半导体光电子器件PPT完整全套教学课件

半导体光电子器件课程主要内容第一章：半导体材料的光学性质与光电现象第二章：半导体光电子器件的物理基础第三章：半导体太阳电池第四章：半导体光电探测器件第五章：半导体光电荷耦合器件第六章：半导体发光器件第一章：半导体材料的光学性质

与光电现象§1.1光子特性及半导体的光学参数§1.2半导体的光吸收机制§1.3半导体的光发射机制§1.4光子与电子相互作用的物理过程基本物理属性基本特性§1.1光子特性及半导体的光学参数一、光子特性光在半导体中传播服从Maxwell方程ε0、μ0真空介电常数与磁导率；εr媒质相对介电常数第一章半导体材料的光学性质与光电现象光的传播与振动示意图自然光部分偏振光一、光子特性

光是一种电磁波，是横波。光波振动方向和前进方向构成的平面叫做振动面，光的振动面只限于某一固定方向的，叫做平面偏振光或线偏振光。

自然光是偏振面具有各种不同取向，且相位随机分布的平面偏正光的集合。

介于偏振光与自然光之间的一种光称为部分偏正光。在两个互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值，这种光称为部分偏振光。自然光是部分偏正光的一种特殊形式。§1.1光子特性及半导体的光学参数第一章半导体材料的光学性质与光电现象第一章半导体材料的光学性质与光电现象§1.1光子特性及半导体的光学参数二、光子的动量和能量光子的动量矢量可表示为光子能量可表示为光子的波长和能量的关系设沿z方向传播的平面波电场在y方向偏振，由速度第一章半导体材料的光学性质与光电现象§1.1光子特性及半导体的光学参数三、传播速度与折射率电场形式为则，传播速度为折射率为其中，n为通常的折射率第一章半导体材料的光学性质与光电现象§1.1光子特性及半导体的光学参数三、传播速度与折射率由以上各式可得

可见，光波以c/n的速度沿z方向传播，其振幅按

衰减，光振幅衰减是由于介质内存在自由电荷，光波的部分能量激起传导电流。K为表示光波能量衰减的参量，称为消光系数（对于在x方向振动的磁场有相同的类似形式与结果）。K的产生机理是自由载流子吸收所引起。光波是横波，其电场强度E和磁场强度H都和传播方向垂直，对人眼和感光仪器起作用的是电场强度，光波中的振动矢量通常指的是电场强度E。第一章半导体材料的光学性质与光电现象§1.1光子特性及半导体的光学参数四、光的折射与透射

光波（电磁波）由一种媒质照射到与另一种媒质的交界面时，必然发生反射和折射现象，一部分光从界面反射，另一部分则透射入媒质。从能量守恒观点看，反射光波能量和透射光波能量之和等于入射光波能量。1.斯涅耳（snell）损耗

光子从一种介质入射另一种介质，因折射率不同而部分光子被反射回来，称斯涅耳损耗。第一章半导体材料的光学性质与光电现象§1.1光子特性及半导体的光学参数四、光的折射与透射2.菲涅耳（snell）损耗

当θ0=900时发生全反射，即菲涅耳现象。对应的θs即为临界角θC。

光子从折射率大的介质向折射率小的介质入射时，若入射角大于其临界角θC

，则，入射光从界面全反射回原介质，称为菲涅耳损耗。反射系数透射系数临界角

光的作用可以引起电子在不同的状态之间跃迁。如果

，价带电子吸收光子能量跃迁到导带；如果

，虽然价带电子不能跃迁到导带，但是其仍能吸收光子能量从低能级跃迁至较高能级。第一章半导体材料的光学性质与光电现象§1.2

半导体的光吸收机制一、光的吸收系数

光子作用于半导体上有多种作用机制，如本征吸收，杂质吸收，自由载流子吸收，激子吸收，晶格振动吸收，子带吸收。光子在距表面1/α处，光强为原来的1/e，可认为光能量基本被吸收吸收系数α是光能量和禁带宽度函数，若光子能量大于禁带宽度，

吸收系数上升得快；若光子能量小于禁带宽度，吸收系数就很小吸收系数对光子能量（波长、波数或频率）的依赖关系称为吸收光谱

机理：载流子吸收光能跃迁；晶格振动吸收光能。机制：本征吸收，杂质吸收，自由载流子吸收，激子吸收，晶格振动吸收，子带吸收。条件：能量守恒-

动量守恒-

特征：存在长波限。跃迁后波矢直接带隙第一章半导体材料的光学性质与光电现象§1.2

半导体的光吸收机制半导体光吸收机理与机制

价带电子吸收光子能量跃迁至导带。

EcEV长波限：#高掺杂半导体：Eg能量-动量守恒直接带隙间接带隙第一章半导体材料的光学性质与光电现象§1.2

半导体的光吸收机制二、本征吸收直接跃迁第一章半导体材料的光学性质与光电现象

C与折射率、有效质量、介电常数、光速等有关的量，近似为常数。吸收系数能量守恒动量守恒

即电子跃迁保持波矢不变-直接跃迁。§1.2

半导体的光吸收机制二、本征吸收-直接带隙半导体存在：直接跃迁；间接跃迁。间接跃迁-光子、电子、声子共同参与。

能量守恒：

动量守恒：直接跃迁间接跃迁第一章半导体材料的光学性质与光电现象能量守恒§1.2

半导体的光吸收机制二、本征吸收-间接带隙半导体直接跃迁间接跃迁声子分布函数第一章半导体材料的光学性质与光电现象吸收系数：§1.2

半导体的光吸收机制二、本征吸收-间接带隙半导体跃迁过程：施主能级电子—导带；受主能级空穴—价带电离受主能级电子—导带；电离施主能级空穴—价带能量关系：施主能级电子—导带受主能级空穴—价带电离受主能级电子—导带电离施主能级空穴—价带动量关系：束缚状态无一定准动量，跃迁后状态不受波矢限制；可越迁至任意能级，引起连续吸收光谱。

EcEv第一章半导体材料的光学性质与光电现象§1.2

半导体的光吸收机制三、杂质吸收导带及价带内电子从低能级跃迁到高能级。能量守恒：动量守恒：吸收或释放声子。特征：吸收系数随波长增大而增强。

(跃迁能量间隔小，参与声子少)自由载流子等吸收§1.2

半导体的光吸收机制四、自由载流子吸收第一章半导体材料的光学性质与光电现象1.激子吸收激子：处于禁带中的电子与价带中的空穴在库仑场作用下束缚在一起形成的电中性系统。激子可以在整个晶体中运动，不形成电流。激子吸收：价带电子受激跃至禁带，形成激子。激子吸收特征：2.晶格吸收

光子能量直接转换成晶格振动动能。3.子带吸收

量子阱、超晶格子带间跃迁§1.2

半导体的光吸收机制五、其他吸收第一章半导体材料的光学性质与光电现象1.本征跃迁导带电子跃迁到价带与空穴复合直接跃迁(直接复合)：能量守恒：波矢相等：辐射效率高。间接跃迁(间接复合)：能量守恒：波矢不等：辐射效率低。

处于激发态(高能态)的电子跃迁至低能态，能量以光辐射(光子)形式释放--光辐射。光辐射—光吸收逆过程。直接跃迁间接跃迁第一章半导体材料的光学性质与光电现象§1.3

半导体的光发射机制一、本征跃迁与非本征跃迁第一章半导体材料的光学性质与光电现象§1.3

半导体的光发射机制一、本征跃迁与非本征跃迁2.非本征跃迁

除了带间跃迁以外，电子从高能级跃迁到低能级的过程，包括电子从导带跃迁到杂质能级、杂质能级上的电子跃迁入价带、电子在杂质能级之间的跃迁都是非本征跃迁。第一章半导体材料的光学性质与光电现象§1.3

半导体的光发射机制二、辐射跃迁

如果电子从高能级跃迁到低能级，失去一部分能量，并在此过程中伴随着光子的放出，这种跃迁称为辐射跃迁。也称为辐射复合。

辐射复合多发生在直接带隙结构。光子能量

辐射复合又分为带间复合、边缘发射、施主和受主的载流子复合、深能级复合和激子复合等方式第一章半导体材料的光学性质与光电现象§1.3

半导体的光发射机制二、辐射跃迁1.带间复合

带间复合指电子直接从导带跃迁到价带，同那里的空穴相复合，同时发射光子，由于这种跃迁是在两能带之间进行的，所以起始点均有一定范围，因而发光具有一定谱带，如图中a、b、c、h复合。

在直接带隙复合过程中，由于导带极小值与价带极大值具有相同的电子波矢，故跃迁前后，电子波矢基本不变，又称为一级过程或直接跃迁型。在间接带隙复合过程中由于导带最小值与价带最大值的波矢k值不同，电子跃迁前后波矢发生较大变化，因此在跃迁过程中，除了产生光子以外，还伴随着声子跃迁过程，又称为二级过程，或间接跃迁型。间接跃迁型放出光子的几率较小，发光强度变弱。第一章半导体材料的光学性质与光电现象§1.3

半导体的光发射机制二、辐射跃迁2.边缘发射

边缘发射也是一种辐射复合过程，它是由浅施主所俘获的电子同价带空穴复合，或浅受主所俘获的空穴同导带电子复合的过程，如图中d、e复合。3.深能级复合

深能级是指靠近导带的空穴束缚态，或能量很接近价带顶的电子束缚态。在这种复合中，跃迁距离远小于禁带宽度，故辐射光子波长较长，如图所示中j复合。第一章半导体材料的光学性质与光电现象§1.3

半导体的光发射机制二、辐射跃迁4.施主和受主的载流子复合

施主和受主杂质提供载流子并产生复合，如图中f复合。在这种载流子的复合过程中，跃迁距离小于禁带宽度。5.激子复合

激子是晶体中电子和空穴束缚形成的中性粒子，当它释放出所储存的能量时，产生激子复合发光，因为激子能够引起电子和空穴的复合发光，从而提高发光效率。第一章半导体材料的光学性质与光电现象§1.3

半导体的光发射机制二、辐射跃迁6.等电子中心复合

在元素半导体中，同价原子取代主原子，该原子被称为等电子。由于两种原子序数不同，内层电子结构不同，电负性不同，原子序数小的，电子亲和力大，易俘获电子成为负电中心；原子序数大的，易俘获空穴成为正电中心。该正负电子中心被称为等电子中心。等电子中心再俘获相反类型载流子形成束缚激子之后复合发光，称等电子复合。第一章半导体材料的光学性质与光电现象§1.3

半导体的光发射机制二、辐射跃迁7.等分子中心复合

类似于等电子，在化合物半导体中，一种分子取代主分子被称为等分子。若其电子亲和力大，易俘获电子成为负电中心；反之，易俘获空穴成为正电中心。该正负电子中心被称为等分子中心。等分子中心再俘获相反类型载流子复合被称等分子复合。第一章半导体材料的光学性质与光电现象§1.3

半导体的光发射机制三、非辐射跃迁1.多声子跃迁

电子和空穴复合所放出的能量，可以使晶格振动，产生声子，这一过程叫做声子跃迁。如果禁带中有许多杂质能级，可以在电子跃迁时，依次激发出许多声子，这一过程叫做多声子跃迁。

声子跃迁的结果，使电子放出的能量转变为晶格振动能。

在电子与空穴复合过程中，多余能量如果不以光子的形式放出，则称为非辐射复合，又叫猝灭，多发生在间接带隙结构。如多声子跃迁、俄歇复合、表面复合或激发声子而变为热能，均属于非辐射复合过程。第一章半导体材料的光学性质与光电现象§1.3

半导体的光发射机制三、非辐射跃迁2.俄歇复合

当晶体中的电子和空穴复合时，可能把多余的能量传给第三个载流子。获得能量的载流子又会产生多声子过程。这种复合称为俄歇复合。另外，还存在许多其它的非辐射复合过程。第一章半导体材料的光学性质与光电现象§1.3

半导体的光发射机制四、发光效率

表征发光的参量为量子效率，即光辐射复合与总复合之比Rr是辐射复合率，R是过剩载流子的总复合率

按少子寿命τnr是辐射寿命，

τr是非辐射寿命带与带间的辐射复合率B是比例常数。直接系材料的值比间接带隙材料的值大106个数量级；在间接带隙材料中，直接带间辐射复合跃迁是不大可能的。第一章半导体材料的光学性质与光电现象§1.4

半导体中光子与电子相互作用的物理过程一、半导体中光子与电子相互作用的物理过程

半导中光子和电子相互作用的物理过程主要有三个：光的自发辐射、光的受激辐射和光的受激吸收1.光的自发辐射

对于具有上下两个能级E2和E1，处于上能级E2的电子，无需借助外来光子的激发，有一定概率“自发的”跃迁的下能级E1，与空穴复合，同时放出光子，其能量为自发辐射的特点是产生的光为非相干光，是发光二极管的物理基础。第一章半导体材料的光学性质与光电现象§1.4

半导体中光子与电子相互作用的物理过程一、半导体中光子与电子相互作用的物理过程2.光的受激辐射

在能量为

的光子的作用下，电子由上能级E2

跃迁到下能级E1

，所发射的光子与入射光子具有相同的频率、传播方向、偏振和相位。受激辐射的特点：产生的光为相干光，即发射的光子与入射光子具有相同的频率、传播方向、偏振和相位，是激光器工作原理基础。第一章半导体材料的光学性质与光电现象§1.4

半导体中光子与电子相互作用的物理过程一、半导体中光子与电子相互作用的物理过程3.光的受激吸收

在能量为

的光子的作用下，电子由下能级E1跃迁到上能级E2的过程。

若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，产生本征跃迁，每一个光子可激发出一个电子-空穴对；若光子能量小于禁带宽度，但是大于施主和受主杂质电离能量，产生非本征跃迁，每个光子只激发一个电子或者空穴。光的受激吸收是太阳电池、光电探测器工作原理基础。第一章半导体材料的光学性质与光电现象§1.4

半导体中光子与电子相互作用的物理过程二、爱因斯坦关系1.光的自发辐射

A21是爱因斯坦自发辐射系数（几率）

自发发射（辐射）速率指的是单位时间、单位体积内E2能级跃迁到E1能级的电子数。电子占据E2能级几率电子未占据E1能级几率第一章半导体材料的光学性质与光电现象§1.4

半导体中光子与电子相互作用的物理过程二、爱因斯坦关系2.光的受激辐射

B21是爱因斯坦受激辐射系数（几率）

受激发射（辐射）速率指的是单位时间、单位体积在光子作用下内E2能级跃迁到E1能级的电子数。电子占据E2能级几率电子未占据E1能级几率第一章半导体材料的光学性质与光电现象§1.4

半导体中光子与电子相互作用的物理过程二、爱因斯坦关系3.光的受激吸收

B12是爱因斯坦受激吸收系数（几率）

受激吸收（辐射）速率指的是单位时间、单位体积在光子作用下内E1能级跃迁到E2能级的电子数。电子占据E1能级几率电子未占据E2能级几率第一章半导体材料的光学性质与光电现象§1.4

半导体中光子与电子相互作用的物理过程二、爱因斯坦关系4.爱因斯坦关系自发辐射光子数受激辐射光子数受激吸收光子数热平衡条件下，总发射速率等于总吸收速率，即：A21—自发发射系数；B21--受激发射系数；B12--受激吸收系数。爱因斯坦关系物理意义？受激发射与受激吸收几率相等第一章半导体材料的光学性质与光电现象半导体光电子器件第二章：半导体光电子器件物理基础一、同质pn结（§2.1--§2.6）二、MIS结构（§2.8）三、金属与半导体接触（§2.7）四、异质结与量子阱（§2.9）基本物理属性基本特性半导体光电子器件§2.1pn结的物理基础第二章半导体光电子器件物理基础一、pn结的形成

突变结杂质分布缓变结杂质分布

pn结是指采用某种技术在一块半导体材料内形成共价键结合的p型和n型区，p型区和n型区的界面及其两侧少数载流子扩散长度范围的区域，称为pn结。

pn结的p型区和n型区可以是同一种半导体材料，也可以是两种不同的半导体材料，前者称为同质pn结，后者称为异质pn结。§2.1pn结的物理基础第二章半导体光电子器件物理基础二、平衡pn结空间电荷区与自建电场

pn结空间电荷区的形成同质pn结示意图1.空间电荷区2.自建电场与电流

空间电荷区内空穴流密度空间电荷区内电子流密度其中§2.1pn结的物理基础第二章半导体光电子器件物理基础二、平衡pn结空间电荷区与自建电场

3.接触电势差4.能带结构积分得则平衡pn结费米能级处处相等§2.1pn结的物理基础第二章半导体光电子器件物理基础二、平衡pn结空间电荷区与自建电场

5.载流子分布6.耗尽近似空间电荷区电子和空穴浓度分布示意图空穴和电子在空间电荷区依指数规律分布，在边界内侧下降极为迅速，使绝大部分空间电荷区内的载流子浓度与中性区相应的多子浓度相比可以忽略空间电荷区又被称为耗尽区，或耗尽层§2.2非平衡pn结第二章半导体光电子器件物理基础一、非平衡突变pn结电场分布

正、负空间电荷区内泊松方程

非平衡pn结是指由外加偏置电压的pn结。将p区置为高电位、n区置为低电位的偏置电压称为正向偏置，反之称为反向偏置边界条件由上最高电场强度§2.2非平衡pn结第二章半导体光电子器件物理基础二、非平衡突变pn结空间电荷区宽度

电场分布曲线下所围面积为空间电荷区两侧边界间电势差空间电荷区宽度§2.2非平衡pn结第二章半导体光电子器件物理基础三、非平衡线性缓变pn结电场分布

界面附近施主、受主杂质浓度分布和电荷密度电场强度为杂质浓度及空间电荷分布电场分布αj为杂质浓度分布梯度最大电场强度为空间电荷区宽度为第二章半导体光电子器件物理基础一、非平衡pn结能带结构

零偏、正偏、反偏能带结构§2.3非平衡pn结的能带结构与载流子分布§2.3非平衡pn结的能带结构与载流子分布第二章半导体光电子器件物理基础一、非平衡pn结能带结构--费米能级

正偏反偏§2.3非平衡pn结的能带结构与载流子分布第二章半导体光电子器件物理基础二、非平衡pn结载流子分布

正偏反偏§2.4pn结的直流电学特性第二章半导体光电子器件物理基础一、I-V方程

正向偏置反向偏置

小注入条件下，x=xn处，空穴的扩散流密度电子的扩散流密度通过pn结的总电流密度为第二章半导体光电子器件物理基础§2.4pn结的直流电学特性一、I-V方程

若第二章半导体光电子器件物理基础§2.4pn结的直流电学特性一、I-V方程

温度对电流密度的影响很大第二章半导体光电子器件物理基础§2.4pn结的直流电学特性一、I-V方程

Si-pn结理论曲线与和实验曲线的示意图1.

反偏：

空间电荷区载流子浓度低于平衡值；载流子的产生率高于复合率，空间电荷区内存在净的产生电流；反向电流是反向扩散流与产生流之和。

Si(和GaAs)等本征载流子浓度较低，空间电荷区内载流子产生流在反向电流中起支配作用，所以理论值与实验值相差较大。Ｇe本征载流子浓度较高，反向扩散流远远大于产生流，理论值与实际符合较好。第二章半导体光电子器件物理基础§2.4pn结的直流电学特性二、电流注入比

2.正偏小电流：

空间电荷区内载流子浓度高于平衡值；载流子的复合高于产生，有净的复合流；正向电流应为正向扩散流与空间电荷区净复合流之和。

Si和GaAs，在电小流时，复合电流起支配作用，影响不可忽略；随电流密度增大，复合电流的影响减小，理论与实验逐渐相符。

Gepn结，正向扩散流密度远高于复合流，在正向电流密度不是很大时，理论曲线与实验数量符合较好。第二章半导体光电子器件物理基础§2.4pn结的直流电学特性二、电流注入比

3.

正偏大电流：

非平衡少子在扩散区积累，电中性被破坏；扩散区有与非平衡少子同样浓度和同样浓度梯度的非平衡多子积累；非平衡多子扩散形成电场；该电场对外加电压形成分压。中性区体电阻欧姆压降对外加电压形成分压。n区P区非平衡多子电子非平衡多子空穴电场扩散扩散电场第二章半导体光电子器件物理基础§2.4pn结的直流电学特性二、电流注入比

对于突变结第二章半导体光电子器件物理基础§2.5pn结电容一、pn结势垒电容

对于缓变结n区少子数量第二章半导体光电子器件物理基础§2.5pn结电容二、pn结扩散电容

n区/p区单位面积空穴扩散电容IFp和Ifn分别是空穴和电子扩散流，Τp和Τn分别是空穴和电子寿命三、等效电路

势垒电容和扩散电容同是偏置电压的函数；势垒电容与扩散电容并联；中性区及与外电极接触处存在电阻。

※势垒电容和扩散电容，使得以pn结为基本单元的半导体器件，其交流电学特性参数呈现为工作频率的函数。本征等效电路§2.5pn结电容第二章半导体光电子器件物理基础

pn结反向电流很小，但是当反向电压增大到某一值时，电流急剧上升，这种现象称为pn结的击穿。相应电压称为pn结击穿电压。第二章半导体光电子器件物理基础§2.6pn结击穿一、pn结热击穿

空间电荷区产生电流其中Eg0是绝对温度为0度时的禁带宽度pn结反向电流随温度的升高，依指数关系迅速上升。对Ge、Si、GaAs

pn结当击穿电压小于4Eg/q时，击穿机构通常是隧道击穿第二章半导体光电子器件物理基础§2.6pn结击穿二、pn结隧道击穿

其中空间电荷区禁带水平距离，即隧道长度为电子隧穿的几率为对Ge、Si、GaAs

pn结当击穿电压大于6Eg/q时，击穿机构通常是雪崩击穿，击穿电压在4--6Eg/q之间时，雪崩击穿与隧穿击穿同时存在。第二章半导体光电子器件物理基础§2.6pn结击穿三、pn结雪崩击穿

发生雪崩击穿时电离率应满足对于Si单边突变结，雪崩击穿为对于Si线性缓变结，雪崩击穿为第二章半导体光电子器件物理基础§2.7金半接触一、金半接触的能带结构

金属与n型半导体接触时，若Wm>Ws，在半导体表面形成一个正的空间电荷区，主要由电离施主构成，其电场方向指向体内，形成表面势垒，它是一个高阻的区域，常称为阻挡层。若Wm<Ws，

在半导体表面形成一个负的空间电荷区，是一个低阻区，成为反阻挡层。金属与n型半导体接触的能带结构金属与p型半导体接触的能带结构第二章半导体光电子器件物理基础§2.7金半接触二、肖特基的伏安特性

金半接触分为肖特基接触和欧姆接触两种情况。肖特基接触是指金属和半导体材料相接触的时候，在界面处半导体的能带弯曲，形成肖特基势垒。正向偏置平衡态反向偏置当且第二章半导体光电子器件物理基础§2.7金半接触三、欧姆接触

欧姆接触是指在接触处没有势垒，是一个纯电阻，该电阻相对于器件总电阻而言可以忽略，而且越小越好。

常见的欧姆接触有两种：一种是非势垒接触；另一种是利用隧道效应在半导体上形成欧姆接触。接触前接触后加正压加负压第二章半导体光电子器件物理基础§2.7金半接触三、欧姆接触

虽然金属的功函数小于半导体的功函数，但是由于界面态的存在，仍然在接触后形成了一个势垒，阻挡了载流子的传输。

对于Si、Ge等常用的半导体材料，都具有很高的表面态，n型和p型材料与金属接触都会形成较高的接触势垒，不能通过金属选择的办法来获得欧姆接触。第二章半导体光电子器件物理基础§2.7金半接触三、欧姆接触

当电子通过隧道效应贯穿势垒产生的遂穿电流大于热电子发射电流时，接触电阻会随着遂穿电流的增大而减小，而且与半导体器件电阻相比能小到忽略不计，可以用作欧姆接触。

半导体中掺杂时，与金属形成的接触可以形成理想的欧姆接触。欧姆接触的接触电阻和掺杂浓度成反比第二章半导体光电子器件物理基础§2.8MIS结构MIS结构由金属（M）-绝缘体（I）-半导体（S）组成，MIS结构在电子和光子器件中具有重要的应用，如MIS二极管，逻辑器件中的MOS（金属-氧化物-半导体）结构、CCD（ChargeCoupledDevices，电荷耦合器件）第二章半导体光电子器件物理基础§2.8MIS结构一、能带结构

理想情况满足以下条件：

金属与半导体的功函数差为零

；

在绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电

；

绝缘体与半导体界面处不存在任何界面状态。

1.

多数载流子堆积状态第二章半导体光电子器件物理基础§2.8MIS结构一、能带结构

2.平带状态Vs接近平带状态时，Vs趋于0，此时平带电容在p型半导体中

，pn0>>np0第二章半导体光电子器件物理基础§2.8MIS结构一、能带结构

3.

多数载流子耗尽状态4.本征状态第二章半导体光电子器件物理基础§2.8MIS结构一、能带结构

5.少数载流子反型状态当时，强反型第二章半导体光电子器件物理基础§2.8MIS结构一、能带结构

6.

强反型状态当时一旦达到强反型，表面耗尽层宽度就达到了一个极大值，不再随外加电压的增加而增加。这是因为反型层中积累的电子屏蔽了外电场的作用。

第二章半导体光电子器件物理基础§2.8MIS结构二、深耗尽状态

当MOS处于反向偏置时，需要大量的少子在表面平衡栅电荷的变化，由于少子不足以平衡栅电荷，只能依靠电离受主电荷来补偿，因此耗尽区会进一步展宽，这种通过耗尽区展宽补偿少子以平衡栅电荷的现象称为深耗尽。

与缺少少子的情况不同，如果完全没有少子，则被称为完全深耗尽，即MOS处于反偏时，非平衡的半导体表面完全缺乏少数载流子的一种极端情况。深耗尽完全深耗尽第二章半导体光电子器件物理基础§2.8MIS结构

MIS结构用作多个器件结构中，其作用主要取决于绝缘层的厚度：

绝缘层的厚度足够薄（对于SiO2层，大约为1nm），则绝缘层基本上不起绝缘的作用，此时可形成肖特基（Schottky）二极管；

绝缘层的厚度不是很薄、也不是很厚（对于SiO2层，大约为1nm～5nm），载流子有较大的几率通过隧道效应而贯穿绝缘层，此时可形成MIS隧道二极管；

绝缘层的厚度足够大（对于SiO2层，大于5nm），则绝缘层基本上不导电，这时可形成MIS电容、MESFET等等。

除此之外，MIS结构还具有许多用途，如MIS太阳电池、MIS开关管、MIM隧道二极管、MIMIM隧道晶体管等等。第二章半导体光电子器件物理基础§2.9异质结一、异质结能带结构

反型突变异质结同型突变异质结第二章半导体光电子器件物理基础§2.9异质结二、异质结接触电势差与势垒电容

1.电场分布2.异质结接触电势差第二章半导体光电子器件物理基础§2.9异质结二、异质结接触电势差与势垒电容

3.异质结空间电荷区宽度4.异质结势垒电容第二章半导体光电子器件物理基础§2.9异质结异质结能带结构三种基本形式接触前接触后三、异质结电流-电压特性

第二章半导体光电子器件物理基础§2.9异质结三、异质结电流-电压特性

1.对（a）和（c）2.对（b）第二章半导体光电子器件物理基础§2.9异质结三、异质结电流-电压特性

同质结电子流与空穴流注入比

异质结电子流与空穴流注入比

若∆Eg=250mv，注入比可以比同质结高104倍以上势垒1.量子阱二个异质结组成，其中间层导带底最低、价带顶最高；或仅导带底最低；或仅价带顶最高。L小于德布罗意波长(~50nm）L第二章半导体光电子器件物理基础§2.9异质结四、量子阱

2.

超晶格量子阱（或不同导电类型材料）组成的一维周期性结构，其势垒宽度小于电子的德布罗意波长。Eg1Eg2ECEVpnn异质结超晶格第二章半导体光电子器件物理基础§2.9异质结四、量子阱

掺杂的超晶格第二章半导体光电子器件物理基础§2.9异质结四、量子阱

量子线：二个方向物理尺寸小于德布罗意波长量子点：三个方向物理尺寸小于德布罗意波长第二章半导体光电子器件物理基础§2.9异质结四、量子阱

本征2DEG2DEGAlGaAsnGaAsAlGaAsGaAs+AlGaAsGaAs孤立1.

2DEG第二章半导体光电子器件物理基础§2.9异质结五、二维电子气（2DEG）与二维空穴气（2DHG）应用2.2DHG2DHG第二章半导体光电子器件物理基础§2.9异质结五、二维电子气（2DEG）与二维空穴气（2DHG）应用半导体光电子器件第三章：太阳电池§3.1太阳光谱与大气光学质量§3.2半导体太阳能电池的基本结构§3.3半导体太阳能电池的基本参数§3.4半导体太阳能电池的等效电路§3.5半导体太阳能电池的光谱响应§3.6半导体太阳能电池性能提高的措施§3.7新型异质结太阳能电池的结构第三章太阳电池§3.1太阳光谱与大气光学质量一、太阳光谱

太阳表层为气态的，可近似的被看作吸收系数为1的黑体辐射源。黑体辐射源为一种在任何条件下，对任何波长的外来辐射完全吸收的理想辐射源，理论上黑体会放射频谱上所有波长之电磁波。

太阳发出电磁波的构成

短于295nm和大于2500nm波长的太阳辐射，因地球大气中臭氧、水气和其他大气分子的强烈吸收，不能到达地面。其中氧的吸收波长范围较宽，在200nm～700nm之间，其它气体的吸收具有选择性，呈带状分布。§3.1太阳光谱与大气光学质量一、太阳光谱

第三章太阳电池§3.1太阳光谱与大气光学质量二、大气光学质量

人们将太阳到达大气表面的能量定义为一个太阳常数，即在日地平均距离（D=1.496x10^8km）上，大气顶界垂直于太阳光线的单位面积每秒钟接受的太阳辐射能第三章太阳电池§3.1太阳光谱与大气光学质量二、大气光学质量

ASTMG-173为美国材料与试验协会（AmericanSocietyforTestingandMaterials,ASTM）太阳电池实验标准

太阳在地面的辐射能除了与入射路径有关以外，还与大气中的其它物质有关，如水汽含量、灰尘以及其它污染物等太阳光日照强度与天顶角和大气质量系数关系第三章太阳电池§3.2半导体太阳电池的基本结构一、半导体的光伏效应

第三章太阳电池§3.2半导体太阳电池的基本结构二、太阳电池的基本结构第三章太阳电池

1.扩散区、势垒区、中性区：吸收光子产生电子-空穴对；开路时：

2.扩散区、势垒区：

空穴漂移到p区，电子漂移到n区，形成光生电流与积累；

3.积累的部分空穴和电子分别中和空间电荷区的正、负电荷，空间电荷区变窄-pn结正偏；

4.光生电流与正向电流平衡时，达稳定状态；

5.

开路时，呈现开路电压;

短路时：输出短路电流。

§3.2半导体太阳电池的基本结构二、太阳电池的基本结构第三章太阳电池§3.3半导体太阳电池的基本参数一、短路电流与开路电压第三章太阳电池

半导体太阳电池工作时共有三股电流：光生电流Iph，在光生电势差V作用下pn结正向电流If和流经外电路的电流I，则反方向的饱和电流光生电流n为理想系数，一般为1-2；A为电池面积，为光子流密度§3.3半导体太阳电池的基本参数一、短路电流与开路电压第三章太阳电池

假设光照时，当电路处于短路（V=0）状态，则有短路电流ISC=Iph流动；当电路处于开路（I=0）状态时，则出现开路电压

短路电流和开路电压都随光照强度的增强而增大，短路电流随光照强度线性的上升，而开路电压则成对数式增大。开路电压并不随光照强度无限的增大，当光生电压增大到pn结势垒消失时，即得到最大光生电压，等于p-n结势垒高度，与材料掺杂程度有关。Pom=V

om×Iom(最大输出功率)Pin:入射太阳光的功率由因为：有VVocIscIPOm§3.3半导体太阳电池的基本参数二、太阳电池转换效率第三章太阳电池由图可见，效率与表述输出功率的面积有关定义:填充因子（FillFactor）：从IscVoc中取得的功率比率，即F∙F一般为0.7~0.9第三章太阳电池VVocIscIPOm§3.3半导体太阳电池的基本参数二、太阳电池转换效率砷化镓的禁带较硅为宽，使得它的光谱响应性和空间太阳光谱匹配能力较硅好，且能耐高温。在单结太阳能电池的设计上，通常选取带隙宽度位于整个辐射光谱中间的材料，才可以达到最大的理论效率。最佳太阳能电池材料的带隙约为1.4—1.5eV之间。砷化镓电池§3.3半导体太阳电池的基本参数第三章太阳电池二、太阳电池转换效率V?光生电流

Iph=If=C二极管电流If1.开路If2.

短路I光生电流

Iph=C二极管电流输出电流

I

=Iph

If3.

负载IRL光生电流

Iph=C二极管电流输出电流

I

=If

−Iph

|I|=Iph−If

？IRL忽略寄生参数影响第三章太阳电池§3.4半导体太阳电池等效电路理想等效电路光生电流

IL=CRSRSRShRSRS寄生参数？？二极管电流输出电流++++RLRshVRSV*+第三章太阳电池§3.4半导体太阳电池等效电路非理想等效电路第三章太阳电池§3.5半导体太阳光谱响应与吸收特性一、半导体太阳电池光谱效应与吸收特性

太阳能电池在每一种波长的入射光作用下，所收集到的光电流与相对于入射到电池表面的该波长光子数之比，称为太阳能电池的光谱响应，又称为光谱灵敏度。光谱响应有绝对光谱响应和相对光谱响应之分。

绝对光谱响应是指某一波长下太阳能电池的短路电流与入射光功率的比值。常把光谱响应曲线的最大值定为1，并求出其他灵敏度对这一最大值的相对值，这样得到的曲线则称为相对光谱响应曲线，即相对光谱响应。对于长波长和短波长光电子-空穴对产生率与到半导体表面距离的106入射光子数/cm2.s高能光子主要被表面吸收；低能光子主要被深处吸收；空间电荷区光生载流子少；对效率，Eg存在优化。?hv(n)(p)§3.5半导体太阳光谱响应与吸收特性一、半导体太阳电池光谱效应与吸收特性第三章太阳电池第三章太阳电池§3.5半导体太阳光谱响应与吸收特性二、半导体太阳电池温度特性与辐照效应

当温度升高时，由于扩散系数保持相同、少数载流子寿命增加，Si和GaAs中的少数载流子扩散长度也将增加，从而使光电流增加。

饱和电流与温度呈指数关系，开路电压减小，伏安曲线拐弯处“柔软度”（“圆滑度”）随温度的增加也会使填充因子减少。

随着温度的增加，总的效果使光电转换效率降低。有理想电流或复合电流的Si和GaAspn结太阳电池的归一化效率第三章太阳电池§3.5半导体太阳光谱响应与吸收特性二、半导体太阳电池温度特性与辐照效应对于卫星应用，外层空间的高能粒子辐射在半导体内产生缺陷，导致太阳电池输出功率下降在高能射线辐射下，n型太阳电池性能衰减严重，稳定后的转换效率低于类似结构的p型太阳电池，说明p型太阳电池抵抗宇宙射线辐射损伤能力要好得多p型太阳电池是太空应用的优先选择，当太阳电池转向地面应用过程中，p型电池结构也一直被延用第三章太阳电池§3.6半导体太阳电池性能提高的措施一、半导体材料因素影响1.禁带宽度

对某一种材料而言，禁带宽度限制了电池效率的上限。

禁带宽度约为1.4~1.5eV的材料是最佳太阳能电池材料，制备的单结太阳电池光电转换效率最高。

材料禁带宽度可以影响pn结的势垒高度，也可以影响太阳电池可以利用的光谱的宽窄。即禁带宽度大，开路电压高，吸收太阳光谱范围小，短路电流小。第三章太阳电池§3.6半导体太阳电池性能提高的措施一、半导体材料因素影响2.掺杂浓度与复合

掺杂浓度也对太阳电池的开路电压有影响，掺杂浓度的高低意味着pn结势垒高度的高低，故pn结掺杂浓度越高，开路电压也越大。

缺陷中的一部分将会成为复合中心，从而影响少数载流子的寿命。导体中存在的深能级也会成为复合中心，影响少数载流子的寿命，因此，半导体内部的体复合寿命，是影响太阳电池光电转换效率的一个重要因素。

综合影响：开路电压会随掺杂浓度的增加而增加，当浓度上升到一定程度时，有效掺杂浓度会饱和，甚至会下降，也会使得少子寿命减小；体复合寿命与材料的纯净度有关，一些杂质会形成复合中心，降低复合寿命。第三章太阳电池§3.6半导体太阳电池性能提高的措施二、串联与并联电阻因素影响RSRshV++第三章太阳电池§3.6半导体太阳电池性能提高的措施三、外部因素影响基本上呈线性增加，光电转换效率会增大，但是上升幅度有限。

太阳电池温度增加时，材料的本征载流子浓度会增加，pn结反向饱和电流增大，开路电压下降，短路电流小幅上升，总的光电转换效率下降。

水汽溶解二氧化碳和其它酸性物质，形成具有腐蚀作用的酸性溶液，影响太阳电池寿命，因此，湿度过大对太阳电池寿命有很大的影响。

外部因素主要指应用时所处的环境因素，包括光照强度、温度、湿度等等。

当光强增加时，太阳电池短路电流随光强线性增加，开路电压随光强成对数增加，即开路电压增量不大。输出功率第三章太阳电池§3.6半导体太阳电池性能提高的措施四、制造技术因素影响还有采用横向布线及电池极板等布线结构，降低串联电阻；采用背表面技术减少背面的少子复合；采用埋栅技术增加光吸收；增加氮化硅表层，既可以钝化又可以达到减反目的；激光技术制造局域铝背场技术，形成良好欧姆接触和背接钝化并减少Si片翘曲，等等1.表面制绒技术2.抗反射膜第三章太阳电池§3.6半导体太阳电池性能提高的措施五、太阳电池存在的问题及应对措施

Si太阳电池中光生载流子在表面与衬底复合较大，Si材料的吸收系数小，中性区复合比例过大；

电池较低的表面区掺杂引起接触与横向电阻过高，影响了电池效率；Si表面反射系数高达30%左右，影响了光的吸收；Si材料抗高能粒子能力差，容易在表面产生缺陷，降低载流子寿命；

能量低于Si禁带宽度的低能光子不被吸收。1.存在问题第三章太阳电池§3.6半导体太阳电池性能提高的措施五、太阳电池存在的问题及应对措施

采用异质结结构，用窄带区吸收光子、宽带表面高掺杂作接触，解决低能光子不被吸收、串联电阻过大以及抗辐射能力差等问题；

采用背面高掺杂结构，控制扩散长度外载流子复合问题；

采用绒面结构、增加抗反射膜，提高光子的吸收率；

采用肖特基结构和MIS结构，不仅可以降低工艺难度，还可实现双面发电；

采用结联结构，实现多结发电；

采用量子阱结构，调节光谱吸收范围，提高效率；

采用光学集光系统，增强入射光强度，减少电池数量，降低成本。2.解决措施第三章太阳电池§3.7新型异质结太阳电池结构一、GaAs太阳电池结构异质结太阳电池具有如下的优点：

有利于宽谱带吸收，提高转换效率；

引入内建电场，提高注入效率；

可以降低原材料成本。第三章太阳电池§3.7新型异质结太阳电池结构一、GaAs太阳电池结构GaAs禁带宽度是1.428eV，与太阳光谱匹配，是理想的太阳能电池材料。与Si材料相比，GaAs太阳能电池具有更高的光电转换效率。在可见光范围内，GaAs光吸收系数远高于Si，如同样吸收95%的太阳光，Si太阳能电池需大于150μm以上，而GaAs太阳能电池只需5~10μm的厚度。GaAs具有良好的抗辐射性能，作为直接禁带材料，少数载流子寿命较短，在离结几个扩散度外产生的损伤，对光电流和暗电流均无影响。GaAs具有更好耐高温性能，200℃时Si太阳能电池停止工作，而GaAs太阳能电池仍可以10%的效率继续工作。

主要还是应用在宇宙空间探测和一些条件恶劣场合等方面。第三章太阳电池§3.7新型异质结太阳电池结构一、GaAs太阳电池结构多异质结太阳电池结构示意图与光谱吸收原理三结GaAs基太阳能电池的转换效率已经接近理论数值第三章太阳电池§3.7新型异质结太阳电池结构二、GaN太阳电池结构

由于InGaN合金的带隙可覆盖0.7～3.4eV，这与到达地面的太阳光光谱匹配度高达96%，并且InGaN合金在整个带隙范围内都是直接带隙半导体，而不像AlGaAs和AlGaP等在宽带隙时为间接带隙半导体，其电子的跃迁过程不需要声子的参与。半导体光电子器件§4.1光电导效应与器件的基本结构§4.2光电探测器的基本参数§4.3光电探测器的噪声来源与参数§4.4光电二极管的基本结构与工作机制§4.5光电二极管的等效电路§4.6pin光电二极管§4.7异质结与肖特基光电二极管§4.8雪崩光电二极管§4.9光电晶体管与光敏场效应管第四章半导体光电探测器第四章：半导体光电探测器第四章半导体光电探测器§4.1光电导效应与器件基本结构普通的光电探测器基本上有三个过程：（1）入射光产生载流子；（2）通过任何一种电流增加机构造成载流子输运或者倍增；（3）电流与外电路相互作用提供输出信号。一、光电导效应第四章半导体光电探测器二、光电导器件基本结构光生载流子产生率光生载流子浓度的变化关系§4.1光电导效应与器件基本结构η为量子效率f(x)??xHWLV第四章半导体光电探测器三、光电流与暗电流1.光电流§4.1光电导效应与器件基本结构f(x)??提高Ip措施总光电流强度xHWLV第四章半导体光电探测器第四章半导体光电探测器三、光电流与暗电流2.暗电流§4.1光电导效应与器件基本结构xHWLV

与光电流对应的暗电流，是指在无光的黑暗环境下对光电探测器施加一定的偏压，探测器输出的电流值。光电探测器的暗电流越大，噪声功率就越大，探测能力就越弱，所以暗电流对设备的灵敏度影响很大。对于光电导型的探测器，暗电流的大小主要取决于材料本身的电导率和偏压。由于较大的暗电流会带来较严重的噪声问题，从实际应用的角度来讲，通常希望光电探测器的暗电流尽可能的小。

第四章半导体光电探测器一、光电导与光电流灵敏度1.光电导的灵敏度§4.2光电探测器基本参数光电导的灵敏度通常定义为单位入射光所产生的光电导率N为光子数仅有光生电子和仅有光生空穴的情况下，其灵敏度分别为有时也用光电导同暗电导的比值来表示光电导的灵敏度n0和p0越小，光电导灵敏度越高，所以应采用高阻低温材料做光电导元件。

第四章半导体光电探测器一、光电导与光电流灵敏度2.光电流灵敏度§4.2光电探测器基本参数光电流灵敏度定义为光电流与入射光功率的比值第四章半导体光电探测器二、光电导量子效率与增益1.光电子量子效率§4.2光电探测器基本参数量子效率是体现光电探测器的转换能力的一个性能参数理想情况下的外量子效率为量子效率与灵敏度之间存在联系一个光生载流子对外电路贡献的载流子数。

考虑二点：复合，寿命载流子存在寿命，动态平衡光生载流子形成一定分布；一端流出，另一端补充，直至载流子复合；寿命期间向外电路提供的载流子数，即增益：第四章半导体光电探测器二、光电导量子效率与增益2.光电导增益§4.2光电探测器基本参数ptItI00.37I00.63I0第四章半导体光电探测器三、光电导弛豫§4.2光电探测器基本参数1.响应时间（响应速度）上升时间和下降时间之和被称为光电探测器的时间常数第四章半导体光电探测器三、光电导弛豫§4.2光电探测器基本参数2.光谱响应光谱响应特性是光电导的一个重要性能指标决定着光电导的应用范围和灵敏度光电导的光谱响应范围是由它的跃迁类型所决定的某波长光波响应度与灵敏度表达式第四章半导体光电探测器一、噪声来源§4.3光电探测器噪声参数

噪声的来源多种多样，所有的光电探测器都会产生噪声，有些来自大自然，有些来自器件本身，还有些来自应用环境，无论来自哪里，都会对光电探测器的性能产生一定的影响。

研究表明热噪声、闪烁噪声、散粒噪声和产生-复合噪声是其内部噪声的主要部分。特点：随机，不可预测；统计平均值为0。表征：均方值（方均值）表述。第四章半导体光电探测器一、噪声来源1.噪声表征均方值（方均值）表述总噪声：tt§4.3光电探测器的噪声来源与参数第四章半导体光电探测器一、噪声来源§4.3光电探测器的噪声来源与参数2.热噪声载流子无规则热运动（白噪声）热噪声均方振幅电压值可表示为电流均方值为热噪声的功率谱密度为3.散粒噪声散粒噪声均方振幅电压值可表示为电流均方值为功率谱密度为热电子的随机发射产生的噪声，称为散粒噪声，也被称为散弹噪声第四章半导体光电探测器一、噪声来源4.产生-复合噪声均方振幅电压值可表示为电流均方值为电子-空穴对的产生与复合是随机起伏的，产生-复合噪声的实质是散粒噪声，然而为了突出产生与复合两个要素的作用，将其称作产生-复合散粒噪声，简称为产生---复合噪声5.闪烁噪声功率谱密度为电流均方值为闪烁噪声是由负极表层部分的不均匀，产生随机激发的电子，它是频率范围在1KHz以内的低频噪声，也称为低频噪声和1/f噪声§4.3光电探测器的噪声来源与参数第四章半导体光电探测器一、噪声来源6.光子噪声电流均方值为光子噪声指光子在传输过程中的起伏，引起光生电流的起伏所产生的噪声7.等效噪声带宽§4.3光电探测器的噪声来源与参数第四章半导体光电探测器二、光电探测器噪声参数1.等效噪声功率-NEP

等效噪声功率是指当光电探测器的信噪比等于1时入射光信号的功率大小，它反映了光电探测器噪声电压的大小及其探测微弱信号的能力。

即探测器输出的光信号电流等于噪声电流时的光功率。单位面积上的辐射光功率，也就是噪声等效功率与光电探测器靶面积的比值§4.3光电探测器的噪声来源与参数第四章半导体光电探测器二、光电探测器噪声参数2.归一化探测率人们采用NEP的倒数来表示探测能力，越大则探测器的灵敏度越高

§4.3光电探测器的噪声来源与参数第四章半导体光电探测器§4.4光电二极管的基本结构与工作机制

功能：将光信号转换成电信号的pn结二极管。类型：光电二极管(常规pn结型)；

pin光电二极管；雪崩光电二极管；金属-半导体(势垒接触)光电二极管；光电晶体管(双极型、单极型)。原理：光生载流子定向运动；光生载流子区域----

中性区、扩散区、空间电荷区。第四章半导体光电探测器一、光电二极管的基本结构

在外加反向偏压和内建电势共同产生的电场作用下，电子向n区漂移，空穴向p区漂移，从而在外电路中产生电流，即为光生电流。吸收入射光子而产生光生载流子的区域，称为吸收区。高速工作时，耗尽区必须保持很薄以缩短渡越时间；为了增加量子效率（每个入射光子产生的电子--空穴对数目），耗尽区必须足够厚，在响应速度和量子效率之间应取折中。

§4.4光电二极管的基本结构与工作机制第四章半导体光电探测器二、光电二极管的工作机制pn结反偏；光生载流子构成输出电流。

对光生电流有贡献区域?

光生电流与光电池是否相等？光生电流是否常数(理想)?

所有光生载流子区一般不等一般常数§4.4光电二极管的基本结构与工作机制第四章半导体光电探测器三、光电二极管的量子效率

量子效率表示一定的入射光子能获得的电流大小。即量子效率表示入射一个光子得到的载流子数目

波长大于本征吸收波长的光几乎不会引起光的吸收，所以量子效率是零。对于短波长的光来说，吸收几乎发生在表面的附近，在没有到达耗尽层被电场分离之前就被大量复合，量子效率降低。

响应时间是指探测器将入射光辐射转换为电输出的弛豫时间。主要由三部分组成：光生少数载流子电子在吸收层的扩散时间；电子在耗尽层的电场下漂移时间；由结电容和负载电阻所决定的电路时间常数

光电二极管响应速度不仅由电子空穴的迁移时间、结的电容量所决定，也和p层、n层内产生的载流子的扩散时间有关。一般说来，耗尽层厚则迁移时间变长；耗尽层薄会使结电容量增加，响应特性变差§4.4光电二极管的基本结构与工作机制第四章半导体光电探测器§4.5光电二极管的等效电路一、直流等效电路光生电流

IL=If=C二极管电流If1.开路2.

短路IfI光生电流

IL=C二极管电流输出电流

I

=IL

3.

负载IfIRL光生电流

IL=C二极管输出电流

I

=If

+IL

？第四章半导体光电探测器§4.5光电二极管的等效电路一、直流等效电路Rsh

RSRL非理想情况第四章半导体光电探测器§4.5光电二极管的等效电路二、交流等效电路影响？RSRshRjCjRL反偏，pn结电阻可略：CjRLRLVCC光生电流与pn结反向电流叠加VI太阳电池第四章半导体光电探测器§4.5光电二极管的等效电路三、I-V特性（直流）1.

量子效率2.

频率响应见pin光电二极管见pin光电二极管缺点：表面反射，表面复合—影响效率寄生电阻，结电容，扩散与中性区—影响频率

信噪比

结构措施§4.5光电二极管的等效电路四、光电二极管的静态工作点第四章半导体光电探测器影响因素：扩散时间（扩散区）

10-9S

漂移时间（势垒区）

10-11S

结电容延迟时间10-9S

§4.6pin型光电二极管一、pin型光电二极管结构第四章半导体光电探测器-n+-Si+p-pin是在高掺杂p区和n区之间有一本征层（i区）的二极管。本征层很难实现，通常用高阻

p-型层或高阻n-型层代替：

pp-n---pπn;pn-n---pνn图(a)---结构斯示意图

(b)---杂质分布。pin:负电荷在p区侧，正电荷在n区侧pp-n---pπn:负电荷在p区侧和p-，正电荷在n区侧pn-n---pνn:负电荷在p区侧，正电荷在n区侧和n-电荷分布电场分布pinpp-npn-n§4.6pin型光电二极管二、pin型光电二极管电场分布第四章半导体光电探测器击穿电压高：储存时间（电荷消失时间）短：εm--临界击穿电场τ—少数载流子寿命(IR>If)P+P-nP+P-nWinn-P+WiP+nQ0常规第四章半导体光电探测器单位面积势垒电容近似常数：§4.6pin型光电二极管三、

基本特性对光电流贡献区域：

中性区

扩散区

本征区n+-Si-+pppnP

(1-R)exp(-αx)W通过调制本征区宽度：

提高量子效率；提高频率响应特性。第四章半导体光电探测器§4.6pin型光电二极管四、工作机制？？可略即希望光生载流子在本征区第四章半导体光电探测器-§4.6pin型光电二极管五、量子效率？？提高η和f

希望光子在本征区吸收p反射层n-+第四章半导体光电探测器P型宽带反射层N型宽带-+折射率半绝缘InPp+-InPp+-InGaAsPi-InGaAsn+-InGaAsP优点：1、效率高；2、响应快折射率#利用异质结改善性能？▲结构考虑（改善表面复合）第四章半导体光电探测器第四章半导体光电探测器一、异质结光电二极管异质结光电二极管还具有以下特点：1.可以让被检测光子与电子的相互作用主要发生在窄带侧，以有效改善表面吸收效应，提高转换效率；2.通过对窄带侧材料的选择与优化，实现探测器的探测波长选择；3.异质结就有较高载流子发射效率，因此其暗电流小。§4.7异质结与肖特基光电二极管工作原理与前述光电二极管相同优点：

1.势垒区在表面，有效改善高能光子产生的电子-空穴对的表面复合—转换效率提高；

2.电容小速度高。

++++++++++++++++++++++++++++++E#如果采用金属-本征-n+(或p+)器件性能会如何？n-Si-+第四章半导体光电探测器§4.7异质结与肖特基光电二极管二、肖特基光电二极管#金属-本征-半导体势垒区宽—效率高；响应速度快。++++++++++++++++++En+-Si-+---------第四章半导体光电探测器§4.7异质结与肖特基光电二极管一、基本结构示意图p+-pn+n++-npp+金-半结p+nn++p+-p-n+nnp+-+pn+nn+θp+nE-θpn+EE第四章半导体光电探测器§4.8雪崩光电二极管(APD)器件偏置于临界雪崩状态；

光生载流子渡越空间电荷区雪崩倍增。

输出载流子获得增益。优势：有增益；噪声低第四章半导体光电探测器§4.8雪崩光电二极管(APD)二、工作原理雪崩倍增输出光电流与雪崩倍增前光电流比一般取100左右VRR雪崩击穿电压M≠CM<M2第四章半导体光电探测器§4.8雪崩光电二极管(APD)三、雪崩增益-Mph第四章半导体光电探测器四、雪崩噪声§4.8雪崩光电二极管(APD)n+pn异质结晶体管？增益近似为β1•β2n+pn????第四章半导体光电探测器一、双极型光电晶体管§4.9

光电晶体管与光敏场效应管1.JFETorMESFET2.MOSFET

VTn=VFB+(4ε0εsqNAVF)1/2/Cox+2VFB

VTp=VFB–(4ε0εsqNDVF)1/2/Cox–2VFBGa—0.072eV；In—0.16eVVG=Cp-SiGa-Ga-n+n+n+nP+P+d第四章半导体光电探测器二、单极型光电晶体管§4.9

光电晶体管与光敏场效应管pnp基本结构基本原理光谱响应利用：浅结短波长响应度高深结长波长响应度高不同波长电流比不同1.双结光电二极管lg(Isc2/Isc1)短路电流比第四章半导体光电探测器三、色敏光电晶体管§4.9

光电晶体管与光敏场效应管2.全色光电二极管基本原理标准色度系统根据电流比确定颜色pnpnpn玻璃红绿蓝滤三基色板非晶pn结基本结构-+透明电极第四章半导体光电探测器三、色敏光电晶体管§4.9

光电晶体管与光敏场效应管半导体光电子器件第五章：半导体光电荷耦合器件§5.1CCD的基本结构§5.2CCD中电荷的存储与转移§5.3CCD中电荷的注入与检测§5.4