半导体器件原理第七章.ppt

中国目前激光二极管供应主要来自国外，台湾和内地的份额较少，国外比较好的公司： 美国思佳讯公司：设计生产优势二极管 东芝 爱普科斯：全球领先的电子元件模块及系统制造商 END * 小 结 发光二极管，半导体激光器，光探测器，太阳能电池：基本结构、原理。 提高太阳电池的转换效率要考虑的因素。 太阳能电池与光电二极管主要异同点： 相同点：都是应用光生伏特效应工作的器件。 主要不同点： 太阳能电池是把太阳能转换为光能的器件，光电二极管的主要作用是探测光信号； 太阳能电池工作不加偏压而光电二极管工作要加反向偏压； 光电二极管存在带宽问题，而太阳能电池则不存在带宽问题。 * * * LED的基本结构和工作过程 LED的基本结构和工作过程 器件结构 Pn 结正向偏置，电子从n侧注入，与从p侧注入的空穴复合。 双异质结中更高的载流子浓度和载流子限定，辐射效率显著 提高。 LED的特性参数 V-I特性 发光二极管的电流—电压特性和普通二极管大体一致。 发光二极管的开启电压很低, GaAs 是1.0伏, GaP（红光）大约1.8伏，GaP （绿光）大约2.0伏。工作电流约为10 mA 。工作电压和工作电流低，使得可以把它们做的很小，以至于看作点光源，这使得LED极适宜用于光显示。 量子效率 量子效率是发光二极管特性中一个与辐射量有关的重要参数。它反映了注入载流子复合产生光量子的概率。 外量子效率：单位时间内实际输出二极管外的光子数目与注入的载流子数目之比。 内量子效率：单位时间内半导体的辐射复合产生的光子数与注入的载流子数目之比。 量子效率 1.注射效率： 注射效率就是可以产生辐射复合的二极管电流在二极管的总电流中所占的百分比。 量子效率 提高注射效率的途径是： (a) P区受主浓度要小于 N 区施主浓度，即 pn+ 结。 (b) 减小耗尽层中的复合电流。这就要求LED所用的材料和制 造工艺尽可能保证晶体完整，尽量避免有害杂质的掺入。 (c) 选用电子迁移率比空穴迁移率大的材料。由于III-V 族化合 物半导体的电子迁移率比空穴迁移率大很多，例如 GaAs ，所以它们是制造LED的首选材料。 量子效率 2.辐射效率 发生辐射复合的电子数与总的注入电子数比： 量子效率 三种可能的复合过程 三种可能的复合过程 浅施主能级 浅受主能级 深复合中心 量子效率 提高 辐射效率 的方法： 减少复合中心密度 增加P区的掺杂浓度，较高的NA还有降低串联电阻从而减小正向电压降和欧姆损耗的作用。然而，高的掺杂浓度使得晶体缺陷增加，导致非辐射复合中心Nt 的增加。同时，P侧的高掺杂会使注射效率下降。 实验证明，对于GaP LED,外部测得的峰值效率发生在 NA =2.5?1017cm-3处。 根据以上分析，内量子效率可以写作 3.逸出几率 逸出几率?0 也叫做出光效率，被定义为PN结辐射复合产生的光子射到晶体外部的百分数。 外量子效率可以写作： 影响逸出几率的主要因素：再吸收，界面反射和临界角损耗 。 LED的pn结处的光子发射图 光子可以向任何方向发射，且发射光子能量h?Eg,因此这些光子可以被半导体材料再吸收 光子从半导体界面发射到空气中，在界面发生反射反射系数 例：GaAs：n2=3.66,空气：n1=1 ?=0.33 GaAs辐射复合发出的光子有33%在界面被反射回GaAs半导体里面。 光从光密媒质射向光疏媒质，入射角大于临界角时，发生全反射 第七章：光器件 7.1 光学吸收 7.2 太阳能电池 7.3 光电探测器 7.4 光致发光和电致发光 7.5 发光二极管 7.6 激光二极管* 7.6 激光二极管 LED的光子输出归因于电子从导带到价带的跃迁放出了能量。光子发射是自发的，带与带之间的跃迁是独立的。LED发射谱的带谱较宽。 激光是受激辐射，产生一致的光谱输出，其谱宽小于0.1nm。这种新型的器件就是激光二极管，激光代表“辐射的受激发射引起的光放大”。 半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。 光受激辐射、发出激光必须具备三个要素： 1、激活介质经受激后能实现能级之间的跃迁； 2、能使激活介质产生粒子数反转的泵浦装置； 3、放置激活介质的谐振腔，提供光反馈并进行放大，发出激光。 Figure 7.31 7.6.1 受激辐射和分布反转 入射光子被吸收时，一