半导体光电器件基础教材课件.ppt

半导体光电器件基础,学习重点：,1、半导体的光吸收2、半导体光生伏特效应3、半导体发光,1.1 半导体的光吸收,媒质中光的衰减与光强度成正比,1、光吸收系数,为吸收系数，表示单位距离的光吸收。单位：cm-1。,积分得，,式中,光在媒质中传播1/距离时能量减弱到原来能量的1/e。,k是媒质的消光系数。,不同吸收系数光强与距离的关系,2、反射系数与透射系数,反射系数：,透射系数：,透射光强度,入射光强度,半导体中电子通过导带与价带之间的跃迁所形成的吸收过程称为本征吸收。,3、半导体的光吸收,（1）本征吸收,：能够引起本征吸收的最低限度光子能量。,：称为半导体的本征吸收限。,半导体禁带宽度Eg与0的对应关系,电子跃迁的选择定则：电子吸收光子产生跃迁时波矢保持不变。,直接跃迁,直接跃迁：本征吸收过程中，保持电子波矢不变的跃迁称为直接跃迁。,间接跃迁,间接跃迁：本征吸收过程中，除了吸收光子外还与晶格交换能量的非直接跃迁称为间接跃迁。,几种不同半导体的吸收系数与波长的关系,当光子能量小于半导体禁带宽度时，价带电子受激发后虽然跃出了价带，但还不足以进入导带而成为自由电子，仍然受到空穴的为库仑场作用。受激电子和空穴互相束缚而结合在一起成为一个新的系统，这种系统称为激子。这样的光吸收称为激子吸收。,（2）激子吸收,激子消失途径,自由载流子在同一带内的跃迁所引起的吸收，称为自由载流子吸收。,（3）自由载流子吸收,束缚在杂质能级上的电子吸收光子跃迁到导带能级；空穴吸收光子而跃迁到价带，这种光吸收称为自由杂质吸收。,（4）杂质吸收,EI为杂质能级上电子或空穴的电离能。,光子能量直接转换为晶格振动动能的吸收，称为晶格振动吸收。,（5）晶格振动吸收,1.2 半导体的光电导,1、附加电导率,2、定态光电导及其弛豫过程,（1）定态光电导( s ):恒定光照下产生的光电导。,设 I 表示以光子数计算的光强度，为样品的吸收系数，则单位时间单位体积内吸收的光能量与光强度 I 成正比。,I 等于单位体积内光子的吸收率，从而电子-空穴对的产生率可写为：,为量子产额,t 时刻光生载流子的浓度为：,设光生电子和空穴的寿命分别为n和p，则定态光生载流子浓度为：,则定态光电导为：,n =I t,n,ns,t,光生载流子浓度随时间的变化,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，称为光电导弛豫现象。,（2）光电导弛豫现象,小注入情况光电导上升和下降函数为:,t,光电导的弛豫过程,s,0 1 2 3 0 1 2 3 (上升时间) (下降时间),强注入情况光电导上升和下降函数为:,3、光电导灵敏度及光电导增益,（1）光电导灵敏度：单位光照度引起的光电导。,（2）光电导增益因子,流过半导体的电流密度：,均匀光照，即稳态情况下：,光生电流为：,如电子迁移率为n，电极间距为l，则渡越时间为：,光电导增益为：,例题：计算硅光电导体的增益。 n型硅，长度l = 100 um，横截面A=10-7cm2 ，少子寿命 p=10-6s，所加电压 V=10（V）。,解： 电子渡越时间为：,光电导增益：,光电导增益与频率相应的开关速度矛盾，须折衷考虑。,4、复合和陷阱效应对光电导的影响,（1）复合对光电导的影响,（2）陷阱效应对光电导的影响,少数载流子陷阱作用：增加定态光电导灵敏度；多数载流子陷阱作用：使光电导弛豫时间增长。,5、本征光电导的光谱分布,对应于不同的波长，光电导响应灵敏度的变化关系。,6、杂质光电导,光照使束缚于杂质能级上的电子或空穴电离，因而增加了导带或价带的载流子浓度，产生杂质光电导。,补充内容,光电转换目的是探测或获取光能信息。如pn结光电二极管、PIN光电二极管、雪崩二极管等。光电转换的目的是产生能量，这种器件称为光电池，或太阳能电池。将电能转换成光能的器件，如发光二极管（LED）和激光二极管。,半导体光电器件的类型,1.3 半导体光生伏特效应,-n结势垒区中存在的由n区指向p区的内建电场作用于结两边的光生少子，各自向相反方向运动：p区的电子穿过p-n结进入n区；n区的空穴进入p区，p端电势升高，n端电势降低，于是p-n结两端产生光生电动势，这就是p-n结的光生伏特效应。,1、p-n结的光生伏特效应,2、光电池（太阳电池）及光电二极管的基本原理,（1）光电池的伏安特性,光电池工作时，电流由光生电流IL 与光生电压V 作用下的p-n结正向电流IF 构成。 光生电压V 作用下，通过p-n结的正向电流为：,如光电池与负载电阻接成通路，通过负载的电流应为：,3、光电池的电流电压特性,（2）光电池的开路电压与短路电流,在p-n结开路情况下（R =），I = 0，开路电压为：,开路电压,在p-n结短路情况下（V = 0），IF = 0，短路电流为：,短路电流,光电池的I-V特性曲线,传送到负载上的功率是：,求负载上的最大功率时的电流和电压：,由,可知，,当V = Vm时，I = Im，即,代入上式得最大工作电流为：,最佳匹配电阻为：,（3）太阳电池转换效率,太阳能转换效率定义：输出电能/入射光能,太阳能电池中可能的最大电流和最大电压分别是：,太阳能电池具有代表性的占空系数在0.70.8之间。太阳能电池的效率理论值是28%。,占空系数：,则,最大功率矩形 Im是V =Vm时的电流.,n,4、光电探测器,光电二极管是施加反向电压的p-n结二极管。采用特殊的制作封技术，使光可以穿透冶金结邻近区域。,（1）p-n结光电二极管,基本结构及工作原理,绝缘层,抗反射涂层,p,光照之前反偏下少子分布,稳态下，光生少数载流子浓度与反偏pn结中光电流,-n结光电二极管的电流I = IL + IS。 p-n结光电二极管的光电流（IL）由三部分构成： p区扩散电流、n区扩散电流、空间电荷区漂移电流。 如果假定在整个二极管中光产生率GL都是一致的，则由于光照导致的电流增加量IL应该等于-q乘以每秒在体积为A（Ln+W+Lp）空间内由光产生的电子-空穴对，即IL = -q A（Ln+W+Lp）GL,-n结光电二极管电流方程,-n结光电二极管的光电流中扩散电流成分的时间响应相对比较慢，其最大频率响应为几十MHz。,（2）PIN光电二极管,PIN光电二极管的瞬时光电流比普通光电二极管的大。,（3）雪崩光电二极管假设耗尽禁区宽度10m,饱和速度107cm/s：,调制信号周期2t ：,如果雪崩光电二极管的电流增益是20，则带宽增益是100GHz,器件可响应调制在微波频率的光波。,（4）光电晶体管,产生光子发射的主要条件：系统必须处于非平衡态。发光方式：电致（场致）发光、光致发光和阴极发光等。,1.4 半导体发光,1、辐射跃迁,如果电子从高能级向低能级跃迁时放出光子，这种跃迁称为辐射跃迁。否则称为无辐射跃迁。 基本跃迁方式包括：带与带之间的跃迁 本征跃迁有杂质或缺陷参与的跃迁 热载流子在带内的跃迁,非本征跃迁,2、电致发光激发机构,-n结注入发光 异质结注入发光,