电子信息物理学5-课件.ppt

1、第五章光电子学和光电子器件第五章光电子学和光电子器件光照射固体，改变电子的运动状态电子仍在固体内部光能转化为电能（主要）半导体光电效应光生伏特效应制成太阳电池光电导效应制成光电阻光电流制成光电探测器Pn结光电二极管结光电二极管PIN雪崩光电二极管雪崩光电二极管APD光晶体管光晶体管电子逸出固体光电效应应用应用光电倍增管光电子能谱化学反应（化学能）热运动（热能）光辐射（光能）电子注入（电能）电子能级跃迁光辐射电能转化为光辐射能半导体光源：发光二极管LED，激光二极管LD5.1 固体的光发射固体的光发射固体对光辐射的吸收光子能量gEhv 光子与晶体相互作用光子与杂质原子相互作用光子与缺陷相互作用光

2、子能量gEhv 产生电子空穴对gE/24.1,mevEg量纲：5.1.1 光吸收系数光吸收系数固体的复折射率其中：n为折射率，k为消光系数假设光波沿x方向传播，则电场强度为：)exp()exp(0cnxjtjEE)exp()exp(0cnjkxjtjE)exp()exp()exp(0cnxjckxtjEvcn)2exp(ckxI)exp(xI典型半导体的吸收系数)(gcE/24.1,mevEg量纲：5.1.2 光吸收过程光吸收过程光吸收过程主要有：本征吸收（直接吸收、间接吸收）、激子吸收、自由载流子吸收、杂质与缺陷吸收、晶格吸收1.本征吸收本征吸收（光子能量（光子能量:)gEhv 电子从价带跃

3、迁到导带，产生电子空穴对价电子直接跃迁价电子间接跃迁A.直接跃迁直接跃迁导带最小值和价带最大值对应于相同的波失直接带隙半导体（如GaAs、InP）能量守恒：)()(vvCCkEkE动量守恒：vCkkk电子的德布罗意波长一般为nm量级光子的波长为亚um量级光子动量一般很小kvCkk B.间接跃迁间接跃迁导带最小值和价带最大值对应于的波失不同间接带隙半导体（如Ge、Si、GaP）能量守恒：动量守恒：PvvCCEkEkE)()(pvCkkkkPE声子能量pk声子动量“”表示吸收一个声子，“”表示发射一个声子)()(vvCCkEkE0pvCkkk2.2激子吸收激子吸收（光子能量:)gEhv 电子从价带

4、跃迁到禁带中的某些能态上（例如杂质、缺陷）库仑力产生电子空穴束缚系统电中性的激子（exciton：一种激发的电子能量状态）双粒子体系（准粒子）激子能够在固体中运动，但不传导电流激子（在固体中运动，但不传导电流）数个晶格常数数百个晶格常数电子空穴间距紧束缚系统松束缚系统激子再激励导带电子和价带空穴传导电流复合激子消失，产生能量辐射（发光）光照射固体gEhv，吸收能量，产生激子能量从晶体一处输运到另一处，没有电流电子空穴复合光辐射3.自由载流子吸收：自由载流子吸收：光照射固体（波长较长）导带电子吸收光能量价带空穴吸收光能量载流子在能带内部跃迁吸收自由载流子吸收动量守恒：光子动量很小，电子动量改变由

5、声子或电离杂质的散射补偿4.杂质与缺陷吸收杂质与缺陷吸收光照射固体（波长较长）束缚在杂质或者缺陷上的电子或者空穴吸收光子能量光子能量大于等于杂质电离能电子跃迁到导带空穴跃迁到价带5.晶格吸收光照射固体（波长较长）晶格吸收光子能量晶格振动（声子）吸收峰光子能量直接转换为声子动能5.1.3 电子空穴对的产生速率电子空穴对的产生速率半导体吸收光子能量产生电子空穴对：光子能量：gEhv)exp()(0 xIxI光强:1个光子能产生1个电子空穴对产生电子空穴对的速率为：光子通量为：5.2 pn结光生伏特效应和太阳能电池结光生伏特效应和太阳能电池5.2.1 基本原理基本原理光照：gEhv 产生电子空穴对p

6、n结势垒VDp区产生光生电子进入n区，在n区边界积累n区产生光生空穴进入p区，在p区边界积累在pn结建立光生电动势（电压）V与内键电场方向相反pn结光生电动势（电压）Vpn结势垒降低VD-V 光生电流IL光照恒定接通外电路负载电流Ipn结光生伏特效应故太阳光能照射在一些特殊材料上，会引起材料中电子的移动，形成电势差。太阳能光伏发电，就是依据这个原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能 5.2.2 光电池的光电池的I-V特性特性光照：gEhv 产生电子空穴对光生电流IL（pn结反偏方向）外电路产生电压V对pn结正偏用肖克莱方程（pn结正偏方向）净电流pn结反偏方向SLTSLBIIIeVIII

7、eTkV1ln1ln短路电流：开路电压：消耗在负载上的功率为：最大功率1)(expTkeVIIIBmSLmmmmVIP 填充因子：)/()(OCSCmmVIVIFF 5.2.3 太阳电池的光电转换效率太阳电池的光电转换效率太阳电池的光电转换效率最大输出的电功率Pout与输入的光功率Pin之比太阳电池的热力学极限效率为32%太阳辐射谱：主要波长范围在0.3m到1.5 m，峰值约在0.5 m太阳光通过大气层照射地面水汽、尘埃 等漫射辐射能量密度下降大气质量AMm：太阳光通过的空气质量（大气层吸收太阳光的程度）大气质量AMm：大气层外m0：AM0太阳垂直于海平面（正午）m1：AM1其他情况m1/si

8、n 1:Amm,为天顶角M增加，太阳光通过大气层的厚度增加大气对太阳的辐射吸收愈加严重到达地面的太阳辐射功率愈加小大气质量示意图用大透镜把阳光聚焦到太阳电池上，使入射光强提高数百倍阳光浓度C：ISC与C成正比VOC随C增大稍有增大他300K太阳电池的理想效率与Eg的关系5.2.4 非均匀吸收效应非均匀吸收效应光照半导体表面光强：光子在表面的反射率R单位时间、单位体积、从表面向内，半导体吸收的光子数目：)exp()1()(0 xhIRxN都是波长的函数其中0,IR1个光子能产生1个电子空穴对半导体吸收能量产生电子空穴对的速率为：)(exp)()(1)(),(0 xhIRxG5.2.5 新结构新结

9、构Si太阳电池太阳电池常规太阳电池结构：大面积的pn结、叉指状电极增透膜提高接收太阳光的面积减少阳光反射提高转换效率绒面太阳电池太阳电池表面作成绒面或者V形槽表面反射率减低至20%半导体表面涂增透膜表面反射率降至百分之几5.2.6 异质结、肖特基势垒、异质结、肖特基势垒、MIS太阳电池太阳电池GaAs异质结太阳电池GaAs的Eg比Si与太阳光谱匹配好可以得到较高的转换效率GaAspn结太阳电池入射光子大多在 表面层被吸收在GaAspn结上加上AlGaAs宽带隙材料光学窗口作用：12ggEhE，光子穿过宽带隙材料进入窄带隙材料被吸收晶格常数：0.5654nm（GaAs）0.5660nm（AlAs

10、）（AlxGa1-xAs 与GaAs晶格常数匹配很好，失配率0.1061%Al成分增加（x增加）AlxGa1-xAs的Eg1增加光学窗口作用增加ITO（氧化铟锡）导电玻璃太阳电池 ITO导电玻璃具有导电性和高透光性增透膜作用氧化物半导体混合物作为异质结的一部分导电玻璃也可构成异质结太阳电池例如：pITO/n-Si太阳电池MIS太阳电池 金属薄绝缘层半导体（MIS）隧道电流MIS太阳电池的绝缘层2nm时，VOC和效率有明显的增加避免扩散pn结光电池的热扩散晶体损伤半导体和金属之间的绝缘层是透明的介质（增透作用）肖特基势垒太阳电池光子被金属吸收，激发空穴金属层须足够薄空穴越过势垒进入半导体：短波长

11、光子在耗尽层吸收短波长光子在半导体吸收产生电子空穴对扩散至耗尽层边缘收集肖特基势垒太阳电池的优点不必经过高温扩散，制作温度低适用于多晶硅和薄膜太阳电池收集势垒接近表面，增强了抗辐射性能薄金属减少表面复合 单晶硅太阳能电池转换效率是最高的(德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。通过技术改进制得的电池转化效率超过23%，是大值可达233。国内北京太阳能研究所也积极进行高效晶体硅太阳能电池的研究和开发，研制的平面高效单晶硅电池（2cm X 2cm）转换效率达到19.79%，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本价格居高

12、不下，要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳能电池，其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。薄膜太阳电池单晶硅太阳电池的问题：直径限于15cm；成本高非晶薄膜价廉、大面积多晶硅和非晶硅太阳电池多晶和非晶半导体（例如CdS、Si、GaAs、InP、CdTe）在玻璃、塑料、陶瓷、金属、石墨或硅片上形成非晶薄膜非晶薄膜太阳电池成本低、大功率效率低、不很稳定非晶薄膜太阳电池薄膜厚度：透入深度：光吸收系数的倒数 薄膜厚度 tr 光生载流子在耗尽层内产生减少p区和n区宽度，增加耗尽层宽度PIN管提高响应速度光电探测器的宏观响应

13、时间脉冲从10%升到90%所占时间为上升时间tr脉冲从90%下降到10%所占时间为下降时间tf3.探测率探测率探测率：等于探测器能探测的最小辐射功率的倒数。任何探测器都有噪声，比噪声起伏平均值更小的信号实际上检测不出来。产生如噪声那样大的信号所需的辐射功率，称为探测器能探测的最小辐射功率，或称等效噪声功率。主要噪声（均方电流）热噪声：光电流噪声（量子噪声）:暗电流噪声:BeIiphS 221BeIiDS 222背景光电流噪声：BeIibS 223光信号功率：平均光电流：噪声均方电流：222TsniiI假设调制度 m1，则光电二极管信噪功率比为由此得到能满足 S/N 要求的入射光功率若(即噪声主

14、要由光电流散粒噪声决定），则若(即噪声主要由背景光!暗电流和热噪声决定）噪声等效功率：噪声等效功率为信噪比等于 1（S/N=1）时的入射功率,一般表示式为探测率：5.3.3 PIN光电二极管光电二极管PN-PD漂移时间tr 扩散时间td耗尽区宽度tr扩散区宽度td在p区和n区之间夹一层本征层i响应速度PIN光电二极管高阻n型低掺杂层（v）:pvn管高阻p型低掺杂层（）:pn管PIN管能带图、吸收特性PIN光电二极管：整个I区基本上是耗尽层P层、n层很窄、I层很宽漂移速度达到饱和速度：tr很小 扩散区宽度很小：td也很小响应速度光生电流响应度量子效率：Wtr响应速度一般要求W:215.3.4 肖

15、特基势垒二极管肖特基势垒二极管金属同n型半导体接触构成肖特基势垒二极管类似与p+n 结器件肖特基势垒光电二极管的特点用很薄的、光学上透明的金属膜，消除强烈吸收p+层产生的 高能光子，增强短波响应：适用于可见光和紫外区蒸镀增透膜，减少反射大部分入射光，在半导体表面附近吸收类型参数：量子效率为70%，响应时间约为0.1ns5.3.5 光电导探测器件光电导探测器件光照射半导体，吸收光子能量载流子浓度增加，电导率上升光电导响应本征光电导效应gE/24.1非本征（杂质）光电导效应：IE/24.1IE,是杂质电离能光电导探测器（光敏电阻）光电导探测器（光敏电阻）光电导探测器（光敏电阻）CdS：0.3m0.

16、5 m(单晶)、0.3m0.8 m(多晶)CdSe：0.67 mPbS：3 mPbSe：4 mCdxHg1-xTe 合金半导体：2m25 mSi或Ge的杂质光电导探测器10m120 m5.4 增益型和异质结半导体光电探测器增益型和异质结半导体光电探测器增加PN-PD耗尽层I的宽度PIN-PD，但光生电流仍然很微弱多次放大噪声放大，引入放大器噪声S/N下降光生电流在光电探测器内部放大增益型半导体光电探测器雪崩光电二极管APD光晶体管结构改进异质结雪崩光电二极管，异质结光晶体管5.4.1 雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APD）PN-PD高反偏压 碰撞离化雪崩光电效应雪崩光电二极管（APD）内部电

17、流增益，灵敏度高响应速度快，可达1000GHz1.雪崩倍增因子雪崩倍增因子M雪崩倍增是复杂的随机过程：每一个初始光生电子空穴对的产生位置碰撞离化位置激发二次电子空穴对的数目都是随机的电子（空穴）电离率)(pn一个电子（空穴）在单位距离上激发一个二次电子空穴对的概率材料的电子空穴电离率比:pnK/电场电离率np,雪崩增益雪崩倍增因子M：光电倍增因子Mph：电子空穴电离率比:pnK/雪崩倍增因子M：雪崩倍增因子在不同的电离比K下随电场的变化特性2.增益带宽积增益带宽积fT雪崩倍增因子增加雪崩平均渡越次数m增加雪崩区时间常数tm增加响应时间增加，响应速度下降带宽下降增益与带宽相互制约增益带宽积BMf

18、T增益带宽积BMfT高频增益雪崩区宽度减少，导致fT增加饱和漂移速度上升，导致fT增加电离率比上升，导致fT增加N(K)随K的慢变函数电离率比K上升，导致fT增加选择电子电离率大的材料，这样fT增加过剩噪声因子过剩噪声因子F 理想的倍增过程：通过倍增区的每个电子或空穴都倍增M倍相应的散粒噪声也倍增M倍雪崩倍增每个载流子倍增g倍，随机雪崩过程导致电流平均增gM 每个载流子散粒噪声对于的随机量为g2倍，均方电流222)(MMMFg引入过剩噪声，过剩噪声因子F(M)过剩噪声因子F(M)雪崩倍增导致噪声倍增比信号更强xMMF)(xMg22过剩噪声指数x用于长波光通信的GeAPD的改经型结构5.4.2

19、异质结的窗口效应、光限制作用、光电二极管异质结的窗口效应、光限制作用、光电二极管光照射异质结宽带区Eg2低能光子1gEh2gEh21ggEhE光子不能产生电子空穴对无光电流高能光子在宽带区产生电子空穴对光子不能进入窄带隙材料不能扩散到结区在窄带区不能产生电子空穴对无光电流光子透过宽带隙材料进入窄带隙材料在窄带区阐述电子空穴对产生光电流光照射异质结宽带区Eg2低能光子1gEh2gEh21ggEhE高能光子产生光电流无光电流无光电流异质结的“窗口”效应：21ggEhE12/24.1/24.1ggEE能量大于Eg2的光宽带区宽度相当薄进一步下降被宽带材料吸收，产生电子空穴对扩散到结区，进入窄带隙材料

20、透过宽带层，被窄带材料吸收，产生电子空穴对光电流突破异质结窗口效应的限制，光响应延伸到短波较远的区域：异质结的窗口效应：12/24.1/24.1ggEE薄宽带区的响应延伸：2/24.1gEAlxGa1-xAs的AL组分x增加，导致Eg增大，折射率n减小异质结两侧材料折射率不同光线总是弯向折射率 较大的区域中传播光总是在窄带材料中传播异质结的光限制作用不同材料，相同材料不同组分构成异质结PD:缺点：晶格常数不匹配，暗电流较大优点：量子效率提高，响应速度上升、选择响应窗口:/47.053.047.053.0InPNAsGaInAsGaPIn背面照射结构 光电二极管InGaAsNPyyxxPAsIn

21、Ga11能同时探测两个波段异质结 光电二极管5.4.3 异质结雪崩光电二极管异质结雪崩光电二极管异质结雪崩光电二极管优点（与Si或GeAPD比较）波长可调谐暗电流低量子效率高响应速度快工艺要求降低隧道电流减少异质结界面处电荷积累制作保护环层材料A：Al0.45Ga0.55As:厚度55nm，电子和空穴电离率比值1/pnK材料B：GaAs:厚度45nm、电子和空穴电离率比值1K异质结：eVEeVEvC08.0,45.050层交替周期性异质结（25）：电子自由程为50nm超晶格结构超晶格结构：AlGaAs中光激发电子空穴对，碰撞电离产生电子空穴对eVEC45.0较大eVEv08.0倍增电子进入Ga

22、As层，能量比导带底高CE热电子碰撞电离，电离率较大电子加速，从势阱跌到下一层AlGaAs，继续碰撞电离很小：附加能量很小，效应不显著超晶格结构K10,作为雪崩光电二极管的耗尽区约为2500nm5.4.4 光晶体管光晶体管光照射光晶体管，产生光生载流子发射结正偏 集电结反偏晶体管放大作用光电流放大倍：光增益：光子数/电子数晶体管电流增益，输出光电流Iph，入射光功率P发射区和基区内载流子激发的量子效率1、2发射区吸收系数1、扩散长度L1异质结引入光晶体管光照射在基区产生光生载流子异质结高注入比更大的放大倍数和光增益，光增益可达60005.5 固体的光发射固体的光发射固体中的电子（热平衡状态）激

23、发非热平衡状态过渡到 热平衡状态多余的能量释放（光或热的形式）5.5.1 发光过程中的激发发光过程中的激发激发：外界因素作用系统，是系统吸收能量，激发电子固体受激发光：激发电子以光辐射形式释放能量主要的发光形式：光致发光、阴极射线发光、发射线发光、生化发光、电致发光1.光致发光光致发光光照射固体吸收能量电子能量增加电子向上能级跃迁，进入非热平衡状态电子向下能级跃迁，恢复到热平衡状态固体发光2.阴极射线发光阴极射线发光 电子束或阴极射线轰击发光物体（如荧光屏）引起发光3.放射线发光放射线发光 快速粒子或高能射线（如X,及中子射线）轰击发光物体发光4.生化发光生化发光 人体热、化学反应、生物（萤火

24、虫、某些鱼）发光5.电致发光电致发光场致发光：薄膜发光材料、发光粉末（如荧光粉）导致的发光pn结或肖特基势垒发光：注入载流子，导致的发光白炽灯：电流是钨丝发热，导致的发光节能灯（日光灯）：节能灯（日光灯）：电场使汞蒸汽放电，产生紫外线 轰击荧光粉，导致的发光液晶显示（非发光）：液晶显示（非发光）：局部电场作用液晶局部分子取向变化光学性能变化形成图像光照射液晶散射、反射、偏振变化5.5.2 基本跃迁类型基本跃迁类型pn结正向偏置激发电子注入电子空穴对复合光辐射：发射光子，辐射复合能量传递：激发，非辐射复合主要的复合形式带间复合过程杂质或缺陷复合过程俄歇（Auger）复合过程1.带间复合过程带间复

25、合过程导带底附近的导带电子、价带顶附近的价带空穴复合光子辐射gEh发射光谱有一定的谱宽带间复合：直接带隙材料产生直接跃迁间接带隙材料产生间接跃迁2.杂质、缺陷复合过程杂质、缺陷复合过程杂质缺陷产生的复合导带与受主之间的复合施主与价带之间的复合施主与受主之间的复合深陷阱产生的非辐射复合半导体中具有杂质或缺陷时的复合过程3.俄歇（俄歇（Auger）复合过程（非辐射）复合过程（非辐射）电子与空穴复合能量转移给同一能带的高能态自由载流子（导带电子或价带空穴）高能态的自由载流子跃迁到导带底或者价带顶激发多个声子使晶体发热GaAs的发射光谱温度上升禁带宽度下降参与跃迁载流子的数量、能量增加峰值光子能量下降

26、谱宽增加5.5.3 发光效率发光效率量子效率q 辐射效率辐射复合速率Rr/总复合速率R复合速率与寿命成反比nrrnrnrrrrnrrrqRRRRR111非辐射寿命nr很大的材料，有高的发光效率带间电子与空穴的复合速率，与电子浓度n和空穴浓度p正比直接带隙材料的B值比间接 带隙材料高106量级间接带隙材料很难发射带间辐射复合5.5.4 材料材料直接带隙半导体器件材料主要有：GaAs、AlxGa1xAs、GaAs1xPx等AlxGa1xAs0 x0.45：AlxGa1xAs合金材 料为间接带隙材料AlxGa1xAs的Elg与组分x的关系：GaAs1xPx0 x0.35：GaAs1xPx合金材料为间

27、接带隙材料5.6 发光二极管（发光二极管（LED）正向偏置的pn结（电子或空穴）正向注入（电子或空穴）复合自发辐射发光发光二极管（LED）紫外光可见光：电光源（显示、照明）红外光：通信（0.85m、1.31m、1.55m）5.6.1 发光效率与量子效率发光效率与量子效率二极管正向偏置电流密度有：少子电子扩散电流密度：少子空穴扩散电流密度：空间电荷复合电流密度：1)exp(0TkeVLneDJBanpnn 1)exp(0TkeVLPeDJBapnpP 1)exp(20TkeVWenJBaiRGaAs发光主要由少子电子复合产生RPnnJJJJpnGaAs二极管的 和 都相对很小PJRJ1辐射效率：rnrnr内量子效率：内内单位时间产生的光子数/单位时间注入的电子空穴对的对数外量子效率：外外单位时间从晶体发出的光子数/单位时间注入的电子空穴对的对数单位时间从晶体发出的光子数单 单位时间产生的光子数体内光吸收菲涅耳（反射）损耗临界角（全反射）损耗5.6.2 LED材料材料几种材料LED在室温下的光谱响应5.6.3 LED的应用的应用固体显示光源：光纤通信、光纤传感交通灯：红、黄、绿色照明：红、黄、蓝形成白光，节能、大大提高寿命光电耦合器：用在很多控制电路中光耦合电隔离器示意图