最新半导体器件物理精品课件.ppt

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1、现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 2 2本章内容本章内容q辐射跃迁与光的吸收辐射跃迁与光的吸收 q发光二极管发光二极管 q半导体激光半导体激光q光探测器光探测器q太阳能电池太阳能电池现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 3 3现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 4 4现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 5 5现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光

2、电器件光电器件 6 6现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 7 7现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 8 8现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 9 9 假设半导体被一光子h能量大于Eg且光子通量为0(即每秒每平方厘米所具有的光子数)的光源照射，当此光子通量进入半导体时，光子被吸收的比例是与通量的强度成正比。因此，在一增量距离x图(a)内，被吸收的光子数目为(x)x，其中称为吸收系数，由光子通量的连续性可得 负号表示由于吸收作用，导致光于

3、通量强度减少。代入边界条件，当x=0时，(x)= 0可得上式的解为 xxaxdxxdxxx xadxxd axex00)(x)(xxW在光照射下的半导体)(a0 x e0 xW0光通量的指数衰减)(b0 x e0 xW0光通量的指数衰减)(b图 8.4光的吸收辐射跃迁和光的吸收辐射跃迁和光的吸收0)(x)(xxW在光照射下的半导体)(a0 x e0 xW0光通量的指数衰减)(b0 x e0 xW0光通量的指数衰减)(b图 8.4光的吸收现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 1010 当xW图(b)时，由半导体的另一端出射的光子通量为 吸收系数

4、是h的函数，也同有关。右下图为几种应用于光电器件的重要半导体的光吸收系数，其中以虚线表示的是非晶硅，它是制造太阳能电池的重要材料。在截止波长c时，吸收系数会迅速地减小，亦即 aWeW00)(x)(xxW在光照射下的半导体)(a0 x e0 xW0光通量的指数衰减)(b0 x e0 xW0光通量的指数衰减)(b图 8.4光的吸收)(24. 1mEgc2 . 04 . 06 . 08 . 012 . 14 . 16 . 18 . 11102103104105106100 . 30 . 25 . 10 . 175. 03102101101110210m)(0.51CdSm)(0.82Sim)Si(1

5、.1m)(0.87GaAsm)(1.4PAsInGa.36.64.70.30m)1.881.24/EGe(gCK3002 . 04 . 06 . 08 . 012 . 14 . 16 . 18 . 11102103104105106100 . 30 . 25 . 10 . 175. 031021011011102102 . 04 . 06 . 08 . 012 . 14 . 16 . 18 . 11102103104105106100 . 30 . 25 . 10 . 175. 03102101101110210m)(0.51CdSm)(0.82Sim)Si(1.1m)(0.87GaAsm)(

6、1.4PAsInGa.36.64.70.30m)1.881.24/EGe(gCK300m/波长图 8.5数种半导体材料的光吸收系数(括号内的数值为截止波长)eV/hm/1透光深度1cm/吸收系数 因为光的本征吸收在hc时变得微不足道 辐射跃迁和光的吸收辐射跃迁和光的吸收1.24()mh现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 1111例1：一0.25m厚的单晶硅样品被一能量为3eV的单色光照射，其入射功率为10mW。试求此半导体每秒所吸收的总能量、多余热能耗散到晶格的速率以及通过本征跃迁的复合作用每秒所放出的光子数。 解：根据资料图知单晶硅的吸收

7、系数为4104cm-1，则每秒所吸收的能量为 每一光子能量转换成热能的比例为 mWsJehaw3 . 6/0063. 0)1025. 0104exp(110)1 (4420%7 .62312. 13hvEhvg因此，每秒耗散到品格的能量为62.76.3mW 3.9mW 又因为在1.12eV/光子时，复合辐射需要2.4mW(即6.3mW-3.9mW)的能量，所以每秒通过复合作用放出的光子数目为 )(103 . 112. 1106 . 1104 . 216193个辐射跃迁和光的吸收辐射跃迁和光的吸收现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 1212

8、发光二极管(LED)是一种p-n结，它能在紫外光、可见光或红外光区域辐射自发辐射光。可见光LED被大量用于各种电子仪器设备与使用者之间的信息传送。而红外光IED则应用于光隔离及光纤通讯方面。 由于人眼只对光子能量h1.8eV (0.7m)的光线感光，因此所选择的半导体，其禁带宽度必须大于此极限值（Eg 1.8eV ）。右图标示了几种半导体的禁带宽度值。可见光发光二极管：可见光发光二极管：人眼的相对灵敏度FWHMm555. 0m红外红绿紫紫外橙黄蓝SiGaAsCdSeGaPCdSSiCGaN ZnSyy- 1PGaAs人眼的相对灵敏度FWHMm555. 0m红外红绿紫紫外橙黄蓝SiGaAsCdS

9、eGaPCdSSiCGaN ZnSyy- 1PGaAs2 . 16 . 10 . 24 . 28 . 22 . 36 . 30 . 18 . 07 . 06 . 05 . 045. 04 . 035. 0m/eV/gE2 . 16 . 10 . 24 . 28 . 22 . 36 . 30 . 18 . 07 . 06 . 05 . 045. 04 . 035. 0m/eV/gE图 8.6 常作为可见光 LED 的半导体. 途中还表示了人眼的相对灵敏度发光二极管发光二极管现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 1313下表列出了用来在可见光与红

10、外光谱区产生光源的半导体。 在所列出的半导体材料中，对于可见光LED而言，最重要的是GaAs1 - yPy与GaxIn1-xN合金的-V族化合物系统。发光二极管发光二极管材材 料料波长波长nmInAsSbPInAs4200InAs3800GaInAsP/GaSb2000GaSb1800GaxIn1-xAs1-yPy11001600Ga0.47In0.53As1550Ga0.27In0.73As0.63P0.371300GaAs: Er, InP: Er1540Si: C1300GaAs: Yb, InP: Yb1000AlxGa1-xAs: Si650940GaAs: Si940Al0.11G

11、a0.89As: Si830Al0.4Ga0.6As: Si650GaAs0.6P0.4660GaAs0.4P0.6620GaAs0.15P0.85590(AlxGa1-x)0.5In0.5P655GaP690GaP: N550570GaxIn1-xN340, 430, 590SiC400460BN260, 310, 490现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 1414 右图表示GaAs1-yPy的禁带宽度是物质的量的比y的函数。当0y0.45时，它属于直接禁带半导体，由y=0时的Eg=1.424eV，增加到y=0.45时的1.977eV。当

12、y0.45时，则属于间接禁带半导体。 02 . 04 . 06 . 08 . 00 . 15 . 20 . 25 . 10 . 3K300Tyy- 1PGaAs2.261g E1.977g45. 0Ey直接禁带间接禁带424. 1g E02 . 04 . 06 . 08 . 00 . 15 . 20 . 25 . 10 . 302 . 04 . 06 . 08 . 00 . 15 . 20 . 25 . 10 . 3K300Tyy- 1PGaAs2.261g E1.977g45. 0Ey直接禁带间接禁带424. 1g EGaAsGaPy物质的量的比0 . 1y001230maxP85. 065

13、. 040. 0价带导带h0 . 1y001230maxP85. 065. 040. 0价带导带hP动量带的关系图的成分与直接及间接禁yy- 1PGaAs)(a的合金成分、绿色光黄色、橙色相对于红色)0 . 1 ()85. 0()65. 0(0.4)(y)(b图 8. 7eV/gE禁带宽度eV/能量发光二极管发光二极管现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 1515 右图表示几种合金成分的能量-动量图。导带有两个极小值，一个沿着p=0的是直接极小值，另一个沿着p=pmax的是间接极小值。位于导带直接极小值的电子及位于价带顶部的空穴具有相同的动量

14、(p=0)；而位于导带间接极小值的电子及位于价带顶部的空穴则具有不同的动量。辐射跃迁机制大部分发生于直接禁带的半导体中，如砷化镓及GaAs1 -yPy(yn1n3的条件下，第一层和第二层界面(b)的光线角度12超过临界角。而第二层和第三层界面间的23也有相似的情况发生。因此当有源层的折射率大于周围的折射率时，光学辐射就被导引(约束)在与各层界面平行的方向上半导体激光半导体激光现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 3434定义约束因子约束因子为在有源区内的光强度对有源区内外光强度总和的比例，其大小可表示为 其中C为常数，n为折射率之差，d为有源

15、层的厚度。显然，n与d愈大，约束因子就愈高。 )exp(1dnC光学腔与反馈：光学腔与反馈：使激光作用的必需条件为分布反转。只要分布反转的条件持续存在，通过受激辐射放出的光子就有可能引发更多的受激辐射。这就是光增益的现象。 半导体激光半导体激光现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 3535 光波沿着激光腔作单程传导所获得的增益是很小的。为了提高增益，必须使光波作多次传播，可以用镜面置于腔的两端来实现，如图(a)左右两侧所示的反射面。对于半导体激光而言，构成器件的晶体的劈裂面可以作为此镜面。如沿着砷化镓器件的(110)面劈开，可以产生两面平行，

16、完全相同的镜面。有时候激光的背部镜面会予以金属化，以提高其反射率。每一镜面的反射率R可算出为 211nnR其中n为半导体对应于波长的折射率（通常n为的函数）。 半导体激光半导体激光现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 3636 如果两镜面间的距离恰好是半波长的整数倍时，增强且相干的光会在腔中被来回地反射。因此对受激辐射而言，腔的长度L必须满足下述条件： 其中，m为一整数。显然，有许多的值可以满足条件图(a)，但只有那些落在自发辐射光谱内的值会被采用图(b)。而且，光波在传播中的衰减，意味着只有最强的谱线会残留，导致如图(c)所示的一组发光模式

17、。Lnm2Lnm2即 长轴模式长轴模式光增益光衰减发光光谱自发辐射衰减腔中的光增益光衰减发光光谱自发辐射衰减腔中的激光腔中的共振模式)(a自发辐射光谱)(b光增益波长)(c激光模式激光模式图 8. 22长轴模式长轴模式光增益光衰减发光光谱自发辐射衰减腔中的光增益光衰减发光光谱自发辐射衰减腔中的激光腔中的共振模式)(a自发辐射光谱)(b光增益波长)(c激光模式激光模式图 8. 22长轴模式长轴模式光增益光衰减发光光谱自发辐射衰减腔中的光增益光衰减发光光谱自发辐射衰减腔中的激光腔中的共振模式)(a自发辐射光谱)(b光增益波长)(c激光模式激光模式图 8. 22半导体激光半导体激光现代半导体器件物理

18、与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 3737 图中在横轴方向上可容许模式间的间距是相当于m与m+1波长的差。将虽然n为的函数，波长在临近模式间的微小的变化量dn/d却很小。因此模式间的间距可得到很好的近似值： Lnm2对微分可得 长轴模式长轴模式光增益光衰减发光光谱自发辐射衰减腔中的光增益光衰减发光光谱自发辐射衰减腔中的激光腔中的共振模式)(a自发辐射光谱)(b光增益波长)(c激光模式激光模式图 8. 22长轴模式长轴模式光增益光衰减发光光谱自发辐射衰减腔中的光增益光衰减发光光谱自发辐射衰减腔中的激光腔中的共振模式)(a自发辐射光谱)(b光增益波长)(c激光

19、模式激光模式图 8. 22长轴模式长轴模式光增益光衰减发光光谱自发辐射衰减腔中的光增益光衰减发光光谱自发辐射衰减腔中的激光腔中的共振模式)(a自发辐射光谱)(b光增益波长)(c激光模式激光模式图 8. 22dndnLnm12.2Ln22半导体激光半导体激光现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 3838 下图所示为三种激光器的结构。图(a)为基本的p-n结激光，称为同质结激光 (GaAs)。沿着垂直于110轴的方向劈成一对平行面，外加适当的偏压条件时，激光就能从这些平面发射出来(图中仅示出前半面的发射)。 二极管的另外两侧则加以粗糙化处理，以消

20、除激光从这两侧射出的机会，这种结构称法布里-波罗腔，其典型的腔长度L约300m，法布里-波罗腔结构被广泛地应用在近代的半导体激光器中。基本的激光器结构基本的激光器结构 ：横向纵向金属接触GaAs-pGaAs-n接触Lxy110z横向纵向金属接触GaAs-pGaAs-n接触Lxy110z同质结激光)(aAsGaAl-p1 xxAsGaAl-n1 xxGaAs-p激光双异质结)DH()(bAsGaAl-p1 xxAsGaAl-n1 xxGaAs-p激光双异质结)DH()(b金属氧化物GaAsp AsGaAlp1 xxGaAspAsGaAln1 xx衬底GaAsLsd激光长条状DH)(c金属氧化物G

21、aAsp AsGaAlp1 xxGaAspAsGaAln1 xx衬底GaAsLsd金属氧化物GaAsp AsGaAlp1 xxGaAspAsGaAln1 xx衬底GaAsLsd激光长条状DH)(c图 8.23法布里-波罗腔形态的半导体激光结构半导体激光半导体激光现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 3939 图(b)是双异质结构(DH)激光，此结构类似于三明治。有一层很薄的半导体(如GaAs)被另一种不同的半导体(如AlxGa1-xAs)所包夹。 图(a)及图(b)所示的激光结构为大面积激光，因为沿着结的整个区域皆可发出激光。图(c)是长条形

22、的DH激光，它除了长条接触区域外，皆由氧化层予以绝缘隔离，所以激光发射的区域就约束在长条状接触下面狭窄的范围。典型的条状区宽度s约5至30m。此长条形状的优点包括低工作电流、消除沿着结处的多重发射区域以及因除掉大部分结周围区域而提高可靠度。 横向纵向金属接触GaAs-pGaAs-n接触Lxy110z横向纵向金属接触GaAs-pGaAs-n接触Lxy110z同质结激光)(aAsGaAl-p1 xxAsGaAl-n1 xxGaAs-p激光双异质结)DH()(bAsGaAl-p1 xxAsGaAl-n1 xxGaAs-p激光双异质结)DH()(b金属氧化物GaAsp AsGaAlp1 xxGaAsp

23、AsGaAln1 xx衬底GaAsLsd激光长条状DH)(c金属氧化物GaAsp AsGaAlp1 xxGaAspAsGaAln1 xx衬底GaAsLsd金属氧化物GaAsp AsGaAlp1 xxGaAspAsGaAln1 xx衬底GaAsLsd激光长条状DH)(c图 8.23法布里-波罗腔形态的半导体激光结构半导体激光半导体激光现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 4040域值电流密度域值电流密度：激光工作中最重要的参数之一是域值电流密度Jth，亦即产生激光所需的最小电流密度。下图比较同质结激光与DH激光的域值电流密度Jth与工作温度的关

24、系。 值得注意的是，当温度增加时，DH激光增加的速率远低于同质结激光增加的速率。由于DH激光在300K具有低值，所以DH激光可以 在 室 温 下 连 续 工作这样的特性增加了半导体激光的应用范围，尤其是在光纤通信系统中。 100200300210310410510m300L波罗腔法布里)cm/A105(24约结传统的np)cm/A10(23约)m5 . 0(d双异质结结构100200300210310410510m300L波罗腔法布里)cm/A105(24约结传统的np)cm/A10(23约)m5 . 0(d双异质结结构K/T图 8.24图 20 中两种激光结构的域值电流密度与温度关系图)cm

25、A(2域值电流密度半导体激光半导体激光现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 4141 在半导体激光中的增益g是每单位长度的光能通量增加量，它与电流密度有关。增益g可表示为额定电流密度Jnom的函数，它定义为在单一量子效率(即每个光子所产生的载流子数目，=1)下均匀地激发1m厚的有源层所需要的电流密度。实际的电流密度为 其中d是有源层的厚度，以m为单位。右图表示一典型砷化镓DH激光的增益计 算 值 。 在 5 0 c m-1g400cm-1内，增益是随着Jnom成线性增加的。 dJcmAJnom2024681012140100200300400

26、500GaAsK297T317DAcm104 NN024681012140100200300400500GaAsK297T317DAcm104 NN)mA/cm10/(23nomJ额定电流密度图 8.25 增益系数与额定电流密度的变化图. 虚线部分表示其线性关系1cm/g增益系数半导体激光半导体激光图中直的虚线可以写成 其中g0/J0=510-2cmm/A，而J0=4.5103A/(cm2m)。 000JJJggnom现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 4242024681012140100200300400500GaAsK297T317D

27、Acm104 NN024681012140100200300400500GaAsK297T317DAcm104 NN)mA/cm10/(23nomJ额定电流密度图 8.25 增益系数与额定电流密度的变化图. 虚线部分表示其线性关系1cm/g增益系数在低电流时，会在各个方向上产生自发辐射。当电流增加时，增益亦随之增加，直到激光的域值点，亦即直到增益满足光波无衰减地沿着光学腔传播的条件时： 1)(expLgRRLg1ln1增益阈值或 其中是约束因子，是由于吸收或其他散射机制所引起的单位长度的损耗，L是光学腔的长度，R是光学腔终端的反射系数(假设腔两端的R相同) 半导体激光半导体激光现代半导体器件物

28、理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 4343将 与 000JJJggnom其中J0d/(g0)项常写为1/，而即增益因子。为了降低Jth，必须增大、L、R及减小d、。 RLag1ln1增益阈值结合，而得出域值电流密度为 dJcmAJnom2和 RLagRLagdJdJcmAJth1ln111ln100002半导体激光半导体激光现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 4444例5：试求出激光二极管的域值电流。已知前方与后方镜面的反射率分别为0.44与0.99，光学腔的长度与宽度分别为300 m与5 m，=10

29、0cm-1，=0.1cm-3A-1，g0=100cm-1，=0.9 解：由于两镜面的不同的反射率，上式可修改成 21021ln211RRLaJcmAJth2242/2036/99. 044. 01ln103002110010/1 . 09 . 0100cmAcmAcmAJthmAAIth3010510300203644所以半导体激光半导体激光现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 4545温度效应温度效应 ：下图表示一连续波(cw)长条状AlxGa1-xAs -GaAs DH激光的域值电流与温度的关系。图a显示当温度在25至115之间变化时，c

30、w的光输出与注入电流的关系，注意此光-电流曲线的完美线性关系。在一定温度下的域值电流值是在输出功率为零时的补差值。 图b则是域值电流对温度的关系图。此域值电流随温度呈指数增加，即 Ithexp(T/T0) 其中T是温度，以为单位。而对此激光，T0是110。 010020030005 . 2C2535 45 55 65 75 85 95105C115thI域值电流CW05 . 2C2535 45 55 65 75 85 95105C115thI域值电流CWmA/注入电流出与二极管电流关系图异质结构激光中光的输sGaAs/AlGaA)(a020406080100120102040601002003

31、00)C110/(expthTI02040608010012010204060100200300)C110/(expthTIC/散热器温度系图）域值电流与温度的关连续波（CW)(b图 8. 26mW输出功率mA/thI半导体激光半导体激光现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 4646 光探测器是一种能够将光的信号转换为电信号的半导体器件。光探测器的工作包括三个步骤：由入射光产生载流子；通过任何可行的电流增益机制，使载流子传导及倍增；电流与外部电路相互作用，以提供输出信号。 光探测器广泛应用于包括光隔离器的红外传感器以及光纤通信的探测器。在这些

32、应用中，光探测器必须在所工作的波长中具有高灵敏度、高响应速度及低噪声。另外，光探测器必须轻薄短小、使用低电压或低电流，并具有高可靠度。 光敏电阻光敏电阻 光敏电阻包含一个简单的半导体平板，而在平板两端则具有欧姆接触，如图。当入射光照到光敏电阻表面时，会发生从能带到能带(本征)或包含禁带能级的跃迁(非本征)，从而产生电子-空穴对，导致电导率增加。 hWLD欧姆接触欧姆接触半导体hWLD欧姆接触欧姆接触半导体图 8.30由一半导体平板与两端的接触所构成的光敏电阻的示意图光探测器光探测器现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 4747在本征光敏电阻中

33、，电导率为 而在光照射下，电导率的增加主要由于载流子数目的增加而引起的。本征光敏电阻的长截止波长可由c=1.24/Eg决定。在非本征光敏电阻中，能带边缘及禁带内的能级之间也会产生光激发。在此情况下，长截止波长则决定于禁带能级的深度。 考虑光敏电阻在光照射下的工作，在t=0时，单位体积内由光通量所产生的载流子数是n0经过一段时间后，载流子数目n在相同的体积内由于复合而衰减为 ()npqnp)exp(0tnn其中是载流子的寿命。由上式可以得复合率为： ntndtdn)exp(10光探测器光探测器现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 4848 假设

34、一稳定的光通量均匀打在面积A=WL的光敏电阻表面上，单位时间内到达表面的全部光子数目为Popt/(h)，其中Popt是射入光的功率，h 是光子能量，在稳态时，载流子产生率G=复合率n/ 。假如探测器的厚度D远大于光穿透深度1/，则每单位体积内全部的稳态载流子产生率为 其中是量子效率，亦即每个光子产生载流子的数目；n是载流子浓度，亦即每单位体积内载流子的数目。在电极间流动的光电流为 其中E是光敏电路内的电场，而vd是载流子漂移速度。将前式的n代入上式可得 WLDhPtnGopt)/(WDqnvWDnEqWDEIdnP)()()()(LEhvPqInoptP光探测器光探测器现代半导体器件物理与工艺

35、现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 4949若我们定义原来的产生的光电流为 则光电流增益G为 hvPqIoptPhrnphptLEIIG其中 为载流子渡越时间。而增益则与载流子寿命对渡越时间之比有关。 ELvLtndr 对于少数载流子寿命很长且电极间的距离很小的样品，其增益会大于1。某些光敏电阻的增益甚至可高达106。而光敏电阻的响应时间是由渡越时间tr来决定。为了达到短的渡越时间，必须使用很小的电极间距及强电场。一般光敏电阻的响应时间为10-3s10-10s，它们被大量应用于红外光侦测，尤其是波长大于几微米以上的区域。 光探测器光探测器现代半导体器件物理与工艺现

36、代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 5050例7：试计算当51012个光子/s打在=0.8的光敏电阻表面时的光电流与增益。少数载流子的寿命为0.5ns，且此器件的n=2500cm2/(Vs)，E5000V/cm，L=10m。 解: 由式得 )(LEhvPqInoptPAAcmcmVssVcmsqIP41041010/5000105)/(2500)/1058 . 0(6410212个光子因此25. 6101050001052500410LEGn光探测器光探测器现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 5151 光电二极管

37、基本上是一个工作于反向偏压的p-n结或金属-半导体接触。由光产生的电子-空穴对在耗尽区内建电场的作用下分离，因此有电流流至外部电路。为了能在高频下工作，耗尽区必须尽可能地变薄以减少渡越时间。另一方面，为了增加量子效率，耗尽层必须足够厚，以使大部分入射光都被吸收，因此在响应速度与量子效率之间必须有所取舍。 一、量子效率一、量子效率 ：每个入射光子所产生的电子-空穴对数目. 决定的重要因素之一是吸收系数。因为和波长有强烈的依赖关系，能产生可观的光电流的波长范围是有限的。长截止波长c是由禁带宽度决定的，当波长大于c时，值太小，以致无法造成明显的本征吸收。至于光响应的短截止波长，则是由于短波长的值很大

38、(约105cm-1)，大部分的辐射在表面附近就被吸收，且其复合时间甚小，导致光载流子在被p-n结收集以前就会发生复合。 每一种材料对光响应存在一个合适的范围光电二极管光电二极管2 . 04 . 06 . 08 . 012 . 14 . 16 . 18 . 11102103104105106100 . 30 . 25 . 10 . 175. 03102101101110210m)(0.51CdSm)(0.82Sim)Si(1.1m)(0.87GaAsm)(1.4PAsInGa.36.64.70.30m)1.881.24/EGe(gCK3002 . 04 . 06 . 08 . 012 . 14

39、. 16 . 18 . 11102103104105106100 . 30 . 25 . 10 . 175. 031021011011102102 . 04 . 06 . 08 . 012 . 14 . 16 . 18 . 11102103104105106100 . 30 . 25 . 10 . 175. 03102101101110210m)(0.51CdSm)(0.82Sim)Si(1.1m)(0.87GaAsm)(1.4PAsInGa.36.64.70.30m)1.881.24/EGe(gCK300m/波长图 8.5数种半导体材料的光吸收系数(括号内的数值为截止波长)eV/hm/1透光

40、深度1cm/吸收系数现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 5252下图是一些高速光电二极管的典型的量子效率与波长的关系。 注意，在紫外光及可见光区域内，金属-半导体光电二极管具有良好的量子效率。在近红外光区时，硅光电二极管(具有抗反射层)在0.8至0.9附近，可达到100的量子效率。在1.0至1.6间，锗光电二极管与-V族光电二极管(如GaInAs)具有很高的量子效率。而在更长的波长，为了高效率地工作，可将光电二极管予以冷却(如冷却至77K)。 光电二极管光电二极管0204060801001 . 02 . 04 . 06 . 01246810

41、SiGaInAsSi-AuZnS-Agp-nGe(77K)InSb(77K)InAs0204060801001 . 02 . 04 . 06 . 01246810SiGaInAsSi-AuZnS-Agp-nGe(77K)InSb(77K)InAsm/%/量子效率现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 5353响应速度受到三个因素的限制：载流子的扩散；耗尽区内的漂移时间；耗尽区的电容。二、响应速度二、响应速度在耗尽区外产生的载流子会扩散到结，造成相当大的时间延迟。为了将扩散效应降到最小，结必须非常接近表面。如果耗尽区足够宽的话，绝大部分的光线都会

42、被吸收,然而耗尽区不能太宽，因为渡越时间效应会限制频率响应。但它也不能太薄，因为过大的电容C会造成大的RC时间常数(其中R是负载电阻)。最理想的折衷办法是选择一个宽度，使耗尽层渡越时间大约为调制周期的一半。例如，调制频率为2GHz时，硅最理想的耗尽层宽度约25m。 光电二极管光电二极管现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 5454p-i-n光电二极管光电二极管 p-i-n光电二极管是最常用的光探测器之一，其耗尽区厚度(本征层)可予调制以优化量子效率及频率响应。图(a)是p-i-n光电二极管的截面图，它具有抗反射层以增加量子效率的特性。图(b)

43、、(c)分别是反向偏压条件下，p-i-n二极管的能带图及光吸收特性。半导体吸收光之后会产生电子-空穴对。在耗尽区或其扩散长度内的电子-空穴对终会被电场所分开，导致载流子漂移出耗尽层而产生外部电路电流。 光电二极管光电二极管h金属接触2SiO抗发射层inpLRRVh金属接触2SiO抗发射层inpLRRVhhhRqVCEVE电子扩散空穴扩散漂移空间反向偏压下的能带图)(bhhhRqVCEVE电子扩散空穴扩散漂移空间反向偏压下的能带图)(bxe/1PWWW Px吸收载流子吸收特性曲线)(cxe/1PWWW Px吸收载流子吸收特性曲线)(c光电二极管的截面图n- i -p)(a现代半导体器件物理与工艺

44、现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 5555p-n太阳能电池太阳能电池 p-n结太阳能电池包含一个形成于表面的浅p-n结、一个条状及指状的正面欧姆接触、一个涵盖整个背部表面的背面欧姆接触以及一层在正面的抗反射层。 当电池暴露在太阳光谱时，能量小于禁带宽度Eg的光子对电池输出并无贡献。能量大于禁带宽度Eg的光子才会对电池输出贡献能量，而大于Eg的部分能量则会以热的形式消耗掉。 太阳能电池太阳能电池正面指状条形接触1cmcm2npm4/ 1正面指状条形接触1cmcm2npm4/ 1h抗反射涂层mm5 . 0m4/1Sipcm1型W背面接触结n-ph抗反射涂层mm5 .

45、 0m4/1Sipcm1型W背面接触结n-p现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 5656图(a)和(b)分别为太阳辐射下的p-n结能带图及其等效电路。根据上述模型，其I-V特性可表示为LsIkTqVII1exp而kTEDNDNNqNAIJgppDnnAVCssexp11其中有一恒定电流源与结并联。此电流源IL是由于太阳辐射产生的多余 载流子的激发所造成的，IS是二极管饱和电流，而R是负载电阻。 太阳能电池太阳能电池hCEVEgEhocqVhCEVEgEhocqV射下的能带图结太阳能电池在太阳照n-p)(ahLRhLRLRILI 1)exp(

46、skTqVILRILI 1)exp(skTqVI效电路太阳能电池的理想化等)(b现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 5757 下图是太阳能电池的I-V特性曲线。选择适当的负载，可以得到接近80的ISCVOC乘积。其中ISC是短路电流，等于IL，而VOC是电池的开路电压；图中的阴影面积就是最大功率。图中也分别定义了在最大输出功率Pm(=ImVm)时的电流Im与电压Vm。 开路电压因此，固定一IL，则VOC会随着饱和电流IS的减少而呈对数增加，此输出功率为 V/V2 . 04 . 06 . 02 . 04 . 0040804080120mA/I

47、K300TnA1sI最大功率矩形2 . 04 . 06 . 02 . 04 . 0040804080120mA/IK300TnA1sI最大功率矩形最大功率矩形)(mP0mIscImVocV最大功率矩形)(mP0mIscImVocV电压特性曲线的电流太阳能电池在光照射下)(a对电压轴反转将(a)(b图 8. 38sLsLocIIqkTIIqkTVln1lnVIkTqVVIIVPLs1exp太阳能电池太阳能电池现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 5858 太阳能电池的理想功率转换效率为 其中Pin是入射功率，而FF是填充因子，定义为 转换效率转

48、换效率 inOCLPVIFF ocmococLmmqVkTkTqVqVkTVIVIFF1ln1填充因子为最大功率矩形对矩形ISCVOC的比例。若要使效率最大，必须使表达式分子中的三项全都最大化。 理想效率可以由I-V特性求得。短路电流IL为q与太阳光谱中能量h的光子数目的乘积。一旦IL已知，即可由I-V特性曲线求出太阳能电池的理想效率太阳能电池太阳能电池V/V2 . 04 . 06 . 02 . 04 . 0040804080120mA/IK300TnA1sI最大功率矩形2 . 04 . 06 . 02 . 04 . 0040804080120mA/IK300TnA1sI最大功率矩形最大功率矩形)(mP0mIscImVocV最大功率矩形)(mP0mIscImVocV电压特性曲线的电流太阳能电池在光照射下)(a对电压轴反转将(a)(b图 8. 38现代半导体器件物理与工艺现代半导体器件物理与工艺天津工业大学天津工业大学光电器件光电器件 5959Thanks forThanks forlisteninglistening