第9章光电器件03

1、半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理第第9 9章章 光电器件光电器件1n半导体激光和固态红宝石激光及氦氖气体激光比较：半导体激光和固态红宝石激光及氦氖气体激光比较：p共性：方向性很强的单色光束，谱线较共性：方向性很强的单色光束，谱线较LED的窄的窄。p不同之处：不同之处：半导体激光较其他激光体积小半导体激光较其他激光体积小（长度（长度0.1mm）；）；在在高频时易于调制，只需要调节偏压电流即可高频时易于调制，只需要调节偏压电流即可。n应用：应用：p光纤通信中的光源，录像机、光学刻录机及高速激光打印机等。光纤通信中的光源，录像机、光学刻录机及高速激光打印机等。p基础研究与技术

2、领域，高分辨率气体光谱学及大气污染监测等。基础研究与技术领域，高分辨率气体光谱学及大气污染监测等。 n都具有直接禁带都具有直接禁带：动量守恒，辐射性跃迁几率较高，量子效率高。：动量守恒，辐射性跃迁几率较高，量子效率高。n波长涵盖范围：波长涵盖范围：0.3m30m。n砷化镓砷化镓最先被发现可发出激光，相关连的最先被发现可发出激光，相关连的-V族化合物合金。族化合物合金。 激光半导体材料激光半导体材料 9.3 半导体激光半导体激光半导体器件物理半导体器件物理第第9 9章章 光电器件光电器件2图图(a)为基本为基本p-n结激光（同质结激光），结激光（同质结激光），GaAs。沿着垂直于。沿着垂直于轴方

3、向劈成一对平行面，外加适当偏压时，激光就从这轴方向劈成一对平行面，外加适当偏压时，激光就从这些平面发射出来（图中仅示出前半面的发射）。些平面发射出来（图中仅示出前半面的发射）。二极管另外两侧加以粗二极管另外两侧加以粗糙化，以消除激光从这糙化，以消除激光从这两侧射出的机会，此结两侧射出的机会，此结构称法布里构称法布里-波罗腔，典波罗腔，典型腔长型腔长L约约300m，法，法布里布里-波罗腔结构广泛用波罗腔结构广泛用在近代半导体激光器中。在近代半导体激光器中。基本的激光器结构基本的激光器结构横向纵向金属接触GaAs-pGaAs-n接触Lxy110z横向纵向金属接触GaAs-pGaAs-n接触Lxy1

4、10z同质结激光)(aAsGaAl-p1 xxAsGaAl-n1 xxGaAs-p激光双异质结)DH()(bAsGaAl-p1 xxAsGaAl-n1 xxGaAs-p激光双异质结)DH()(b金属氧化物GaAsp AsGaAlp1 xxGaAspAsGaAln1 xx衬底GaAsLsd激光长条状DH)(c金属氧化物GaAsp AsGaAlp1 xxGaAspAsGaAln1 xx衬底GaAsLsd金属氧化物GaAsp AsGaAlp1 xxGaAspAsGaAln1 xx衬底GaAsLsd激光长条状DH)(c图 8.23法布里-波罗腔形态的半导体激光结构半导体器件物理半导体器件物理第第9 9

5、章章 光电器件光电器件3图图(b)是双异质结构（是双异质结构（DH）激光，结构类似于三明治。有一层很薄的）激光，结构类似于三明治。有一层很薄的半导体（如半导体（如GaAs）被另一种不同半导体（如）被另一种不同半导体（如AlxGa1-xAs）所包夹。）所包夹。图图(a)及图及图(b)所示结构为所示结构为大面积激光大面积激光，因为沿着结的整个区域皆可发出激光。因为沿着结的整个区域皆可发出激光。图图(c)是是长条形长条形DH激光，除长条接触激光，除长条接触区域外，皆由氧化层绝缘隔离，所以区域外，皆由氧化层绝缘隔离，所以激光发射的区域就约束在长条状接触激光发射的区域就约束在长条状接触下面的狭窄范围。典

6、型条状区宽度下面的狭窄范围。典型条状区宽度s约约530m。优点优点：低工作电流、消：低工作电流、消除沿着结处的多重发射区域、因除掉除沿着结处的多重发射区域、因除掉大部分结周围区域而提高可靠度。大部分结周围区域而提高可靠度。 横向纵向金属接触GaAs-pGaAs-n接触Lxy110z横向纵向金属接触GaAs-pGaAs-n接触Lxy110z同质结激光)(aAsGaAl-p1 xxAsGaAl-n1 xxGaAs-p激光双异质结)DH()(bAsGaAl-p1 xxAsGaAl-n1 xxGaAs-p激光双异质结)DH()(b金属氧化物GaAsp AsGaAlp1 xxGaAspAsGaAln1

7、xx衬底GaAsLsd激光长条状DH)(c金属氧化物GaAsp AsGaAlp1 xxGaAspAsGaAln1 xx衬底GaAsLsd金属氧化物GaAsp AsGaAlp1 xxGaAspAsGaAln1 xx衬底GaAsLsd激光长条状DH)(c图 8.23法布里-波罗腔形态的半导体激光结构半导体器件物理半导体器件物理第第9 9章章 光电器件光电器件4n光探测器光探测器：光的信号转换为电的信号光的信号转换为电的信号。n光探测器的工作包括三个步骤：光探测器的工作包括三个步骤： 由入射光产生载流子由入射光产生载流子； 通过任何可行的电流增益机制，使载流子传导及倍增通过任何可行的电流增益机制，使

8、载流子传导及倍增； 电流与外部电路相互作用，以提供输出信号电流与外部电路相互作用，以提供输出信号。n应用：应用：光隔离器的红外传感器光隔离器的红外传感器以及以及光纤通信的探测器光纤通信的探测器。n器件要求：在工作波长中具有高灵敏度、高响应速度及低器件要求：在工作波长中具有高灵敏度、高响应速度及低噪声；轻薄短小、低电压或低电流，高可靠度。噪声；轻薄短小、低电压或低电流，高可靠度。9.4 光探测器光探测器半导体器件物理半导体器件物理第第9 9章章 光电器件光电器件5光照下电导率的增加主要由于载流子数目的增加而引起的。光照下电导率的增加主要由于载流子数目的增加而引起的。本征光敏电阻的长截止波长由本征

9、光敏电阻的长截止波长由c=1.24/Eg决定决定。非本征光敏电阻非本征光敏电阻，能带边缘及禁带内的能级之间也会产生光，能带边缘及禁带内的能级之间也会产生光激发。此情况下，激发。此情况下，长截止波长则决定于禁带能级的深度长截止波长则决定于禁带能级的深度。 本征光敏电阻本征光敏电阻中，电导率为中，电导率为 npqnp光敏电阻光敏电阻光敏电阻包含一个光敏电阻包含一个半导体平板半导体平板，且，且在平板两端具有在平板两端具有欧姆接触欧姆接触，如图。，如图。当入射光照到光敏电阻表面时，发当入射光照到光敏电阻表面时，发生本征或非本征跃迁，从而产生电生本征或非本征跃迁，从而产生电子子-空穴对，导致电导率增加。

10、空穴对，导致电导率增加。 hWLD欧姆接触欧姆接触半导体hWLD欧姆接触欧姆接触半导体图 8.30由一半导体平板与两端的接触所构成的光敏电阻的示意图半导体器件物理半导体器件物理第第9 9章章 光电器件光电器件6n光电二极管工作于光电二极管工作于反向偏压的反向偏压的p-n结或金属结或金属-半导体接触半导体接触。n由光产生的电子由光产生的电子-空穴对在耗尽区内建电场作用下分离，空穴对在耗尽区内建电场作用下分离，因此有电流流至外部电路。因此有电流流至外部电路。n为了能在高频下工作，为了能在高频下工作，耗尽区必须尽可能地变薄以减少渡耗尽区必须尽可能地变薄以减少渡越时间；越时间；n为了增加量子效率，耗尽

11、层必须足够厚，以使大部分入射为了增加量子效率，耗尽层必须足够厚，以使大部分入射光都被吸收；光都被吸收；n因此，在因此，在响应速度与量子效率之间必须有所取舍响应速度与量子效率之间必须有所取舍。 光电二极管光电二极管半导体器件物理半导体器件物理第第9 9章章 光电器件光电器件7一、量子效率一、量子效率 ：每个入射光子所产生的电子每个入射光子所产生的电子-空穴对数目。空穴对数目。决定决定的重要因素之一是的重要因素之一是吸收系数吸收系数。因为。因为和和有强烈的依赖有强烈的依赖关系，能产生可观的光电流的波长范围是有限的。关系，能产生可观的光电流的波长范围是有限的。长截止波长长截止波长c是由禁带宽度决定的

12、，当是由禁带宽度决定的，当c时，时，值太小，值太小，以致无法造成明显的本征吸收。以致无法造成明显的本征吸收。短截止波长短截止波长，由于短波长的，由于短波长的值很大（约值很大（约105cm-1），大部），大部分的辐射在表面附近就被吸收，且其复合时间甚小，导致光分的辐射在表面附近就被吸收，且其复合时间甚小，导致光载流子在被载流子在被p-n结收集以前就会发生复合。结收集以前就会发生复合。 半导体器件物理半导体器件物理第第9 9章章 光电器件光电器件8响应速度受到三个因素的限制：响应速度受到三个因素的限制：载流子的扩散，耗尽区内的漂移时间，耗尽区的电容。载流子的扩散，耗尽区内的漂移时间，耗尽区的电容。

13、二、响应速度二、响应速度在耗尽区外产生的载流子会扩散到结，造成相当大的时间延在耗尽区外产生的载流子会扩散到结，造成相当大的时间延迟。为了将扩散效应降到最小，迟。为了将扩散效应降到最小，结必须非常接近表面结必须非常接近表面。耗尽区足够宽，绝大部分的光线都会被吸收；但耗尽区不能耗尽区足够宽，绝大部分的光线都会被吸收；但耗尽区不能太宽，因为太宽，因为渡越时间效应会限制频率响应渡越时间效应会限制频率响应。耗尽区也不能太薄，因为过大的电容耗尽区也不能太薄，因为过大的电容C会造成大的会造成大的RC时间常时间常数（数（R是负载电阻）。是负载电阻）。最理想的折衷办法是选择一个宽度，使耗尽层渡越时间大约最理想的

14、折衷办法是选择一个宽度，使耗尽层渡越时间大约为调制周期的一半为调制周期的一半。半导体器件物理半导体器件物理第第9 9章章 光电器件光电器件9p-i-n光电二极管光电二极管 p-i-n光电二极管是最常用的光光电二极管是最常用的光探测器之一，其探测器之一，其耗尽区厚度耗尽区厚度（本征层）可调，用以优化量（本征层）可调，用以优化量子效率及频率响应子效率及频率响应。图图(a)是是p-i-n光电二极管的截光电二极管的截面图，它具有面图，它具有抗反射层抗反射层以增加以增加量子效率的特性。量子效率的特性。图图(b)是反偏时，是反偏时，p-i-n二极管二极管的能带图。的能带图。图图(c)是反偏时，是反偏时，p

15、-i-n二极管二极管的光吸收特性。的光吸收特性。金属接触金属接触2SiO抗反射层抗反射层i+n+pLRRV+-i+n+pLRV+-hvRqVCEVE电子扩散电子扩散空穴扩散空穴扩散漂移空间漂移空间反向偏压下的能带图反向偏压下的能带图)(bRqVCEVE)(bxa-ea/1PWWW+Px吸收吸收载流子吸收特性曲线载流子吸收特性曲线)(cxa-ea/1PW+Px吸收吸收)(c光电二极管的截面图光电二极管的截面图n- i -p)(ahvhvhv半导体器件物理半导体器件物理第第9 9章章 光电器件光电器件10p-n结太阳能电池结太阳能电池p-n结太阳能电池包含一个结太阳能电池包含一个形形成于表面的浅成于表面的浅p-n结结、一个、一个条条状及指状的正面欧姆接触状及指状的正面欧姆接触、一个一个涵盖整个背部表面的背涵盖整个背部表面的背面欧姆接触面欧姆接触以及一层以及一层在正面在正面的抗反射层的抗反射层。 光照下，能量光照下，能量Eg的光子对电池输出的光子对电池输出有贡献，但有贡献，但大于大于Eg部分的能部分的能量则会以热的形式消耗掉量则会以热的形式消耗掉。 9.5 太阳能电池太阳能电池正面指状条形接触正面指状条形接触1cm2cmnp1/4