半导体的光导

1、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An和Ap，当电子刚被激发a = q (n |Li + p 卩)o0 n 0 p式中q为电子电量，n、p为平衡载流子浓度；卩和卩分别00n p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

2、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a _ q (np + pp )np式中 n _np + Ap 附加光电导Aa为0Aa _ q(Anp + App )np光电导的相对值Aa _ AnP n +ApP pa n p + p p对本征光电导000 n0 对本征光电导0令b二土P则lj Aa _ (1 + b)An a bn + p0 0 0可以看出要得到相高的光电导，应使n和p有较小的数值，00值，对半导体本征吸收，A” = An ;但是并不是光生电子和光生 空穴都对光电导有贡献。对p型Cu O其本征光电导主要来自光生空穴的贡

3、献2对n型CdS，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，An Ap或Ap An附加电 导率应为Ac = Any q 或 Aa = App qnp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。因为卩和卩在一定条件是一定的，所以光电导的变化反映 np了光生载流子的变化。设工表示以光子数计算的光强度

4、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。dI=a IdxI 为单位体积内光子的吸收率，从而电子空穴对的产生率 为Q =卩0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0 21 一般0 t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。G =二tt外加电压为V，电子迁移率为卩，电极间距离为L，则n渡越时间l2T =t 卩vn光电导增益因子G = TAT12T大

5、，卩大，1小，则G大。nn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，hu Eg （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

6、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

7、电压，用Voc表示，从能带图上看PN结势 垒由q屮。降低到q（屮-v）。势垒降低的部份正好是P区和N区00 c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 I 表 l 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r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qv，v是电流流过R时产生的压降。其情况如图所示。s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

8、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、

9、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，|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

10、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V足够大时，N+P结的强电场将引起载流子的R 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v运动，N型保护环的作用是 s防止n+P结的边缘击穿。中间的N+P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

11、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（切爲）有关，切爲越小，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卩m波长的光通信用InGaAs光电二极管 的典型结构，在衬底上外延

12、生长光吸收层和N- -InP倍增层，并在这两层中间夹入N- -InGaAsP层。夹入 N InGaAsP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（切g ），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。金属半导体光电二极管在紫外光和可见光区域特别有用在 这些波长区域，大多数半导体的吸收录数都很高，数量级在 104cm或更大，相