《微電子學(xué)概論》第八章-光電子器件課件

光電子器件光電子器件光電子器件光電子器件：光子和電子共同作用的半導(dǎo)體器件發(fā)光器件：將電能轉(zhuǎn)換為光能發(fā)光二極管(LightEmittingDiode，縮寫(xiě)為L(zhǎng)ED)半導(dǎo)體激光器光電探測(cè)器：利用電子學(xué)方法檢測(cè)光信號(hào)的太陽(yáng)能電池：將光能轉(zhuǎn)換為電能光電子器件光電子器件：光子和電子共同作用的半導(dǎo)體器件OUTLINE固體中的光吸收和光發(fā)射半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體激光器光電探測(cè)器半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池OUTLINE固體中的光吸收和光發(fā)射光具有波粒二象性

在固體中，光子和電子之間的相互作用有三種基本過(guò)程：光吸收自發(fā)發(fā)射受激發(fā)射固體中的光吸收和光發(fā)射兩個(gè)能級(jí)之間的三種基本躍遷過(guò)程(a)吸收(b)自發(fā)發(fā)射(c)受激發(fā)射光具有波粒二象性固體中的光吸收和光發(fā)射兩個(gè)能級(jí)之間的三種基本光電效應(yīng)光電效應(yīng)用光照射某一物體，可以看做是一連串能量光子轟擊在這個(gè)物體上，此時(shí)光子能量就傳遞給電子，并且是一個(gè)光子的全部能量一次性地被一個(gè)電子所吸收（根據(jù)愛(ài)因斯坦假設(shè)），電子得到光子傳遞的能量后其能態(tài)發(fā)生變化，從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)，把這種物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。光吸收（內(nèi)光電效應(yīng)）光發(fā)射（外光電效應(yīng)）光電效應(yīng)光電效應(yīng)當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。光電導(dǎo)效應(yīng)在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過(guò)渡到自由狀態(tài)，引起載流子的激發(fā)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。光吸收（內(nèi)光電效應(yīng)）當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生過(guò)程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，價(jià)帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價(jià)帶越過(guò)禁帶躍入導(dǎo)帶，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價(jià)帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。導(dǎo)帶價(jià)帶禁帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價(jià)電子所占能帶Eg過(guò)程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，價(jià)帶中的電子受到能量大于或等光生伏特效應(yīng)

在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。

基于該效應(yīng)的光電器件有半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池。

以PN結(jié)為例，光線照射PN結(jié)時(shí)，設(shè)光子能量大于禁帶寬度Eg，使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在耗盡層內(nèi)電場(chǎng)的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側(cè)，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光電動(dòng)勢(shì)。I光光電池的工作原理示意圖PN光生伏特效應(yīng)以PN結(jié)為例，光線照射PN結(jié)時(shí)，設(shè)光子能量固體中的光吸收過(guò)程本征吸收(a,b)非本征吸收(c)

激子吸收自由載流子吸收晶格吸收雜質(zhì)吸收固體中的光吸收過(guò)程本征吸收(a,b)在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光電子?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管、光電管、光電倍增管等。光發(fā)射的前提條件：由于電子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，釋放出的能量以光子的形式存在，當(dāng)電子處于高能級(jí)時(shí)，系統(tǒng)往往處于不穩(wěn)定狀態(tài)（激發(fā)能級(jí)）。光發(fā)射（外光電效應(yīng)）在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)光發(fā)射的方式自發(fā)發(fā)射受激發(fā)射發(fā)光器件

發(fā)光二極管：靠注入載流子自發(fā)復(fù)合而引起的自發(fā)輻射；非相干光半導(dǎo)體激光器則是在外界誘發(fā)的作用下促使注入載流子復(fù)合而引起的受激輻射；相干光，具有單色性好、方向性強(qiáng)、亮度高等特點(diǎn)

光發(fā)射的方式自發(fā)發(fā)射受激輻射和自發(fā)輻射產(chǎn)生的光的特點(diǎn)不同

受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同，這種光稱為相干光。

自發(fā)輻射光是由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)躍遷產(chǎn)生的，其頻率和方向分布在一定范圍內(nèi)，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種光稱為非相干光。受激輻射和自發(fā)輻射產(chǎn)生的光的特點(diǎn)不同半導(dǎo)體中導(dǎo)致光輻射的非平衡載流子復(fù)合非平衡載流子：處于激發(fā)狀態(tài)的少數(shù)載流子。半導(dǎo)體中導(dǎo)致光輻射的幾種非平衡載流子復(fù)合過(guò)程半導(dǎo)體中導(dǎo)致光輻射的非平衡載流子復(fù)合非平衡載流子：處于激發(fā)狀OUTLINE固體中的光吸收和光發(fā)射半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體激光器光電探測(cè)器半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池OUTLINE固體中的光吸收和光發(fā)射半導(dǎo)體電致發(fā)光有著悠久的歷史1907年觀察到電流通過(guò)硅檢波器時(shí)發(fā)黃光現(xiàn)象1923年在碳化硅檢波器中觀察到類似的現(xiàn)象1955年觀察到III-V族化合物中的輻射1961年觀察到磷化鎵pn結(jié)的發(fā)光60年代初期GaAs晶體制備技術(shù)的顯著發(fā)展1962年制成GaAs發(fā)光二極管和GaAs半導(dǎo)體激光器異質(zhì)結(jié)的發(fā)展對(duì)結(jié)型發(fā)光器件性能的提高也起了很大的推進(jìn)作用半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管半導(dǎo)體電致發(fā)光有著悠久的歷史半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管工作原理：（電致發(fā)光器件）在正向偏置的PN結(jié)中，依靠非平衡少數(shù)載流子注入作用，使電子和空穴分別注入p區(qū)和n區(qū)，非平衡少子與多子復(fù)合時(shí)，以輻射光子的形式將多余能量轉(zhuǎn)變成光能。非平衡載流子：處于激發(fā)狀態(tài)的少數(shù)載流子。發(fā)光過(guò)程：正向偏置下的載流子注入復(fù)合輻射光能傳輸半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管工作原理：（電致發(fā)光器件）正向偏置下的載流子注入及復(fù)合輻射（以同質(zhì)PN結(jié)為例）正向偏置時(shí)的pn結(jié)能帶圖正向偏置下的載流子注入及復(fù)合輻射正向偏置時(shí)的pn結(jié)能帶圖擴(kuò)散電流導(dǎo)致發(fā)光二極管輻射復(fù)合的主要電流。輻射效率（內(nèi)量子效率）產(chǎn)生輻射的電流在總擴(kuò)散電流中的比例與pn結(jié)內(nèi)部的摻雜濃度有關(guān)擴(kuò)散電流半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管的材料具備的條件：具有合適的禁帶寬度Eg可獲得電導(dǎo)率高的n型和p型晶體晶體的完美性好發(fā)光的輻射復(fù)合幾率大半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管的材料具備的條件：OUTLINE固體中的光吸收和光發(fā)射半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體激光器光電探測(cè)器半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池OUTLINE固體中的光吸收和光發(fā)射半導(dǎo)體發(fā)射激光，即要實(shí)現(xiàn)受激發(fā)射，必須滿足下面三個(gè)條件：通過(guò)施加偏壓等方法將電子從能量較低的價(jià)帶激發(fā)到能量較高的導(dǎo)帶，建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，以產(chǎn)生受激輻射形成光諧振腔，使受激輻射光子增生，產(chǎn)生受激振蕩，導(dǎo)致產(chǎn)生的激光沿諧振腔方向發(fā)射滿足一定的閾值條件，使電子增益大于電子損耗，以產(chǎn)生自激振蕩半導(dǎo)體發(fā)射激光，即要實(shí)現(xiàn)受激發(fā)射，必須滿足下面三個(gè)條件：條件1：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布設(shè)在單位物質(zhì)中低能級(jí)電子數(shù)和高能級(jí)電子數(shù)分別為N1和N2物質(zhì)在正常狀態(tài)下N1＞N2，受激吸收與受激輻射的速率分別比例于N1和N2且比例系數(shù)相等，此時(shí)光通過(guò)該物質(zhì)時(shí)，光強(qiáng)會(huì)衰減，物質(zhì)為吸收物質(zhì)。若N2＞N1，受激吸收小于受激輻射，光通過(guò)該物質(zhì)時(shí)，光強(qiáng)會(huì)放大，該物質(zhì)成為激活物質(zhì)。N2＞N1的分布與正常狀態(tài)相反，故稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。條件1：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布設(shè)在單位物質(zhì)中低能級(jí)電子數(shù)和高能級(jí)電子增益區(qū)（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布區(qū)）的產(chǎn)生：

PN結(jié)界面上由于多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成內(nèi)部空間電場(chǎng)區(qū)，該電場(chǎng)導(dǎo)致載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，無(wú)外加電壓時(shí)，兩種運(yùn)動(dòng)處于平衡狀態(tài)，能帶發(fā)生傾斜。當(dāng)外加正向電壓時(shí)，內(nèi)部電場(chǎng)被削弱，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，能帶傾斜減小，在PN結(jié)形成一個(gè)增益區(qū)（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布區(qū)），高濃度的電子和空穴進(jìn)入激發(fā)態(tài)，可產(chǎn)生自發(fā)輻射。增益區(qū)（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布區(qū)）的產(chǎn)生：條件2：激光振蕩和光學(xué)諧振腔激光振蕩的產(chǎn)生：

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布（必要條件)＋激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中，對(duì)光的頻率和方向進(jìn)行選擇=連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出（維持自激振蕩）。光學(xué)諧振腔——由兩個(gè)反射率分別為R1和R2的平行反射鏡構(gòu)成。腔內(nèi)物質(zhì)具備粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，可用其產(chǎn)生的自發(fā)輻射光作入射光，經(jīng)反射鏡反射沿軸線方向傳播的光被放大，沿非軸線方向傳播的光被減弱，反射光經(jīng)反射鏡多次反射不斷被放大，方向性不斷改善，使增益大幅度提高。條件2：激光振蕩和光學(xué)諧振腔激光振蕩的產(chǎn)生：條件3：閥值電流密度由于半導(dǎo)體內(nèi)的光子吸收、反射鏡面上的部分穿透和反射，使得激光振蕩存在損耗光增益對(duì)電流的增大而增大；當(dāng)光強(qiáng)足夠小時(shí)，諧振腔增益為常數(shù)；當(dāng)光強(qiáng)增大到一定程度時(shí)，增益系數(shù)隨光強(qiáng)的增加而下降，出現(xiàn)增益飽和；當(dāng)飽和增益等于損耗時(shí)，出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)振蕩當(dāng)增益系數(shù)高于某一最低限度，才足以克服損耗，產(chǎn)生振蕩，輸出激光，此時(shí)對(duì)應(yīng)的最小電流密度，稱為閥值電流密度條件3：閥值電流密度由于半導(dǎo)體內(nèi)的光子吸收、反射鏡面上的部分OUTLINE固體中的光吸收和光發(fā)射半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體激光器光電探測(cè)器半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池OUTLINE固體中的光吸收和光發(fā)射光電探測(cè)器：利用入射光子與半導(dǎo)體中處于束縛態(tài)的電子(或空穴)相互作用，將它們激發(fā)為自由態(tài)，引起半導(dǎo)體的電阻降低或者產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)光子探測(cè)器的三個(gè)基本過(guò)程：光子入射到半導(dǎo)體中并產(chǎn)生載流子載流子在半導(dǎo)體中輸運(yùn)并被某種電流增益機(jī)構(gòu)倍增產(chǎn)生的電流與外電路相互作用，形成輸出信號(hào)，從而完成對(duì)光子的探測(cè)光電探測(cè)器光電探測(cè)器：利用入射光子與半導(dǎo)體中處于束縛態(tài)的電子(或空穴)內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)：光生載流子改變半導(dǎo)體的電阻率光伏特效應(yīng)：光生電子和空穴在內(nèi)建電場(chǎng)作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，如器件開(kāi)路，在在器件兩端產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)基本的光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)基本的光電效應(yīng)光敏電阻（光電導(dǎo)探測(cè)器）：光敏電阻通常由一塊狀或薄膜狀半導(dǎo)體及其兩邊的歐姆接觸構(gòu)成光電導(dǎo)探測(cè)器光敏電阻（光電導(dǎo)探測(cè)器）：光敏電阻通常由一塊狀或薄膜狀半導(dǎo)體光電二極管：光電二極管實(shí)際上就是一個(gè)工作在反向偏置條件下的pn結(jié)p-i-n管是光電二極管中的一種。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對(duì)）很厚的本征半導(dǎo)體。這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)就基本上全集中于I層中，提高光電探測(cè)器的靈敏度P-SiN-SiI-SiPIN管結(jié)構(gòu)示意圖P-I-N光電二極管光電二極管：光電二極管實(shí)際上就是一個(gè)工作在反向偏置條件下的pOUTLINE固體中的光吸收和光發(fā)射半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體激光器光電探測(cè)器半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池OUTLINE固體中的光吸收和光發(fā)射半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池吸收光輻射而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，它是半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的理論基礎(chǔ)產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)的兩個(gè)基本條件：半導(dǎo)體材料對(duì)一定波長(zhǎng)的入射光有足夠大的光吸收系數(shù)，即要求入射光子的能量h大于或等于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg具有光生伏特結(jié)構(gòu)，即有一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的勢(shì)壘區(qū)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池吸收光輻射而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，它是半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池影響太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的主要因素有：表面太陽(yáng)光的反射、pn結(jié)漏電流和寄生串聯(lián)電阻等影響太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的主要因素有：表面太陽(yáng)光的反射、pn結(jié)作業(yè)解釋半導(dǎo)體發(fā)光二極管的工作原理解釋半導(dǎo)體激光器必須具備的三個(gè)基本條件作業(yè)解釋半導(dǎo)體發(fā)光二極管的工作原理光電子器件光電子器件光電子器件光電子器件：光子和電子共同作用的半導(dǎo)體器件發(fā)光器件：將電能轉(zhuǎn)換為光能發(fā)光二極管(LightEmittingDiode，縮寫(xiě)為L(zhǎng)ED)半導(dǎo)體激光器光電探測(cè)器：利用電子學(xué)方法檢測(cè)光信號(hào)的太陽(yáng)能電池：將光能轉(zhuǎn)換為電能光電子器件光電子器件：光子和電子共同作用的半導(dǎo)體器件OUTLINE固體中的光吸收和光發(fā)射半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體激光器光電探測(cè)器半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池OUTLINE固體中的光吸收和光發(fā)射光具有波粒二象性

在固體中，光子和電子之間的相互作用有三種基本過(guò)程：光吸收自發(fā)發(fā)射受激發(fā)射固體中的光吸收和光發(fā)射兩個(gè)能級(jí)之間的三種基本躍遷過(guò)程(a)吸收(b)自發(fā)發(fā)射(c)受激發(fā)射光具有波粒二象性固體中的光吸收和光發(fā)射兩個(gè)能級(jí)之間的三種基本光電效應(yīng)光電效應(yīng)用光照射某一物體，可以看做是一連串能量光子轟擊在這個(gè)物體上，此時(shí)光子能量就傳遞給電子，并且是一個(gè)光子的全部能量一次性地被一個(gè)電子所吸收（根據(jù)愛(ài)因斯坦假設(shè)），電子得到光子傳遞的能量后其能態(tài)發(fā)生變化，從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)，把這種物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。光吸收（內(nèi)光電效應(yīng)）光發(fā)射（外光電效應(yīng)）光電效應(yīng)光電效應(yīng)當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。光電導(dǎo)效應(yīng)在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過(guò)渡到自由狀態(tài)，引起載流子的激發(fā)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。光吸收（內(nèi)光電效應(yīng)）當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生過(guò)程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，價(jià)帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價(jià)帶越過(guò)禁帶躍入導(dǎo)帶，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價(jià)帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。導(dǎo)帶價(jià)帶禁帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價(jià)電子所占能帶Eg過(guò)程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，價(jià)帶中的電子受到能量大于或等光生伏特效應(yīng)

在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。

基于該效應(yīng)的光電器件有半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池。

以PN結(jié)為例，光線照射PN結(jié)時(shí)，設(shè)光子能量大于禁帶寬度Eg，使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在耗盡層內(nèi)電場(chǎng)的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側(cè)，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光電動(dòng)勢(shì)。I光光電池的工作原理示意圖PN光生伏特效應(yīng)以PN結(jié)為例，光線照射PN結(jié)時(shí)，設(shè)光子能量固體中的光吸收過(guò)程本征吸收(a,b)非本征吸收(c)

激子吸收自由載流子吸收晶格吸收雜質(zhì)吸收固體中的光吸收過(guò)程本征吸收(a,b)在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光電子。基于外光電效應(yīng)的光電器件有半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管、光電管、光電倍增管等。光發(fā)射的前提條件：由于電子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，釋放出的能量以光子的形式存在，當(dāng)電子處于高能級(jí)時(shí)，系統(tǒng)往往處于不穩(wěn)定狀態(tài)（激發(fā)能級(jí)）。光發(fā)射（外光電效應(yīng)）在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)光發(fā)射的方式自發(fā)發(fā)射受激發(fā)射發(fā)光器件

發(fā)光二極管：靠注入載流子自發(fā)復(fù)合而引起的自發(fā)輻射；非相干光半導(dǎo)體激光器則是在外界誘發(fā)的作用下促使注入載流子復(fù)合而引起的受激輻射；相干光，具有單色性好、方向性強(qiáng)、亮度高等特點(diǎn)

光發(fā)射的方式自發(fā)發(fā)射受激輻射和自發(fā)輻射產(chǎn)生的光的特點(diǎn)不同

受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同，這種光稱為相干光。

自發(fā)輻射光是由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)躍遷產(chǎn)生的，其頻率和方向分布在一定范圍內(nèi)，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種光稱為非相干光。受激輻射和自發(fā)輻射產(chǎn)生的光的特點(diǎn)不同半導(dǎo)體中導(dǎo)致光輻射的非平衡載流子復(fù)合非平衡載流子：處于激發(fā)狀態(tài)的少數(shù)載流子。半導(dǎo)體中導(dǎo)致光輻射的幾種非平衡載流子復(fù)合過(guò)程半導(dǎo)體中導(dǎo)致光輻射的非平衡載流子復(fù)合非平衡載流子：處于激發(fā)狀OUTLINE固體中的光吸收和光發(fā)射半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體激光器光電探測(cè)器半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池OUTLINE固體中的光吸收和光發(fā)射半導(dǎo)體電致發(fā)光有著悠久的歷史1907年觀察到電流通過(guò)硅檢波器時(shí)發(fā)黃光現(xiàn)象1923年在碳化硅檢波器中觀察到類似的現(xiàn)象1955年觀察到III-V族化合物中的輻射1961年觀察到磷化鎵pn結(jié)的發(fā)光60年代初期GaAs晶體制備技術(shù)的顯著發(fā)展1962年制成GaAs發(fā)光二極管和GaAs半導(dǎo)體激光器異質(zhì)結(jié)的發(fā)展對(duì)結(jié)型發(fā)光器件性能的提高也起了很大的推進(jìn)作用半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管半導(dǎo)體電致發(fā)光有著悠久的歷史半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管工作原理：（電致發(fā)光器件）在正向偏置的PN結(jié)中，依靠非平衡少數(shù)載流子注入作用，使電子和空穴分別注入p區(qū)和n區(qū)，非平衡少子與多子復(fù)合時(shí)，以輻射光子的形式將多余能量轉(zhuǎn)變成光能。非平衡載流子：處于激發(fā)狀態(tài)的少數(shù)載流子。發(fā)光過(guò)程：正向偏置下的載流子注入復(fù)合輻射光能傳輸半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管工作原理：（電致發(fā)光器件）正向偏置下的載流子注入及復(fù)合輻射（以同質(zhì)PN結(jié)為例）正向偏置時(shí)的pn結(jié)能帶圖正向偏置下的載流子注入及復(fù)合輻射正向偏置時(shí)的pn結(jié)能帶圖擴(kuò)散電流導(dǎo)致發(fā)光二極管輻射復(fù)合的主要電流。輻射效率（內(nèi)量子效率）產(chǎn)生輻射的電流在總擴(kuò)散電流中的比例與pn結(jié)內(nèi)部的摻雜濃度有關(guān)擴(kuò)散電流半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管的材料具備的條件：具有合適的禁帶寬度Eg可獲得電導(dǎo)率高的n型和p型晶體晶體的完美性好發(fā)光的輻射復(fù)合幾率大半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管的材料具備的條件：OUTLINE固體中的光吸收和光發(fā)射半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體激光器光電探測(cè)器半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池OUTLINE固體中的光吸收和光發(fā)射半導(dǎo)體發(fā)射激光，即要實(shí)現(xiàn)受激發(fā)射，必須滿足下面三個(gè)條件：通過(guò)施加偏壓等方法將電子從能量較低的價(jià)帶激發(fā)到能量較高的導(dǎo)帶，建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，以產(chǎn)生受激輻射形成光諧振腔，使受激輻射光子增生，產(chǎn)生受激振蕩，導(dǎo)致產(chǎn)生的激光沿諧振腔方向發(fā)射滿足一定的閾值條件，使電子增益大于電子損耗，以產(chǎn)生自激振蕩半導(dǎo)體發(fā)射激光，即要實(shí)現(xiàn)受激發(fā)射，必須滿足下面三個(gè)條件：條件1：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布設(shè)在單位物質(zhì)中低能級(jí)電子數(shù)和高能級(jí)電子數(shù)分別為N1和N2物質(zhì)在正常狀態(tài)下N1＞N2，受激吸收與受激輻射的速率分別比例于N1和N2且比例系數(shù)相等，此時(shí)光通過(guò)該物質(zhì)時(shí)，光強(qiáng)會(huì)衰減，物質(zhì)為吸收物質(zhì)。若N2＞N1，受激吸收小于受激輻射，光通過(guò)該物質(zhì)時(shí)，光強(qiáng)會(huì)放大，該物質(zhì)成為激活物質(zhì)。N2＞N1的分布與正常狀態(tài)相反，故稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。條件1：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布設(shè)在單位物質(zhì)中低能級(jí)電子數(shù)和高能級(jí)電子增益區(qū)（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布區(qū)）的產(chǎn)生：

PN結(jié)界面上由于多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成內(nèi)部空間電場(chǎng)區(qū)，該電場(chǎng)導(dǎo)致載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，無(wú)外加電壓時(shí)，兩種運(yùn)動(dòng)處于平衡狀態(tài)，能帶發(fā)生傾斜。當(dāng)外加正向電壓時(shí)，內(nèi)部電場(chǎng)被削弱，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，能帶傾斜減小，在PN結(jié)形成一個(gè)增益區(qū)（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布區(qū)），高濃度的電子和空穴進(jìn)入激發(fā)態(tài)，可產(chǎn)生自發(fā)輻射。增益區(qū)（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布區(qū)）的產(chǎn)生：條件2：激光振蕩和光學(xué)諧振腔激光振蕩的產(chǎn)生：

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布（必要條件)＋激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中，對(duì)光的頻率和方向進(jìn)行選擇=連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出（維持自激振蕩）。光學(xué)諧振腔——由兩個(gè)反射率分別為R1和R2的平行反射鏡構(gòu)成。腔內(nèi)物質(zhì)具備粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，可用其產(chǎn)生的自發(fā)輻射光作入射光，經(jīng)反射鏡反射沿軸線方向傳播的光被放大，沿非軸線方向傳播的光被減弱，反射光經(jīng)反射鏡多次反射不斷被放大，方向性不斷改善，使增益大幅度提高。條件2：激光振蕩和光學(xué)諧振腔激光振蕩的產(chǎn)生：條件3：閥值電流密度由于半導(dǎo)體內(nèi)的光子吸收、反射鏡面上的部分穿透和反射，使得激光振蕩存在損耗光增益對(duì)電流的增大而增大；當(dāng)光強(qiáng)足夠小時(shí)，諧振腔增益為常數(shù)；當(dāng)光強(qiáng)增大到一定程度時(shí)，增益系數(shù)隨光強(qiáng)的增加而下降，出現(xiàn)增益飽和；當(dāng)飽和增益等于損耗時(shí)，出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)振蕩當(dāng)增益系數(shù)高于某一最低限度，才足以克服損耗，產(chǎn)生振蕩，輸出激光，此時(shí)對(duì)應(yīng)的最小電流密度，稱為閥值電流密度條件3：閥值電流密度由于半導(dǎo)體內(nèi)的光子吸收、反射鏡面上的部分OUTLINE固體中的光吸收和光發(fā)射半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體激光器光電探測(cè)器半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池OUTLINE固體中的光吸收和光發(fā)射光電探測(cè)器：利用入射