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1、半导体物理第十章第1页，本讲稿共45页光电子器件：光子担任主要角色的电子器件光电子器件：光子担任主要角色的电子器件发光器件：将电能转换为光能发光器件：将电能转换为光能q发光二极管发光二极管(LightEmittingDiode，缩写为，缩写为LED)q半导体激光器半导体激光器太阳能电池：将光能转换为电能太阳能电池：将光能转换为电能光电探测器：利用电子学方法检测光信号的器光电探测器：利用电子学方法检测光信号的器件。件。第2页，本讲稿共45页辐射跃迁与光的吸收辐射跃迁与光的吸收 吸收吸收吸收吸收 自发辐射自发辐射自发辐射自发辐射 受激辐射受激辐射受激辐射受激辐射原子的能态原子的能态光探测器和太阳电
2、池光探测器和太阳电池光探测器和太阳电池光探测器和太阳电池受激辐射速率受激辐射速率受激辐射速率受激辐射速率+自发辐射速率自发辐射速率自发辐射速率自发辐射速率=吸收速率吸收速率吸收速率吸收速率发光二极管发光二极管发光二极管发光二极管激光二极管激光二极管激光二极管激光二极管稳态时：稳态时：稳态时：稳态时：在固体中，光子和电子之间的相互作用有三种基本过程：吸收、自发发射和受激发射。第3页，本讲稿共45页pnpn结注入式场致发光原理结注入式场致发光原理半导体发光包括半导体发光包括激发激发过程和过程和复合复合过程。这两个过程衔过程。这两个过程衔接，是发光必不可少的两个环节。接，是发光必不可少的两个环节。在
3、在pnpn结上施加正偏压，产生注入效应，使结区及其左结上施加正偏压，产生注入效应，使结区及其左右两边各一个少子扩散长度范围内的少子浓度超过其右两边各一个少子扩散长度范围内的少子浓度超过其热平衡少子浓度。超过部分就是由电能激发产生的处热平衡少子浓度。超过部分就是由电能激发产生的处于不稳定高能态的非平衡载流子，它们必须通过第二于不稳定高能态的非平衡载流子，它们必须通过第二过程：过程：复合复合，达到恒定正向注入下的新稳态。，达到恒定正向注入下的新稳态。第4页，本讲稿共45页复复合合分分为为辐辐射射复复合合和和非非辐辐射射复复合合。辐辐射射复复合合过过程程中中，自自由由电电子子和和空空穴穴具具有有的的
4、能能量量将将变变成成光光而而自自然然放放出出。非非辐辐射射复复合合过过程程中中，释释放放的的能能量量将将转转变变为为其其它它形形式式的的能能，如如热热能能。因因此此，为为提提高高发发光光效效率率应尽量避免非辐射复合。应尽量避免非辐射复合。辐辐射射复复合合的的几几条条途途径径是是：带带-带带复复合合、浅浅施施主主-价价带带或或导导带带-浅浅受受主主间间复合、施复合、施-受主之间复合、通过深能级复合、激子复合等。受主之间复合、通过深能级复合、激子复合等。激激子子复复合合：如如果果半半导导体体吸吸收收能能量量小小于于禁禁带带宽宽度度的的光光子子，电电子子被被从从价价带带激激发发。但但由由于于库库仑仑
5、作作用用，它它仍仍然然和和价价带带中中留留下下的的空空穴穴联联系系起起来来，形形成成束束缚缚状状态态。这这种种被被库库仑仑能能束束缚缚在在一一起起的的电电子子-空空穴穴对对称称为为激激子子。激激子子作作为为一一个个整整体体，可可以以在在晶晶体体中中自自由由运运动动。由由于于在在整整体体上上它它是是电电中中性性的的，因因此此激激子子的的运运动动不不会会引引起起电电流流。激激子子是是一一个个能能量量系系统统，这这种种束束缚缚态态可可以以把把能量以辐射的方式或非辐射方式重新释放出来。能量以辐射的方式或非辐射方式重新释放出来。第5页，本讲稿共45页发发光光二二极极管管：靠靠注注入入载载流流子子自自发发
6、复复合合而而引起的自发辐射；引起的自发辐射；非相干光。非相干光。半半导导体体激激光光器器则则是是在在外外界界诱诱发发的的作作用用下下促促使使注注入入载载流流子子复复合合而而引引起起的的受受激激辐辐射射；相相干干光光，具有单色性好、方向性强、亮度高等特点。具有单色性好、方向性强、亮度高等特点。10.1发光器件第6页，本讲稿共45页(1)(1)发光二极管（发光二极管（LEDLED）发发光光二二极极管管称称作作LEDLED（Light Light Emitting Emitting DiodeDiode）。LEDLED低低电电压压、低低功功耗耗下下发发光光，远远比比白白炽炽灯灯寿寿命命长长，响响应应
7、速速度度也也快快。如如下下图图所所示示，使使用用LEDLED的的各各种种指指示示灯灯、七七段段数数字字显显示示器器和和文文字字阵阵列列、图图形形显显示示器器等等被被广广泛泛应应用用在在家家电电产产品、玩具直到产业设备等各个领域。品、玩具直到产业设备等各个领域。第7页，本讲稿共45页特征参数：特征参数：特征参数：特征参数：I-VI-V特征：特征：特征：特征：与普通二极管基本一致。开启电压低。与普通二极管基本一致。开启电压低。与普通二极管基本一致。开启电压低。与普通二极管基本一致。开启电压低。量子效率：量子效率：量子效率：量子效率：注入的载流子复合产生光量子的效率。注入的载流子复合产生光量子的效率
8、。注入的载流子复合产生光量子的效率。注入的载流子复合产生光量子的效率。外量子效率：外量子效率：外量子效率：外量子效率：单位时间内输出二极管的光子数目与注入的载流子数单位时间内输出二极管的光子数目与注入的载流子数单位时间内输出二极管的光子数目与注入的载流子数单位时间内输出二极管的光子数目与注入的载流子数目之比。目之比。目之比。目之比。内量子效率：内量子效率：内量子效率：内量子效率：单位时间内半导体的辐射复合产生的光子数目与注入单位时间内半导体的辐射复合产生的光子数目与注入单位时间内半导体的辐射复合产生的光子数目与注入单位时间内半导体的辐射复合产生的光子数目与注入的载流子数目之比。的载流子数目之比
9、。的载流子数目之比。的载流子数目之比。第8页，本讲稿共45页LEDLED的结构及工作原理的结构及工作原理低辉度发光的同质结结构低辉度发光的同质结结构 由由于于紧紧靠靠pnpn结结附附近近发发出出的的光光从从单单晶晶出出来来到到外外部部之之前前被吸收掉的比例高，所以发光效率低。被吸收掉的比例高，所以发光效率低。LED都采用pn结或异质结的注入式场致发光的方法发光。第9页，本讲稿共45页当当阳阳极极加加正正电电压压、阴阴极极加加负负电电压压时时，发发光光二二极极管管正正向向偏偏置置，则则n n区区自自由由电电子子通通过过pnpn结结向向p p区区移移动动，p p区区空空穴穴通通过过pnpn结结向向
10、n n区区移移动动。此此时时，自自由由电电子子和和空空穴穴的的一一部部分分因复合而消失。因复合而消失。光光的的波波长长根根据据pnpn结结处处禁禁带带宽宽度度来来确确定定，禁禁带带宽宽度度越越大大波长越短波长越短。即发光的波长即。即发光的波长即“色色”取决于材料。取决于材料。第10页，本讲稿共45页高辉度发光的异质结结构高辉度发光的异质结结构异异质质结结结结构构是是一一种种将将禁禁带带宽宽度度窄窄的的活活性性层层用用禁禁带带宽宽的的包包覆覆层层从从两两侧侧夹夹住住的的结结构构。一一侧侧包包覆覆层层是是p p型型材材料料，另另一一侧侧包包覆覆层层为为n n型型材材料料，活活性性层层可可以以为为p
11、 p型型或或n n型型任何一种。任何一种。当加正向偏压时，在当加正向偏压时，在p p型包覆层和活性层之间形成对于电子的电势垒，在型包覆层和活性层之间形成对于电子的电势垒，在n n型包覆层和活性层之间形成对于空穴的电势垒，阻挡了电子和空穴的相互扩型包覆层和活性层之间形成对于空穴的电势垒，阻挡了电子和空穴的相互扩散。散。由于活性层中电子和空穴的密度变高产生了抑制效应，在此状态下，电子由于活性层中电子和空穴的密度变高产生了抑制效应，在此状态下，电子和空穴能实现有效的复合。因此，异质结比同质结结构发光效率高。和空穴能实现有效的复合。因此，异质结比同质结结构发光效率高。第11页，本讲稿共45页LEDLE
12、D主要分为可见光和近红外光两类。主要分为可见光和近红外光两类。下图为一些有代表性的发光二极管的相对发光光谱下图为一些有代表性的发光二极管的相对发光光谱响应。图中虚线表示人眼对可见光的相对灵敏度，响应。图中虚线表示人眼对可见光的相对灵敏度，其最大灵敏度在其最大灵敏度在 0.550.55 m m的绿光的绿光。LEDLED的分类的分类第12页，本讲稿共45页可见光发光二极管可见光发光二极管常常用用的的材材料料是是掺掺杂杂的的间间接接跃跃迁迁材材料料GaPGaP以以及及GaPGaP与与GaAsGaAs的的混晶材料混晶材料GaAsGaAs1-x1-xP Px x。GaPGaP是是一一种种间间接接带带隙隙
13、半半导导体体，虽虽然然带带带带辐辐射射跃跃迁迁效效率率比比直直接接带带隙隙材材料料GaAsGaAs的的低低得得多多，但但是是通通过过掺掺杂杂，发发光光效率比其它间接带隙的高。效率比其它间接带隙的高。第13页，本讲稿共45页如掺氮是GaP发绿光的最主要机构。扩散Zn也可发绿光。掺铋是GaP发橙光的最主要机构。掺Zn-O是GaP发红光的最主要机构。实际上，在同一发光管中，有可能同时存在几种发光中心，只是以一种为主，其它发光比较微弱而已。各种掺杂的GaP的辐射复合第14页，本讲稿共45页vGaAsGaAs1-x1-xP Px x是由直接带隙型是由直接带隙型GaAsGaAs和间接带隙型和间接带隙型Ga
14、PGaP组成的组成的混晶。混晶。v当混晶比当混晶比x0.45x0.45x0.45时，混晶属间接跃迁，性质接近时，混晶属间接跃迁，性质接近GaPGaP。随着随着x x的增大，发光波长缩短，从橙色光变成绿光。的增大，发光波长缩短，从橙色光变成绿光。第15页，本讲稿共45页q光子从pn结结面发射到所有方向上，可是，仅有一部分光子能从半导体表面透出，达到人眼中。q损失部分由三种原因造成：LED材料的本征吸收损失；反射损失；临界角损失。q图(a)GaAs衬底对发射光不透明，因而，它对LED结面向下发射及反射的光子的本征吸收损失高达85%左右，而图(b)中透明的GaP衬底底部镀上反射电极，只有25%左右被
15、吸收掉，大部分发射光子被反射向上，因而可以极大地提高发光效率。第16页，本讲稿共45页q为为了了消消除除发发射射光光子子的的临临界界损损失失并并降降低低光光发发散散度度，可可以以改改进进LEDLED管管芯芯几几何何形形状状的的设设计计，图图（a a）的的矩矩形形截截面面可可以以改改成成下图所示的三种截面形状：半球形、截球形和抛物体形。下图所示的三种截面形状：半球形、截球形和抛物体形。LED的三种截面设计不同截面LED的发光强度角分布曲线显然，抛物体形发光强度角分布最佳。第17页，本讲稿共45页GaNGaN第三代半导体的曙光第三代半导体的曙光q第一代材料：第一代材料：SiSi、GeGeq第二代材
16、料：第二代材料：GaAsGaAs、InPInP、GaPGaPq第三代材料：第三代材料：SiCSiC、ZnSeZnSe、GaNGaN宽禁带半导体材料具有禁带宽度大，电子漂移饱和速度高，介电常数小，导热性能好等特点，非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件；而利用其特有的禁带宽度，还可以制作蓝、绿光和紫外光的发光器件和光探测器件。第18页，本讲稿共45页2121世纪绿色照明白光世纪绿色照明白光LEDLED半半导导体体晶晶体体管管以以及及集集成成电电路路的的发发明明和和发发展展使使计计算算机机成成为为人人类类社社会会不不可可或或缺缺的的东东西西，这这数数得得上上是是世世纪纪最最重重要
17、要的的技技术术革革命命。那那么么，半半导导体体引引起起的的下下一一个个技技术术革革命命将将是是什什么么呢呢？那那就就是是半半导导体体灯灯。半半导导体体照照明明灯灯将将逐逐步步取取代代电电真真空空灯灯泡泡和和日日光光灯灯管管，成成为为又又一一个个影影响响人人类类社会物质文明的电子革命的产物。社会物质文明的电子革命的产物。半半导导体体灯灯小小巧巧、可可靠靠、寿寿命命长长、低低压压、省省电电、节节能能等等占占尽尽了了优优点点。普普通通灯灯泡泡只只能能用用10001000小小时时，GaNGaN白白光光LEDLED灯灯可可用用1010万万小小时时，可可以以说说人人的的一一生生从从建建房房开开始始装装上上
18、就就不不用用再再更更换了，而且半导体灯消耗的电能只是白炽灯的换了，而且半导体灯消耗的电能只是白炽灯的10102525。第19页，本讲稿共45页目目前前利利用用LEDLED实实现现白白光光主主要要有有两两种种方方法法，一一是是利利用用蓝蓝光光LEDLED芯芯片片和和荧荧光光粉粉制制备备的的白白光光LEDLED产产品品；另另一一种种是是利利用用红红色色、绿绿色色、蓝蓝色色LEDLED制制备备LEDLED白白光光组组件件。国国际际上上比比较较活跃的是第一种方法。活跃的是第一种方法。日日本本和和美美国国有有多多家家公公司司推推出出了了白白光光LEDLED产产品品，目目前前日日本本日日亚公司的水平最高。
19、亚公司的水平最高。第20页，本讲稿共45页白光白光LEDLED的基本原理的基本原理白白光光LEDLED主主要要利利用用蓝蓝光光LEDLED为为基基础础光光源源，将将蓝蓝色色LEDLED发发光光的的一一部部分分蓝蓝光光用用来来激激发发荧荧光光粉粉，使使荧荧光光粉粉发发出出黄黄绿绿光光或或红红光光和和绿绿光光，另另一一部部分分蓝蓝光光透透射射出出来来，由由荧荧光光粉粉和和黄黄绿绿光光或或红红光光和绿光与透射的蓝光组成白光。和绿光与透射的蓝光组成白光。由由发发光光峰峰值值在在430nm430nm或或470nm470nm的的蓝蓝光光LEDLED与与黄黄绿绿色色（580nm580nm）荧荧光光粉粉组组成
20、成白白光光称称其其为为二二基基色色白白光光LEDLED。由由发发光光峰峰值值在在430nm430nm或或470nm470nm的的蓝蓝光光LEDLED与与红红色色（650nm650nm）和和绿绿光光（540nm540nm）组组成成的的白白光其为三基色白光光其为三基色白光LEDLED。荧荧光光粉粉的的要要求求是是荧荧光光粉粉的的激激发发波波长长与与发发光光二二极极管管的的发发射射波波长长相相匹匹配配，以以确确保保获获得得很很高高的的转转换换效效率率。同同时时要要求求荧荧光光粉粉的的发发光光与与蓝蓝光光LEDLED的发光可以配成白光。的发光可以配成白光。第21页，本讲稿共45页GaNGaN基发光器件
21、的应用基发光器件的应用高高亮亮度度蓝蓝光光LEDLED的的商商品品化化使使动动态态信信息息显显示示平平板板实实现现全全色显示；色显示；照明光源实现固体器件化照明光源实现固体器件化半导体灯；半导体灯；以高亮度以高亮度LEDLED取代传统的信号指示灯；取代传统的信号指示灯；应应用用蓝蓝光光LED LED（Laser Laser DiodeDiode）可可以以大大幅幅度度增增加加信信息息的的光存储密度。光存储密度。第22页，本讲稿共45页（2 2）半导体激光器）半导体激光器半半导导体体激激光光器器与与发发光光二二极极管管在在于于光光的的放放大大作作用用的的有有无无。LEDLED是是依依据据电电子子与
22、与空空穴穴复复合合时时具具有有的的能能量量来来产产生生光光，这这个个能能量是有分布的，发光的波长也分布在一个较宽范围内。量是有分布的，发光的波长也分布在一个较宽范围内。半半导导体体激激发发，电电子子和和空空穴穴的的密密度度一一提提高高就就会会激激励励发发光光，加加速速了了电电子子和和空空穴穴的的结结合合而而进进入入受受激激发发射射状状态态。因因为为仅仅仅仅特特定定能能量量的的载载流流子子相相结结合合，所所以以成成为为单单一一波波长长的的强光。强光。第23页，本讲稿共45页材料要求：材料要求：材料要求：材料要求：直接带隙直接带隙直接带隙直接带隙低界面态异质结构低界面态异质结构低界面态异质结构低界
23、面态异质结构晶格匹配晶格匹配晶格匹配晶格匹配工作原理：工作原理：工作原理：工作原理：分布反转分布反转分布反转分布反转:电子在较高能级的浓度大于在较低能级的浓度电子在较高能级的浓度大于在较低能级的浓度电子在较高能级的浓度大于在较低能级的浓度电子在较高能级的浓度大于在较低能级的浓度.能能能能带带带带图图图图光光光光约约约约束束束束结结结结构构构构简并型简并型简并型简并型p-np-n结结结结,正偏时正偏时正偏时正偏时,此区域分布反转此区域分布反转此区域分布反转此区域分布反转.导带中有大量电子导带中有大量电子导带中有大量电子导带中有大量电子,价带中有大量空穴价带中有大量空穴价带中有大量空穴价带中有大量
24、空穴.第24页，本讲稿共45页10.2 10.2 光电探测器光电探测器光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件。光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件。v热探测器热探测器 利利用用探探测测元元吸吸收收入入射射光光(通通常常是是红红外外光光)产产生生热热量量，引引起起温温度度上上升升，然后再借助各种物理效应把温度的变化转变成电学参量。然后再借助各种物理效应把温度的变化转变成电学参量。v光子探测器光子探测器 利利用用入入射射光光子子与与半半导导体体中中处处于于束束缚缚态态的的电电子子(或或空空穴穴)相相互互作作用用，将将它它们激发为自由态，引起半导体的电阻降低或者产生电动势。们激发为自由
25、态，引起半导体的电阻降低或者产生电动势。第25页，本讲稿共45页光电效应光电效应当当光光照照射射到到某某种种物物体体上上时时，光光能能量量作作用用于于物物体体而而释释放放出出电电子子的的现现象象称称为为光光电电效效应应。光光电电效效应应分分为为内、外光电效应内、外光电效应两大类。两大类。第26页，本讲稿共45页1、外光电效应外光电效应光电发射效应光电发射效应 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向在光线作用下，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。基于这类效应的器外发射的现象称为外光电效应。基于这类效应的器件有件有光电管、光电倍增管光电管、光电倍增管。能否产生光电效应由爱因斯
26、能否产生光电效应由爱因斯坦光电效应方程判别坦光电效应方程判别：从上式可知：当光子能量大于逸出功时，才产生光电效应；当光子能量恰好等于逸出功时的0称为红限频率(对应于长波限)。小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电效应。反之，入射频率高于红限频率，即使光线微弱也会有光电效应。（每个光子具有的能量=电子动能+逸出功）式中：m电子质量；v电子逸出速度第27页，本讲稿共45页2 2、内光电效应、内光电效应 受光照物体电导率发生变化或产生光电动势的现象称受光照物体电导率发生变化或产生光电动势的现象称为内光电效应。为内光电效应。(1)(1)光电导效应光电导效应 在在光光线线作作用用下下，电电子子吸吸
27、收收光光子子能能量量从从键键合合状状态态过过渡渡到到自自由由状状态态而而引引起起材材料料电电阻阻率率的的变变化化，此此现现象象称称为为光光电导效应。电导效应。光电导可分为：本征光电导和杂质光电导。光电导可分为：本征光电导和杂质光电导。第28页，本讲稿共45页第29页，本讲稿共45页光电导材料的电导率光电导材料的电导率无光照时：无光照时：0 0=n=n0 0qqn n+p+p0 0qqp p (暗电导暗电导)有光照时：有光照时：=0 0+pnpn 其中：其中：pnpn=nq=nqn n+pq+pqp p (光电导光电导)第30页，本讲稿共45页(a)(a)本征光电导本征光电导只只有有能能量量足足
28、以以使使电电子子越越过过禁禁带带宽宽度度E Eg g的的光光照照射射时时才才能能出出现现，相相应应的长波限：的长波限：0 0=hc/E=hc/Eg g=1240/E=1240/Eg g(nm)(nm)(E(Eg g(eV)(eV)；h h普朗克常数；普朗克常数；c c光速光速)(b)(b)杂质光电导杂质光电导 长波限则取决于杂质电离能长波限则取决于杂质电离能E EI I：0I0I=hc/E=hc/E I I=1240/E=1240/EI I(nm)(nm)光光电电导导效效应应的的强强弱弱可可用用光光电电导导与与暗暗电电导导的的比比值值来来判判断断：pn/0=(nn+qp)/(n0qn+p0qp
29、)利用光电导效应可以制造出各种波长范围的光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管和CCD图象传感器。第31页，本讲稿共45页(2)光生伏特效应光生伏特效应半半导导体体受受光光照照射射产产生生电电势势的的现现象象称称为为光光生生伏伏特特效效应应。这里介绍这里介绍pnpn结光生伏特效应结光生伏特效应。光光照照引引起起pnpn结结两两端端产产生生电电动动势势的的现现象象称称为为pnpn结结光光生生伏伏特特效效应应。当当光光照照射射到到结结区区时时，产产生生电电子子与与空空穴穴对对，其其中中电电子子被被内内建建电电场场扫扫向向n n区区、空空穴穴被被内内建建电电场场扫扫向向p p区区，电电子子在在n n区区积
30、积累累而而空空穴穴在在p p区区积积累累，使使pnpn结结两两端端出出现现由由光光照照而而产产生生的的电动势。电动势。第32页，本讲稿共45页光光照照使使PNPN结结势势垒垒降降低低等等效效于于PNPN结结外外加加正正向向偏偏压压，它它同同样样能能引引起起P P区区空空穴穴和和N N区区电电子子向向对对方方注注入入，形形成成正正向向注注入入电电流流。这这个个电电流流的的方方向向与与光光生生电电流流的的方方向向正正好好相相反反，称称为为暗暗电电流流，是是太太阳阳能能电电池池中中的的不不利利因因素素，应应当设法使之减小。当设法使之减小。太阳电池理想等效电路太阳电池理想等效电路 I-V太阳电池特性：
31、PN结的结电压即为负载R上的电压降。第33页，本讲稿共45页P-N结上的电压为结上的电压为 在开路情况下，在开路情况下，I=0，得到开路电压（这是，得到开路电压（这是太阳电池能提供的最大电压太阳电池能提供的最大电压）在短路情况下（在短路情况下（V=0），），这是这是太阳电池能提供的最大电流太阳电池能提供的最大电流。太阳电池向负载提供的功率为太阳电池向负载提供的功率为 第34页，本讲稿共45页太阳电池的效率太阳电池的效率 太太阳阳电电池池的的效效率率指指的的是是太太阳阳电电池池的的功功率率转转换换效效率率。它它是是太太阳阳电池的最大输出电功率与入光功率的百分比：电池的最大输出电功率与入光功率的百
32、分比：式中式中为输入光功率，太阳电池的最大输出功率：为输入光功率，太阳电池的最大输出功率：第35页，本讲稿共45页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第36页，本讲稿共45页实际的接触是采用栅格形式。这种结构能够有大的曝光面积，而同时实际的接触是采用栅格形式。这种结构能够有大的曝光面积，而同时又使串联电阻保持合理的数值。又使串联电阻保持合理的数值。P P上扩散上扩散N N的硅电池的简单结构的硅电池的简单结构 p串联电阻考虑：提高太阳电池效率的考虑 第37页，本讲稿共45页表面反射采用表面反射采用抗反射层：抗反射层：聚光：聚光：用用聚聚光光器器面面积
33、积代代替替许许多多太太阳阳能能电电池池的的面面积积，从从而而降降低低太太阳阳能能电电池池造价。它的另一个优点是增加效率。造价。它的另一个优点是增加效率。提高太阳电池效率的考虑 第38页，本讲稿共45页光子探测器光子探测器光敏电阻：光敏电阻通常由一块状或薄膜状半导体及光敏电阻：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。其两边的欧姆接触构成。光敏电阻第39页，本讲稿共45页光电二极管光电二极管光电二极管：光电二极管实际上就是一个光电二极管：光电二极管实际上就是一个工作在反向偏置条件下的工作在反向偏置条件下的pn结。结。与普通的硅二极管相比，光电二极管的结构特点如下：与普通的硅二极管
34、相比，光电二极管的结构特点如下：(a)(a)具具有有较较大大的的受受光光面面(电电极极作作得得较较小小)，以以获获得得尽尽可可能能大大的的光光生生电电流。流。(b)(b)pnpn结结做做得得较较浅浅(一一般般小小于于0.10.1 m)m)，使使pnpn结结尽尽量量靠靠近近硅硅片片表表面面，这这样样可可更更充充分分地地利利用用短短波波光光，从从而而提提高高管管子子的的短短波波响响应应灵灵敏敏度度和和光光电电转换效率。转换效率。(c)(c)选选用用高高阻阻单单晶晶(大大于于500.cm)500.cm)，便便可可使使管管芯芯的的耗耗尽尽区区在在加加反反向向电电压压后后扩扩展展到到几几十十微微米米，从
35、从而而可可以以吸吸收收长长波波光光，以以提提高高管管子子的的长长波光响应灵敏度。波光响应灵敏度。第40页，本讲稿共45页说明：不同波长的入射光在硅材料中被吸收的情况是不同的，波长短的光容易被硅材料吸收，透入硅中的深度浅；波长长的光不容易被硅材料吸收，因而透入硅中的深度深。但是入射光所产生的光生载流子中只有能扩散进耗尽区的那一部分才有助于增大光电流；如果光生载流子离耗尽层太远，则有可能在扩散途中被复合掉，从而不会使光电流增加。问题：问题：为什么为什么PDPD的使用是在的使用是在pnpn结受光照而且处于反偏工作结受光照而且处于反偏工作状态下？状态下？第41页，本讲稿共45页(a)(a)无无光光照照
36、时时，热热平平衡衡pnpn结结存存在在着着内建电场内建电场E E内建内建。(b)(b)光光照照下下，在在pnpn结结建建立立起起光光照照形形成的电场成的电场E E光照光照。(c)(c)光光照照并并外外加加偏偏压压于于pnpn结结，在在pnpn结结有有外外加加电电场场E E外外偏偏存存在在，则则在在内内外外电电场场的的共共同同作作用用下下，将将有有多多余余的的光光生载流子参与导电，从而形成电流。生载流子参与导电，从而形成电流。通通常常，把把光光照照下下流流过过光光敏敏二二极极管管的的反反向向电电流流称称为为管管子子的的光光电电流流。pnpn结结不不受受光光照照的的反反向向漏漏电电流流称称为为管子
37、的管子的暗电流暗电流。第42页，本讲稿共45页为为了了提提高高响响应应速速度度，需需要要寻寻求求新新的的器器件件结结构构，p-i-np-i-n光光电电二二极极管管和和雪雪崩崩光光电电二二极极管管是是最最常常用用的的光光电电探探测器件。测器件。硅pin光敏二极管,在pn结中间加一层较厚的高阻本征层i，则i层的存在使照射光主要由i层吸收，使耗尽层变宽，展宽了光电有效工作区。提高了响应速度。第43页，本讲稿共45页雪崩光电二极管：雪崩光电二极管是借助强电场作用雪崩光电二极管：雪崩光电二极管是借助强电场作用产生载流子倍增效应产生载流子倍增效应(即雪崩倍增效应即雪崩倍增效应)的一种高速的一种高速光电器件
38、。光电器件。第44页，本讲稿共45页光电晶体管光电晶体管1 1 器器件件结结构构：为为了了获获得得较较高高的的光光敏敏性性，b bc c结结做做得得很很大大，e e区区则则做做得得很很小小并并设设计计在在基基区区边边缘缘，以以避避免免引引出出线线遮遮住住基基区区而影响灵敏度，基区一般不需要引出线。而影响灵敏度，基区一般不需要引出线。2 2 工作原理工作原理 把把晶晶体体管管的的b-cb-c结结做做为为受受光光结结，入入射射光光子子在在b-cb-c结结被被吸吸收收而而产产生生电电子子空空穴穴对对，形形成成光光电电流流，由由基基极极注注入入发发射射极极，从从而而在在集集电电极极回回路路得得到到了了放放大大了了的的信信号号电电流。流。第45页，本讲稿共45页