,那么电子从高能级跃迁 到低能级时除了满足能量守恒外,还必需满足动 量守恒,因此跃迁几率较低,即发光效率很低。 v因为硅是间接能带半导体,因此直接用硅作为发 光器件效率很低。这就是硅在光电方面应用时 遇到的最大困难。 v改进措施:1、掺杂形成发光中心,如掺Er;构成 超晶格,如Si-SiO2,GeSi,硅量子点等。 2021/2/6

21、40 边缘发射 v 在激发能量和禁带宽度接近时,可以看到能量 接近禁带宽度的辐射。它们在低温下是线光 谱,包括: 1、激子和束缚激子 2、等电子陷阱 3、施主-受主对的发光等。 2021/2/641 激子复合发光 v激子是电子-空穴对, 在一定的条件下电子 和空穴复合发射出能 量接近禁带宽度的光。 2 n R Eh g = 2021/2/642 施主-受主对的发光 v当施主与受主靠得很近,以致它们的波 函数重叠时,电子可以通过隧道效应和 空穴复合发光。 v这一现象是1956年Prener 及Williams 为解释ZnS的发光而发现的。后来证 实它在很多半导体的发光中都是存在 的。它的发光的光

22、子的能量是: e:介电常数,R是施主与受主之间所有可 能的晶格距。 E REEE e R gDA ( )()= 2 e 2021/2/643 等电子杂质与束缚激子 v和 基 质 原 子 （ 或 离 子 ） 的 外 层 电 子 数 相同的杂质,但电负性相差较大的杂质称。 v如 ZnTe中的O,GaP中的N,CdS电Te,GaP中Bi。 v俘获了电子（成空穴）的等电子陷阱又通过库 仑相互作用吸引一个空穴（或电子）形成束缚 激子。 v掺入等电子杂质对提高间接带材料的发光效率 十分有效,这是提高发光效率的一种有实用价值 的方法。 2021/2/644 等电子杂质提高发光效率的物理本质 v测不准关系DP

23、Dqh。如果一个粒子的空间位 置受到约束,那么它的动量就测量不准,即动量 没有确定的值。 v载流子被等电子杂质束缚在很小范围,因此其动 量可以在较大范围里变化,从而可以比较容易地 满足跃迁中的动量守恒的要求而无需声子的参 加,因而提高了跃迁几率。 v因为等电子陷阶的作用是短程的,它对载流子的 束缚能很小。因此它引起的发光的波长就较短。 v短波长对提高存储密度有很大的好处。 2021/2/645 量子点光电器件 测不准关系DPDqh。如果一个粒子的空间位置受到约 束,那么它的动量就测量不准,即动量没有确定的值。 载流子被等电子杂质束缚在很小范围,因此其动量可以在 较大范围里变化,从而可以比较容易

24、地满足跃迁中的动量 守恒的要求而无需声子的参加,因而提高了跃迁几率。 通过量子约束效应,可以改变光子能量（蓝移） 多孔硅、纳米硅、NCS量子阱,B位错环 2021/2/646 Under sunlight Under UV light Porous silicon made in 1992 in SKLSM 2021/2/647 场致发光 v场致发光:固体在电场的作用下将电能直接转换 为光能的发光现象,也称为电致发光。 v场致发光的种类: 按结构分类: 粉末（II-VI族化合物） 簿膜（II-VI族化合物） 结型（III-V族） v按激发方分类: 交流电场激发 直流电场激发 2021/2/64

25、8 交流粉末场致发光光源 v 交流粉末场致发光光源 的结构如右图所示。该器 件的发光材料（通常为 ZnS:Cu）悬浮在介电系 数很高、透明而又绝缘的 胶合介质中,并被两电极 所挟持。背电极由金属导 电膜制作,透明的SnO导 电膜作为另一电极,高介 电系数的TiO反射层不仅 能有效地反射光,而且还 有防止击穿作用。当在两 电极间加上交变电场时, 粉未就会产生场致发光。 2021/2/649 交流场致发光光源的性能 v亮度与所加的交流电压幅度和频率有关。在较低频率 下,亮度随频率线性增加。频率高到一定范围,亮度就出 现饱和趋势。饱和频率的高低随具体发光材料的种类 而变。对同一种发光材料,电压越高,

26、饱和频率也越高。 频率一定时,发光强度与电压的关系为 v发光亮度随时间而变化,即发光波形。场致发光的余辉 极短,电压一去掉,发光马上消失。脉冲激发下,场致发 光的反应速度很快,上升时间常数比衰减时间小得多。 LL V V = 0 0 1 2 exp / 2021/2/650 交流场致发光光源的优缺点 v优点: 可固体化、平板化;工作可靠、安全、寿 命长;占地小、易于安装;面积与形状几乎不受 限制,可以通过光刻、掩膜制成任意发光图形; 是冷光源,无红外辐射,隐蔽性好;视角大,光线柔 和,易于观察;功耗低,约几毫瓦厘米2;发光易 于电控。 v缺点: 亮度较低（一般使用亮度为50cd/m2左 右）、

27、驱动电压高（通常需上百伏）、老化快。 2021/2/651 直流粉未场致发光光源 v结构:与交流粉未场致发光光源类似。但其发光涂层是 导电的CuxS,而不是大量分布在中间的绝缘胶合介质。 v激发:前者依靠交变电场激发,而直流场致发光吸收的能 量等于通过发光体的传导电流与实际施加在发光体上 电压的乘积。 v要求:发光体与电极有良好的接触。 v使用要求:使用前需在两电极上施加短暂的高压脉冲,使 铜离子从紧挨着阳极的发光体表面上失落,形成一高阻 的薄ZnS层。 v工作电压较低,但由于大部分电压降落在高阻层上,因此 ZnS也能发光。 v 2021/2/652 直流粉末场致发光源的优缺点 v优点:亮度高

28、,在约100V的直流电压激发下,发光亮度高 达300cd/m2,且亮度随电压上升而迅速上升。 制造工艺简单,成本低,外部驱动方便。 v缺点:效率低,功率转换效率只有0.1%,而且寿命较短 （约1000小时）。 2021/2/653 薄膜场致发光 v将固体发光材料制成薄膜的形式,在电场作用下 出现的发光现象,称为薄膜场致发光。 v薄膜场致发光光源与粉未场致发光光源在形式 上极其相似,发光层夹在两个平板电极之间,如 同一个平板电容器。两个电极中,至少有一个是 透明的或半透明的,如导电玻璃等,当在两电极 上加电压时,薄膜发光并通过它透射出来。 v薄膜场致发光也有直流和交流两种。交流薄膜 场致发光大源

29、是在发光膜层与电极之间增加一 层绝缘层,因此只在交流电压激发下才发光。 2021/2/654 薄膜场致发光的特点 v差别:薄膜场致发光的突出特点是没有介质,它 仅仅由ZnS多晶掺Mn后彼此联接而成。 v薄膜发光体可与电极直接接触,加上膜很薄（约 1mm左右）,因而可获得低压直流场致发光,一 般工作电压只要十几伏至几十伏。 v由于膜的厚度很薄,又没有介质,颗粒均匀细密, 因此薄膜场致发光有很高的分辨率,成象质量高。 v发光亮度随电压变化迅速,显示对比度好。 v直流簿膜发光器件的驱动电压低,可直接用集成 电路驱动。 2021/2/655 器件厚度对分辨率的影响 2021/2/656 发光二极管 v

30、发光二极管就是一个由p型和N型半导体组合成 的二极管。少数载流子在PN结区的注入与复 合引起发光。发光二极管也称作注入式场致发 光光源。 v当加上正向偏压时,在外电场作用下,p区的空穴 和n区的电子就向对方扩散运动,构成少数载流 子的注入,从而在PN结附近产主导带电子和价 带空穴的复合。 v电子和空穴的每一次复合,将释放出与材料性质 有关的能量（Eg）,这个能量会以热能、光能、 或部分热能和部分光能的形式辐射出来。 2021/2/657 发光二极管的结构 2021/2/658 发光二极管的特性参数 v量子效率:输入和输出能量之间的比值。 1、注入的载流子不见得都复合;可能通过结区 的 隧 道

31、效 应 和 其 他 的 形 式 流 走 。 2、复合后也不定都发光。可能以晶格振动 （热能）或其他形式的能量（如俄歇跃迁）,即 所谓的无辐射复合。 v内量子效率:发光复合在整个过程中占的比例。 v外量子效率:产生的光子数并不能全部射出器件 之外。向外界发射的光子能量占输入能量的比 例就是外量子效率。 2021/2/659 提高外量子效率的途径 v某些发光二极管材料的内量子效率很高,接近100,但 外量子效率却很低。 v主要原因:所用半导体材料的折射率较高,如GaAs的折 射率为3.6,因此发生全内反射的临界角很小,大部辐射 到材料与空气界面上光几乎全部被反射回去,故光能损 失很大。 v为 了

32、减 少 全 反 射 损 失 , 通 常 采 用 两 种 方 法 : 1、把半导体与空气的交界面做成半球形,以便让绝大 部分的光线以小于临界角的方向射出表面。 v2、把PN结密封在透明的高折射率的塑料中。这种结 构与半导体空气界面相比,光输出约增大三倍。 v3、采用铸塑方法把塑料做成半球形,进一步减少光能 损失。 2021/2/660 提高外量子效率的实用方法 2021/2/661 发光与电流的关系 v发光二极管的电流-电压特性和普通的二板管大 体一样。 v对于正向特性,存在一个开启电压。电压小于开 启以前几乎没有电流,电压一超过开启点就显示 出欧姆导通特性,工作电流一般为550mA。 反向击穿

33、电压一般在5V以上。 v发光二极管的光出射度与电流密度近似成正比。 v发光二极管的光出射度还强烈地依赖于工作温 度。当环境温度较高或工作电流过大时,由于热 损耗,使光出射度不再继续随着电流成比例提高, 出现饱和现象。 2021/2/662 光谱特性 v发光二极管的发光光谱直接决定著它的发光 颜色。目前能制造出红、绿、黄、橙、蓝、 红外等各种颜色的发光二极管,发光光谱半宽 度约为2030nm。 v随着结温的上升,峰值波长将随温度增加漂向 长波方向漂移,即发射波长具有正的温度系数。 v为什么? 2021/2/663 响应时间 v发光二极管的响应时间是表示反应速度的一个 重要参数,尤其在脉冲驱动或电

34、光调制时显得十 分重要。 v响应时间是指接通或断开电源时发光二极管启 亮或熄灭的时间。直接跃迁的材料的响应时间 仅几个纳秒,而间接跃迁材料的响应时间约为 100纳秒。为什么? v发光二级管可利用交流供电或脉冲供电获得调 制光或脉冲光,调制频率可达几十兆赫。这种直 接调制技术使发光二极管在相位测距仪、能见 度仪及短距离通讯中获得应用。 2021/2/664 工作寿命 v发光二极管的寿命一般是很长的,在电流密度 小于1A/cm2的情况下,寿命可达106小时。即 可连续工作一百余年,这是任何光源均无法与 之竞争的。 v发光二极管的亮度随着工作时间的增加而衰 减,这就是老化。老化的快慢与电流密度有关。

35、 2021/2/665 其他光电器件 v光电导 v光敏二极管 v光敏三极管 v光耦合器件 v光波导 v光存储 v光放大 v光调制 v逻辑功能 2021/2/666 增益 td V N N G ph e m= D D = 2 光电导型光探测器 2021/2/667 光敏二极管 v光敏二极管的原理基本 上和光电池相同,当光照 射到PN结上时,流过PN 结的电流会发生变化。 因此,通过测量流过PN结 的电流即可测量出入射 光的强度。 2021/2/668 光敏三极管 v光敏三极管是一个有 基区但没有基极的三 极管。基区留有窗口 让光通过。 v当有光照射到基区上 时,有构成be的PN结 上有光生电流产

36、生,此 电流经三极管放大后 流过负载。 2021/2/669 光耦合器件 v 光耦合器件是将发光二极 管和光电接收元件组合而构 成的一种器件,它是以光子 作为传输媒介,将输入端的 电信号耦合到输出端,但输 入端和输出端在电路上是隔 离的。 v光电耦合器件具有体积小、 寿命长、抗干扰能力强和输 入输出间绝缘性能好,单向 传输等特点,因而在工业控 制等方面得到广泛的应用。 2021/2/670 负阻发光器件 v负阻发光二极管的结构及伏安特性如下图所示, 它相当于两个PN结串在一起,但可以等效为两 个三极管。其伏安特性曲线呈S型。 2021/2/671 工作原理 v当加上如图所示的电压时,由于 PN

37、结J2反向,故几乎无电流流过, 当偏压提高到J2的击穿电压时, 电流开始上升。由于P1N1P2和 N1P2N2具有晶体管放大作用,整 个体系的电流倍增率大于1,于 是电流急增,同时压降迅速降低。 2021/2/672 v实际工作时,在负阻发光管上预先加上直流偏压,它低于负阻的 闭锁电压。 v当要选通时,只需在控制极上加一幅度较大的脉冲电压,负阻发 光管就可以呈“通”状态,负阻发光管上的电压降为V0。负阻发 光管此时可以发出很明亮的光,并且一直保持着,即能把电信号 用发光的形式“记住”。 v要擦除这记住的信号,除非电压低于维持电压。也可在控制极上 加反向脉冲来擦除,其幅度应大于所加的正向电压。

38、v当有光照时,脉冲开启电压可以降低,甚至直接用光照就可使负 阻发光管开启。这样可以用一种波长的光把信号写入,使负阻光 管“记住”,并通过负阻发光器件发出另一波长和强度的光进行 读出。 v这一性能可用于光存储、光放大、光波长转换等。 2021/2/673 半导体激光器 v在异质结应用中已经提到。 v 1962年,从由液氮冷却的正向偏置的GaAs 的PN结 得到了8100埃的脉冲辐射。 v不久之后,又有人宣称在GaAs1-XPx混合晶体的结中 取得了7100埃的激光作用。 v目前由半导体激光器发出的相干幅射的波长已经从 红外进入紫外范围。 2021/2/674 产生激光的条件和过程 v 激光器一般是由工作物质、谐振腔和泵浦源组成。 v利用泵浦源能量将工作物质中的粒子从低能态激发到高能态, 使处于高能态的粒子数多于处于低能态的粒子数,构成粒于数 的反转分布,这是产生激光的必要条件。 v当高能态粒子从高能态跃迁到低能态而产生辐射后,它通过受 激原子时会感应出同相位同频率的辐射,这些辐射波沿由两平 面构成的谐振腔来回传播时激发出更多的