《微电子学概论》-ch8_光电子器件1课件.ppt

光电子器件;光电子器件;OUTLINE;光具有波粒二象性 在固体中，光子和电子之间的相互作用有三种基本过程： 光吸收 自发发射 受激发射;光电效应; 当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。 光电导效应 在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，引起载流子的激发，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。;过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。;光生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。 基于效应的光电器件有半导体太阳能电池。 ;固体中的光吸收过程; 在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。 基于外光电效应的光电器件有半导体发光二级管、光电管、光电倍增管等。;光发射的方式;受激辐射和自发辐射产生的光的特点不同 受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。 自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。 ;半导体中导致光辐射的非平衡载流子复合;OUTLINE;半导体电致发光有着悠久的历史 1907年观察到电流通过硅检波器时发黄光现象 1923年在碳化硅检波器中观察到类似的现象 1955年观察到III-V族化合物中的辐射 1961年观察到磷化镓pn结的发光 60年代初期GaAs晶体制备技术的显著发展 1962年制成GaAs发光二极管和GaAs半导体激光器 异质结的发展对结型发光器件性能的提高也起了很大的推进作用;半导体发光二级管;正向偏置下的载流子注入及复合辐射 （以同质PN结为例）;扩散电流 导致发光二极管辐射复合的主要电流。 辐射效率（内量子效率） 产生辐射的电流在总扩散电流中的比例 与pn结内部的掺杂浓度有关 ;外量子效率 与内量子效率相比，其值非常小 外电子效率对二极管的放光效率非常关键;半导体发光二级管的材料;OUTLINE;半导体发射激光，即要实现受激发射，必须满足下面三个条件： 通过施加偏压等方法将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带，建立粒子数反转分布，以产生受激辐射 形成光谐振腔，使受激辐射光子增生，产生受激振荡，导致产生的激光沿谐振腔方向发射 满足一定的阈值条件，使电子增益大于电子损耗，以产生自激振荡 ;条件1：粒子数反转分布;增益区（粒子数反转分布区）的产生： PN结界面上由于多数载流子扩散运动形成内部空间电场区，该电场导致载流子的漂移运动，无外加电压时，两种运动处于平衡状态，能带发生倾斜。当外加正向电压时， 内部电场被削弱，扩散运动加强，能带倾斜减小，在PN结形成一个增益区（粒子数反转分布区），高浓度的电子和空穴进入激发态，可产生自发辐射。;条件2：激光振荡和光学谐振腔;条件3：阀值电流密度;基本结构是双异质结(DH)平面条形结构 ;OUTLINE;光电探测器：利用入射光子与半导体中处于束缚态的电子(或空穴)相互作用，将它们激发为自由态，引起半导体的电阻降低或者产生电动势 光子探测器的三个基本过程： 光子入射到半导体中并产生载流子 载流子在半导体中输运并被某种电流增益机构倍增 产生的电流与外电路相互作用，形成输出信号，从而完成对光子的探测;内光电效应 光电导效应：光生载流子改变半导体的电阻率 光伏特效应：光生电子和空穴在内建电场作用下作漂移运动，如器件开路，在在器件两端产生光生电动势 ;光敏电阻（光电导探测器）：光敏电阻通常由一块状或薄膜状半导体及其两边的欧姆接触构成;光电二极管：光电二极管实际上就是一个工作在反向偏置条件下的pn结 p-i-n管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样，PN结的内电场就基本上全集中于 I 层中，提高光电探测器的灵敏度 ;OUTLINE;半导体太阳能电池;歇敞涪归僳痊训捅蜂耽挫瑚调洼摹芍乾篇选受播筐浙耶翌裙苯怠驯栈回亨《微电子学概论》-ch8_光电子器件1课件《微电子学概论》-ch8_光电子器件1课件;影响太阳能电池转换效率的主要因素有：表面太阳光的反射、pn结漏电流和寄生串联电阻等;作业