光電器件 ppt課件

1、半導體器件原理南京大學2. 光電器件的基本原理光電器件的基本原理發(fā)光二極管及激光二極管：電能轉變?yōu)楣饽?。光探測器及太陽能電池：光能（信號）轉變?yōu)殡娔埽ㄐ盘枺?。半導體器件原理南京大學（一）基本概念光的吸收光的吸收（光探測器及太陽能電池） ：半導體器件原理南京大學本征躍遷及非本征躍遷；本征躍遷及非本征躍遷； 輻射躍遷與非輻射躍遷輻射躍遷與非輻射躍遷半導體器件原理南京大學光的吸收率=自發(fā)輻射率+受激輻射率BnhAnBnh1 211 22 122 121 2()()較高的光子能密度（共振腔）。高能級態(tài)上電子密度高于低能態(tài)（粒子數翻轉）。自發(fā)輻射自發(fā)輻射（LED）及受激輻射受激輻射（LD）。半導體器件原

2、理南京大學(),WeW0吸收系數吸收系數截止波長：C=1.24/Eg m吸收帶邊吸收帶邊半導體器件原理南京大學三個步驟（1）入射光產生載流子。（2）載流子的輸運或電流增益所引起的放大效應。（3）電流與外電路的互作用產生輸出信號。應用：光隔離器中的紅外傳感器及光纖通信中的探測器。要求：高靈敏度，高響應速度，低噪聲。體積小，低電壓或低電流，穩(wěn)定，可靠。（二）光電探測器半導體器件原理南京大學1. 一般光電探測器( )( )( )(0)LLxLLdF xF xdxF xFe 2121212212()41()LreflectedLiFnnRFnnn nTRnn 半導體器件原理南京大學半導體器件原理南京大

3、學22/001( )( )0( )( )(1)0( )(1)1(1)ln(1)/nnnapnLnnnpxnLinxwxxDLLxdarkLqVnkTdarkLocLQLiQLphLindJxGxqdxdnJxqDdxndn xDR F edxJqF x dxqFR eeIIIII enkTIVqIJqFqJqRh Fh響應度：半導體器件原理南京大學2. 電導型探測器本征躍遷或非本征躍遷產生電子空穴對，使電導增加。增益可達標106。小的電極間距及高電場.一般應用于若干m以上波長的紅外探測。MMS半導體器件原理南京大學3. 光電二極管反向偏壓下，電子空穴對被耗盡層所隔開而流向外電路。對高頻工作，耗

4、盡層必須較薄以減小傳輸時間。提高量子又要求較大的耗盡層厚度以增加光的吸收率。1）量子效率2）響應速度：a：載流子的擴散；b：耗盡層中的漂移時間；c：耗盡層的電容。耗盡層厚度必須優(yōu)化，以獲得較小的RC時間常數，小的傳輸時間以及較大的吸收。IqPhpopt()1半導體器件原理南京大學3）PIN 光電管耗盡層厚度或本征層厚度, 優(yōu)化量子效率和頻率響應半導體器件原理南京大學耗盡層厚度或本征層厚度, 優(yōu)化量子效率和頻率響應半導體器件原理南京大學4）金屬半導體光電管紫外及可見區(qū)，半導體吸收系數較大，金屬須較薄。5）異質結光電管大帶隙的半導體材料作為窗口，量子效率不大依賴于結距表面的距離。在某一響應波長，量

5、子效率與響應速度可得到優(yōu)化。晶格必須匹配。半導體器件原理南京大學（6）雪崩光電管（APD）工作在足夠大的反向偏壓下，發(fā)生了雪崩倍增效應。保護環(huán)使N+P結發(fā)生均勻擊穿噪聲系數F：是 的函數。FMMpnpn() ()()211pn半導體器件原理南京大學半導體器件原理南京大學（7）紫外探測器半導體器件原理南京大學半導體器件原理南京大學(8) 太陽能電池100mmmmLimmSCocSCOCLiPI VPPI VFFI VI VFFP百分比半導體器件原理南京大學太陽能電池max100%20%40%40%實際的轉化效率約為一半半導體器件原理南京大學太陽能電池22/12221222(1(1(1)0(1)(

6、 )(1)(0)0;()0()(1)0;(1)( )nnnnxxxxxnLinxxx Lx LnLinppnxnLinpRRednnDR F eedxR F een xC eC eLnn WWLR F eCCLn xnnnLiLi進入 區(qū)光子流：F）e在x處光子流密度：F）e/22022(1)()(1)1(1)(1)(1)(1)1nnnxx LxnLinnxxnnnnLiLinxnLinnR F eeeLd nqDdxLJqDFR FR eLq LR F eJL nn又 J半導體器件原理南京大學太陽能電池(1)1nxnnQLinJLR eqFL電能轉換效率小于量子效率量子效率依賴于吸收系數和擴

7、散系數, 好的太陽能電池要求較大的擴散系數.,以利于光生載流子的收集最大化表面處產生的載流子會在表面復合,不對光電流產生貢獻,而光的透入深度等于吸收系數的倒數,短波長較小的透入深度導致較大的損失.半導體器件原理南京大學（三）.半導體器件原理南京大學1. 正偏結的自發(fā)輻射半導體器件原理南京大學GaAsP體系的禁帶寬度 等電子陷阱半導體器件原理南京大學異質結構的匹配半導體器件原理南京大學2.2 LED 分類及用途分類及用途光傳輸用LED：用于短中距離傳輸系統(tǒng)光源顯示用LED：儀器與使用者之間的信息聯(lián)系。藍光LED和白光LED 彩色顯示半導體器件原理南京大學1. 結構：面發(fā)光型，邊發(fā)光型半導體器件原

8、理南京大學2. 應用:1)。光隔離器（光耦合器）：以光的速度傳輸，但在輸出與輸入之間沒有電的反饋，是電隔離的）。半導體器件原理南京大學2)。光纖傳輸：光纖是光頻率下的波導管（紅外LED)。半導體器件原理南京大學自發(fā)輻射半導體器件原理南京大學Burrus型LED邊緣發(fā)射二極管中波導特性半導體器件原理南京大學邊緣發(fā)射二極管半導體器件原理南京大學尺寸小，易高頻調制，應用于光纖通訊，視頻記錄，光閱讀，高速激光打印。（四）半導體器件原理南京大學光增益光反饋半導體器件原理南京大學半導體器件原理南京大學激光器=增益+反饋半導體器件原理南京大學半導體器件原理南京大學限制效應的增強結構緩變折射率分別限制異質結構

9、 多量子阱結構半導體器件原理南京大學邊緣發(fā)射激光器垂直發(fā)射激光器半導體器件原理南京大學分布反饋激光器通過波導層中折射率的周期變化來實現產生激光的必要反饋。發(fā)射光波長具有很弱的溫度依賴性（較小的溫度系數） 應用于集成光學系統(tǒng)中的光源半導體器件原理南京大學激光器的比較半導體器件原理南京大學其它半導體激光器材料:半導體器件原理南京大學半導體器件原理南京大學（1）粒子數反轉(P+N+)（EFC-EFV） Eg正向偏壓下，電子從N區(qū)注入到復合區(qū)，空穴從P區(qū)注入到復合區(qū)。足夠大的偏壓下，復合區(qū)包含有大量的電子與空穴，實現反轉。激光器的工作原理半導體器件原理南京大學（2）載流子和光子的限制效應同質結激光器中

10、，載流子能離開復合區(qū)。雙異質結激光器中，載流子被異質結勢壘限制在復合區(qū)。復合區(qū)外折射率的陡峭變化使激發(fā)光場限制在復合區(qū)。限制系數：1ec nd半導體器件原理南京大學半導體器件原理南京大學（3）閾值電流密度低的閾值電流密度, 可在室溫下連續(xù)工作.增益g: 單位長度的光子能流增量，依賴于電流密度。歸一化電流密度Jnom：在單位量子效率下均勻激活1m厚工作層所需的電流密度。半導體器件原理南京大學（1）理論與實驗表明DH激光器的閾值電流密度隨工作層的厚度減小而減小。較窄的工作層厚度導致JTH的增加是由于變弱的光子限制所致。4 激光器的特性半導體器件原理南京大學（2）閾值電流密度隨工作溫度的增加而呈指數增加。光輸出功率隨注入電流而線性增加。 Ithexp（T/T0） （3）光輸出功率對調制頻率的依賴關系較弱。半導體器件原理南京大學（4）發(fā)射譜半高寬隨電流增加而減小，當達到閾值電流時，發(fā)出近于純單色光的激光。半導體器件原理南京大學（5） 發(fā)出間隔相