半導(dǎo)體光電子器件PPT完整全套教學(xué)課件

半導(dǎo)體光電子器件課程主要內(nèi)容第一章：半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象第二章：半導(dǎo)體光電子器件的物理基礎(chǔ)第三章：半導(dǎo)體太陽(yáng)電池第四章：半導(dǎo)體光電探測(cè)器件第五章：半導(dǎo)體光電荷耦合器件第六章：半導(dǎo)體發(fā)光器件第一章：半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)

與光電現(xiàn)象§1.1光子特性及半導(dǎo)體的光學(xué)參數(shù)§1.2半導(dǎo)體的光吸收機(jī)制§1.3半導(dǎo)體的光發(fā)射機(jī)制§1.4光子與電子相互作用的物理過(guò)程基本物理屬性基本特性§1.1光子特性及半導(dǎo)體的光學(xué)參數(shù)一、光子特性光在半導(dǎo)體中傳播服從Maxwell方程ε0、μ0真空介電常數(shù)與磁導(dǎo)率；εr媒質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象光的傳播與振動(dòng)示意圖自然光部分偏振光一、光子特性

光是一種電磁波，是橫波。光波振動(dòng)方向和前進(jìn)方向構(gòu)成的平面叫做振動(dòng)面，光的振動(dòng)面只限于某一固定方向的，叫做平面偏振光或線偏振光。

自然光是偏振面具有各種不同取向，且相位隨機(jī)分布的平面偏正光的集合。

介于偏振光與自然光之間的一種光稱(chēng)為部分偏正光。在兩個(gè)互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值，這種光稱(chēng)為部分偏振光。自然光是部分偏正光的一種特殊形式?！?.1光子特性及半導(dǎo)體的光學(xué)參數(shù)第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.1光子特性及半導(dǎo)體的光學(xué)參數(shù)二、光子的動(dòng)量和能量光子的動(dòng)量矢量可表示為光子能量可表示為光子的波長(zhǎng)和能量的關(guān)系設(shè)沿z方向傳播的平面波電場(chǎng)在y方向偏振，由速度第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.1光子特性及半導(dǎo)體的光學(xué)參數(shù)三、傳播速度與折射率電場(chǎng)形式為則，傳播速度為折射率為其中，n為通常的折射率第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.1光子特性及半導(dǎo)體的光學(xué)參數(shù)三、傳播速度與折射率由以上各式可得

可見(jiàn)，光波以c/n的速度沿z方向傳播，其振幅按

衰減，光振幅衰減是由于介質(zhì)內(nèi)存在自由電荷，光波的部分能量激起傳導(dǎo)電流。K為表示光波能量衰減的參量，稱(chēng)為消光系數(shù)（對(duì)于在x方向振動(dòng)的磁場(chǎng)有相同的類(lèi)似形式與結(jié)果）。K的產(chǎn)生機(jī)理是自由載流子吸收所引起。光波是橫波，其電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁場(chǎng)強(qiáng)度H都和傳播方向垂直，對(duì)人眼和感光儀器起作用的是電場(chǎng)強(qiáng)度，光波中的振動(dòng)矢量通常指的是電場(chǎng)強(qiáng)度E。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.1光子特性及半導(dǎo)體的光學(xué)參數(shù)四、光的折射與透射

光波（電磁波）由一種媒質(zhì)照射到與另一種媒質(zhì)的交界面時(shí)，必然發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，一部分光從界面反射，另一部分則透射入媒質(zhì)。從能量守恒觀點(diǎn)看，反射光波能量和透射光波能量之和等于入射光波能量。1.斯涅耳（snell）損耗

光子從一種介質(zhì)入射另一種介質(zhì)，因折射率不同而部分光子被反射回來(lái)，稱(chēng)斯涅耳損耗。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.1光子特性及半導(dǎo)體的光學(xué)參數(shù)四、光的折射與透射2.菲涅耳（snell）損耗

當(dāng)θ0=900時(shí)發(fā)生全反射，即菲涅耳現(xiàn)象。對(duì)應(yīng)的θs即為臨界角θC。

光子從折射率大的介質(zhì)向折射率小的介質(zhì)入射時(shí)，若入射角大于其臨界角θC

，則，入射光從界面全反射回原介質(zhì)，稱(chēng)為菲涅耳損耗。反射系數(shù)透射系數(shù)臨界角

光的作用可以引起電子在不同的狀態(tài)之間躍遷。如果

，價(jià)帶電子吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶；如果

，雖然價(jià)帶電子不能躍遷到導(dǎo)帶，但是其仍能吸收光子能量從低能級(jí)躍遷至較高能級(jí)。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.2

半導(dǎo)體的光吸收機(jī)制一、光的吸收系數(shù)

光子作用于半導(dǎo)體上有多種作用機(jī)制，如本征吸收，雜質(zhì)吸收，自由載流子吸收，激子吸收，晶格振動(dòng)吸收，子帶吸收。光子在距表面1/α處，光強(qiáng)為原來(lái)的1/e，可認(rèn)為光能量基本被吸收吸收系數(shù)α是光能量和禁帶寬度函數(shù)，若光子能量大于禁帶寬度，

吸收系數(shù)上升得快；若光子能量小于禁帶寬度，吸收系數(shù)就很小吸收系數(shù)對(duì)光子能量（波長(zhǎng)、波數(shù)或頻率）的依賴(lài)關(guān)系稱(chēng)為吸收光譜

機(jī)理：載流子吸收光能躍遷；晶格振動(dòng)吸收光能。機(jī)制：本征吸收，雜質(zhì)吸收，自由載流子吸收，激子吸收，晶格振動(dòng)吸收，子帶吸收。條件：能量守恒-

動(dòng)量守恒-

特征：存在長(zhǎng)波限。躍遷后波矢直接帶隙第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.2

半導(dǎo)體的光吸收機(jī)制半導(dǎo)體光吸收機(jī)理與機(jī)制

價(jià)帶電子吸收光子能量躍遷至導(dǎo)帶。

EcEV長(zhǎng)波限：#高摻雜半導(dǎo)體：Eg能量-動(dòng)量守恒直接帶隙間接帶隙第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.2

半導(dǎo)體的光吸收機(jī)制二、本征吸收直接躍遷第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象

C與折射率、有效質(zhì)量、介電常數(shù)、光速等有關(guān)的量，近似為常數(shù)。吸收系數(shù)能量守恒動(dòng)量守恒

即電子躍遷保持波矢不變-直接躍遷。§1.2

半導(dǎo)體的光吸收機(jī)制二、本征吸收-直接帶隙半導(dǎo)體存在：直接躍遷；間接躍遷。間接躍遷-光子、電子、聲子共同參與。

能量守恒：

動(dòng)量守恒：直接躍遷間接躍遷第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象能量守恒§1.2

半導(dǎo)體的光吸收機(jī)制二、本征吸收-間接帶隙半導(dǎo)體直接躍遷間接躍遷聲子分布函數(shù)第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象吸收系數(shù)：§1.2

半導(dǎo)體的光吸收機(jī)制二、本征吸收-間接帶隙半導(dǎo)體躍遷過(guò)程：施主能級(jí)電子—導(dǎo)帶；受主能級(jí)空穴—價(jià)帶電離受主能級(jí)電子—導(dǎo)帶；電離施主能級(jí)空穴—價(jià)帶能量關(guān)系：施主能級(jí)電子—導(dǎo)帶受主能級(jí)空穴—價(jià)帶電離受主能級(jí)電子—導(dǎo)帶電離施主能級(jí)空穴—價(jià)帶動(dòng)量關(guān)系：束縛狀態(tài)無(wú)一定準(zhǔn)動(dòng)量，躍遷后狀態(tài)不受波矢限制；可越遷至任意能級(jí)，引起連續(xù)吸收光譜。

EcEv第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.2

半導(dǎo)體的光吸收機(jī)制三、雜質(zhì)吸收導(dǎo)帶及價(jià)帶內(nèi)電子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)。能量守恒：動(dòng)量守恒：吸收或釋放聲子。特征：吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)增大而增強(qiáng)。

(躍遷能量間隔小，參與聲子少)自由載流子等吸收§1.2

半導(dǎo)體的光吸收機(jī)制四、自由載流子吸收第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象1.激子吸收激子：處于禁帶中的電子與價(jià)帶中的空穴在庫(kù)侖場(chǎng)作用下束縛在一起形成的電中性系統(tǒng)。激子可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)，不形成電流。激子吸收：價(jià)帶電子受激躍至禁帶，形成激子。激子吸收特征：2.晶格吸收

光子能量直接轉(zhuǎn)換成晶格振動(dòng)動(dòng)能。3.子帶吸收

量子阱、超晶格子帶間躍遷§1.2

半導(dǎo)體的光吸收機(jī)制五、其他吸收第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象1.本征躍遷導(dǎo)帶電子躍遷到價(jià)帶與空穴復(fù)合直接躍遷(直接復(fù)合)：能量守恒：波矢相等：輻射效率高。間接躍遷(間接復(fù)合)：能量守恒：波矢不等：輻射效率低。

處于激發(fā)態(tài)(高能態(tài))的電子躍遷至低能態(tài)，能量以光輻射(光子)形式釋放--光輻射。光輻射—光吸收逆過(guò)程。直接躍遷間接躍遷第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.3

半導(dǎo)體的光發(fā)射機(jī)制一、本征躍遷與非本征躍遷第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.3

半導(dǎo)體的光發(fā)射機(jī)制一、本征躍遷與非本征躍遷2.非本征躍遷

除了帶間躍遷以外，電子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)的過(guò)程，包括電子從導(dǎo)帶躍遷到雜質(zhì)能級(jí)、雜質(zhì)能級(jí)上的電子躍遷入價(jià)帶、電子在雜質(zhì)能級(jí)之間的躍遷都是非本征躍遷。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.3

半導(dǎo)體的光發(fā)射機(jī)制二、輻射躍遷

如果電子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)，失去一部分能量，并在此過(guò)程中伴隨著光子的放出，這種躍遷稱(chēng)為輻射躍遷。也稱(chēng)為輻射復(fù)合。

輻射復(fù)合多發(fā)生在直接帶隙結(jié)構(gòu)。光子能量

輻射復(fù)合又分為帶間復(fù)合、邊緣發(fā)射、施主和受主的載流子復(fù)合、深能級(jí)復(fù)合和激子復(fù)合等方式第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.3

半導(dǎo)體的光發(fā)射機(jī)制二、輻射躍遷1.帶間復(fù)合

帶間復(fù)合指電子直接從導(dǎo)帶躍遷到價(jià)帶，同那里的空穴相復(fù)合，同時(shí)發(fā)射光子，由于這種躍遷是在兩能帶之間進(jìn)行的，所以起始點(diǎn)均有一定范圍，因而發(fā)光具有一定譜帶，如圖中a、b、c、h復(fù)合。

在直接帶隙復(fù)合過(guò)程中，由于導(dǎo)帶極小值與價(jià)帶極大值具有相同的電子波矢，故躍遷前后，電子波矢基本不變，又稱(chēng)為一級(jí)過(guò)程或直接躍遷型。在間接帶隙復(fù)合過(guò)程中由于導(dǎo)帶最小值與價(jià)帶最大值的波矢k值不同，電子躍遷前后波矢發(fā)生較大變化，因此在躍遷過(guò)程中，除了產(chǎn)生光子以外，還伴隨著聲子躍遷過(guò)程，又稱(chēng)為二級(jí)過(guò)程，或間接躍遷型。間接躍遷型放出光子的幾率較小，發(fā)光強(qiáng)度變?nèi)?。第一章半?dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.3

半導(dǎo)體的光發(fā)射機(jī)制二、輻射躍遷2.邊緣發(fā)射

邊緣發(fā)射也是一種輻射復(fù)合過(guò)程，它是由淺施主所俘獲的電子同價(jià)帶空穴復(fù)合，或淺受主所俘獲的空穴同導(dǎo)帶電子復(fù)合的過(guò)程，如圖中d、e復(fù)合。3.深能級(jí)復(fù)合

深能級(jí)是指靠近導(dǎo)帶的空穴束縛態(tài)，或能量很接近價(jià)帶頂?shù)碾娮邮`態(tài)。在這種復(fù)合中，躍遷距離遠(yuǎn)小于禁帶寬度，故輻射光子波長(zhǎng)較長(zhǎng)，如圖所示中j復(fù)合。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.3

半導(dǎo)體的光發(fā)射機(jī)制二、輻射躍遷4.施主和受主的載流子復(fù)合

施主和受主雜質(zhì)提供載流子并產(chǎn)生復(fù)合，如圖中f復(fù)合。在這種載流子的復(fù)合過(guò)程中，躍遷距離小于禁帶寬度。5.激子復(fù)合

激子是晶體中電子和空穴束縛形成的中性粒子，當(dāng)它釋放出所儲(chǔ)存的能量時(shí)，產(chǎn)生激子復(fù)合發(fā)光，因?yàn)榧ぷ幽軌蛞痣娮雍涂昭ǖ膹?fù)合發(fā)光，從而提高發(fā)光效率。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.3

半導(dǎo)體的光發(fā)射機(jī)制二、輻射躍遷6.等電子中心復(fù)合

在元素半導(dǎo)體中，同價(jià)原子取代主原子，該原子被稱(chēng)為等電子。由于兩種原子序數(shù)不同，內(nèi)層電子結(jié)構(gòu)不同，電負(fù)性不同，原子序數(shù)小的，電子親和力大，易俘獲電子成為負(fù)電中心；原子序數(shù)大的，易俘獲空穴成為正電中心。該正負(fù)電子中心被稱(chēng)為等電子中心。等電子中心再俘獲相反類(lèi)型載流子形成束縛激子之后復(fù)合發(fā)光，稱(chēng)等電子復(fù)合。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.3

半導(dǎo)體的光發(fā)射機(jī)制二、輻射躍遷7.等分子中心復(fù)合

類(lèi)似于等電子，在化合物半導(dǎo)體中，一種分子取代主分子被稱(chēng)為等分子。若其電子親和力大，易俘獲電子成為負(fù)電中心；反之，易俘獲空穴成為正電中心。該正負(fù)電子中心被稱(chēng)為等分子中心。等分子中心再俘獲相反類(lèi)型載流子復(fù)合被稱(chēng)等分子復(fù)合。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.3

半導(dǎo)體的光發(fā)射機(jī)制三、非輻射躍遷1.多聲子躍遷

電子和空穴復(fù)合所放出的能量，可以使晶格振動(dòng)，產(chǎn)生聲子，這一過(guò)程叫做聲子躍遷。如果禁帶中有許多雜質(zhì)能級(jí)，可以在電子躍遷時(shí)，依次激發(fā)出許多聲子，這一過(guò)程叫做多聲子躍遷。

聲子躍遷的結(jié)果，使電子放出的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝?dòng)能。

在電子與空穴復(fù)合過(guò)程中，多余能量如果不以光子的形式放出，則稱(chēng)為非輻射復(fù)合，又叫猝滅，多發(fā)生在間接帶隙結(jié)構(gòu)。如多聲子躍遷、俄歇復(fù)合、表面復(fù)合或激發(fā)聲子而變?yōu)闊崮?，均屬于非輻射?fù)合過(guò)程。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.3

半導(dǎo)體的光發(fā)射機(jī)制三、非輻射躍遷2.俄歇復(fù)合

當(dāng)晶體中的電子和空穴復(fù)合時(shí)，可能把多余的能量傳給第三個(gè)載流子。獲得能量的載流子又會(huì)產(chǎn)生多聲子過(guò)程。這種復(fù)合稱(chēng)為俄歇復(fù)合。另外，還存在許多其它的非輻射復(fù)合過(guò)程。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.3

半導(dǎo)體的光發(fā)射機(jī)制四、發(fā)光效率

表征發(fā)光的參量為量子效率，即光輻射復(fù)合與總復(fù)合之比Rr是輻射復(fù)合率，R是過(guò)剩載流子的總復(fù)合率

按少子壽命τnr是輻射壽命，

τr是非輻射壽命帶與帶間的輻射復(fù)合率B是比例常數(shù)。直接系材料的值比間接帶隙材料的值大106個(gè)數(shù)量級(jí)；在間接帶隙材料中，直接帶間輻射復(fù)合躍遷是不大可能的。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.4

半導(dǎo)體中光子與電子相互作用的物理過(guò)程一、半導(dǎo)體中光子與電子相互作用的物理過(guò)程

半導(dǎo)中光子和電子相互作用的物理過(guò)程主要有三個(gè)：光的自發(fā)輻射、光的受激輻射和光的受激吸收1.光的自發(fā)輻射

對(duì)于具有上下兩個(gè)能級(jí)E2和E1，處于上能級(jí)E2的電子，無(wú)需借助外來(lái)光子的激發(fā)，有一定概率“自發(fā)的”躍遷的下能級(jí)E1，與空穴復(fù)合，同時(shí)放出光子，其能量為自發(fā)輻射的特點(diǎn)是產(chǎn)生的光為非相干光，是發(fā)光二極管的物理基礎(chǔ)。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.4

半導(dǎo)體中光子與電子相互作用的物理過(guò)程一、半導(dǎo)體中光子與電子相互作用的物理過(guò)程2.光的受激輻射

在能量為

的光子的作用下，電子由上能級(jí)E2

躍遷到下能級(jí)E1

，所發(fā)射的光子與入射光子具有相同的頻率、傳播方向、偏振和相位。受激輻射的特點(diǎn)：產(chǎn)生的光為相干光，即發(fā)射的光子與入射光子具有相同的頻率、傳播方向、偏振和相位，是激光器工作原理基礎(chǔ)。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.4

半導(dǎo)體中光子與電子相互作用的物理過(guò)程一、半導(dǎo)體中光子與電子相互作用的物理過(guò)程3.光的受激吸收

在能量為

的光子的作用下，電子由下能級(jí)E1躍遷到上能級(jí)E2的過(guò)程。

若光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，產(chǎn)生本征躍遷，每一個(gè)光子可激發(fā)出一個(gè)電子-空穴對(duì)；若光子能量小于禁帶寬度，但是大于施主和受主雜質(zhì)電離能量，產(chǎn)生非本征躍遷，每個(gè)光子只激發(fā)一個(gè)電子或者空穴。光的受激吸收是太陽(yáng)電池、光電探測(cè)器工作原理基礎(chǔ)。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.4

半導(dǎo)體中光子與電子相互作用的物理過(guò)程二、愛(ài)因斯坦關(guān)系1.光的自發(fā)輻射

A21是愛(ài)因斯坦自發(fā)輻射系數(shù)（幾率）

自發(fā)發(fā)射（輻射）速率指的是單位時(shí)間、單位體積內(nèi)E2能級(jí)躍遷到E1能級(jí)的電子數(shù)。電子占據(jù)E2能級(jí)幾率電子未占據(jù)E1能級(jí)幾率第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.4

半導(dǎo)體中光子與電子相互作用的物理過(guò)程二、愛(ài)因斯坦關(guān)系2.光的受激輻射

B21是愛(ài)因斯坦受激輻射系數(shù)（幾率）

受激發(fā)射（輻射）速率指的是單位時(shí)間、單位體積在光子作用下內(nèi)E2能級(jí)躍遷到E1能級(jí)的電子數(shù)。電子占據(jù)E2能級(jí)幾率電子未占據(jù)E1能級(jí)幾率第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.4

半導(dǎo)體中光子與電子相互作用的物理過(guò)程二、愛(ài)因斯坦關(guān)系3.光的受激吸收

B12是愛(ài)因斯坦受激吸收系數(shù)（幾率）

受激吸收（輻射）速率指的是單位時(shí)間、單位體積在光子作用下內(nèi)E1能級(jí)躍遷到E2能級(jí)的電子數(shù)。電子占據(jù)E1能級(jí)幾率電子未占據(jù)E2能級(jí)幾率第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.4

半導(dǎo)體中光子與電子相互作用的物理過(guò)程二、愛(ài)因斯坦關(guān)系4.愛(ài)因斯坦關(guān)系自發(fā)輻射光子數(shù)受激輻射光子數(shù)受激吸收光子數(shù)熱平衡條件下，總發(fā)射速率等于總吸收速率，即：A21—自發(fā)發(fā)射系數(shù)；B21--受激發(fā)射系數(shù)；B12--受激吸收系數(shù)。愛(ài)因斯坦關(guān)系物理意義？受激發(fā)射與受激吸收幾率相等第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象半導(dǎo)體光電子器件第二章：半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)一、同質(zhì)pn結(jié)（§2.1--§2.6）二、MIS結(jié)構(gòu)（§2.8）三、金屬與半導(dǎo)體接觸（§2.7）四、異質(zhì)結(jié)與量子阱（§2.9）基本物理屬性基本特性半導(dǎo)體光電子器件§2.1pn結(jié)的物理基礎(chǔ)第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)一、pn結(jié)的形成

突變結(jié)雜質(zhì)分布緩變結(jié)雜質(zhì)分布

pn結(jié)是指采用某種技術(shù)在一塊半導(dǎo)體材料內(nèi)形成共價(jià)鍵結(jié)合的p型和n型區(qū)，p型區(qū)和n型區(qū)的界面及其兩側(cè)少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度范圍的區(qū)域，稱(chēng)為pn結(jié)。

pn結(jié)的p型區(qū)和n型區(qū)可以是同一種半導(dǎo)體材料，也可以是兩種不同的半導(dǎo)體材料，前者稱(chēng)為同質(zhì)pn結(jié)，后者稱(chēng)為異質(zhì)pn結(jié)?！?.1pn結(jié)的物理基礎(chǔ)第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)二、平衡pn結(jié)空間電荷區(qū)與自建電場(chǎng)

pn結(jié)空間電荷區(qū)的形成同質(zhì)pn結(jié)示意圖1.空間電荷區(qū)2.自建電場(chǎng)與電流

空間電荷區(qū)內(nèi)空穴流密度空間電荷區(qū)內(nèi)電子流密度其中§2.1pn結(jié)的物理基礎(chǔ)第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)二、平衡pn結(jié)空間電荷區(qū)與自建電場(chǎng)

3.接觸電勢(shì)差4.能帶結(jié)構(gòu)積分得則平衡pn結(jié)費(fèi)米能級(jí)處處相等§2.1pn結(jié)的物理基礎(chǔ)第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)二、平衡pn結(jié)空間電荷區(qū)與自建電場(chǎng)

5.載流子分布6.耗盡近似空間電荷區(qū)電子和空穴濃度分布示意圖空穴和電子在空間電荷區(qū)依指數(shù)規(guī)律分布，在邊界內(nèi)側(cè)下降極為迅速，使絕大部分空間電荷區(qū)內(nèi)的載流子濃度與中性區(qū)相應(yīng)的多子濃度相比可以忽略空間電荷區(qū)又被稱(chēng)為耗盡區(qū)，或耗盡層§2.2非平衡pn結(jié)第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)一、非平衡突變pn結(jié)電場(chǎng)分布

正、負(fù)空間電荷區(qū)內(nèi)泊松方程

非平衡pn結(jié)是指由外加偏置電壓的pn結(jié)。將p區(qū)置為高電位、n區(qū)置為低電位的偏置電壓稱(chēng)為正向偏置，反之稱(chēng)為反向偏置邊界條件由上最高電場(chǎng)強(qiáng)度§2.2非平衡pn結(jié)第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)二、非平衡突變pn結(jié)空間電荷區(qū)寬度

電場(chǎng)分布曲線下所圍面積為空間電荷區(qū)兩側(cè)邊界間電勢(shì)差空間電荷區(qū)寬度§2.2非平衡pn結(jié)第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)三、非平衡線性緩變pn結(jié)電場(chǎng)分布

界面附近施主、受主雜質(zhì)濃度分布和電荷密度電場(chǎng)強(qiáng)度為雜質(zhì)濃度及空間電荷分布電場(chǎng)分布αj為雜質(zhì)濃度分布梯度最大電場(chǎng)強(qiáng)度為空間電荷區(qū)寬度為第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)一、非平衡pn結(jié)能帶結(jié)構(gòu)

零偏、正偏、反偏能帶結(jié)構(gòu)§2.3非平衡pn結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)與載流子分布§2.3非平衡pn結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)與載流子分布第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)一、非平衡pn結(jié)能帶結(jié)構(gòu)--費(fèi)米能級(jí)

正偏反偏§2.3非平衡pn結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)與載流子分布第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)二、非平衡pn結(jié)載流子分布

正偏反偏§2.4pn結(jié)的直流電學(xué)特性第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)一、I-V方程

正向偏置反向偏置

小注入條件下，x=xn處，空穴的擴(kuò)散流密度電子的擴(kuò)散流密度通過(guò)pn結(jié)的總電流密度為第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.4pn結(jié)的直流電學(xué)特性一、I-V方程

若第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.4pn結(jié)的直流電學(xué)特性一、I-V方程

溫度對(duì)電流密度的影響很大第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.4pn結(jié)的直流電學(xué)特性一、I-V方程

Si-pn結(jié)理論曲線與和實(shí)驗(yàn)曲線的示意圖1.

反偏：

空間電荷區(qū)載流子濃度低于平衡值；載流子的產(chǎn)生率高于復(fù)合率，空間電荷區(qū)內(nèi)存在凈的產(chǎn)生電流；反向電流是反向擴(kuò)散流與產(chǎn)生流之和。

Si(和GaAs)等本征載流子濃度較低，空間電荷區(qū)內(nèi)載流子產(chǎn)生流在反向電流中起支配作用，所以理論值與實(shí)驗(yàn)值相差較大。Ｇe本征載流子濃度較高，反向擴(kuò)散流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于產(chǎn)生流，理論值與實(shí)際符合較好。第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.4pn結(jié)的直流電學(xué)特性二、電流注入比

2.正偏小電流：

空間電荷區(qū)內(nèi)載流子濃度高于平衡值；載流子的復(fù)合高于產(chǎn)生，有凈的復(fù)合流；正向電流應(yīng)為正向擴(kuò)散流與空間電荷區(qū)凈復(fù)合流之和。

Si和GaAs，在電小流時(shí)，復(fù)合電流起支配作用，影響不可忽略；隨電流密度增大，復(fù)合電流的影響減小，理論與實(shí)驗(yàn)逐漸相符。

Gepn結(jié)，正向擴(kuò)散流密度遠(yuǎn)高于復(fù)合流，在正向電流密度不是很大時(shí)，理論曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)量符合較好。第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.4pn結(jié)的直流電學(xué)特性二、電流注入比

3.

正偏大電流：

非平衡少子在擴(kuò)散區(qū)積累，電中性被破壞；擴(kuò)散區(qū)有與非平衡少子同樣濃度和同樣濃度梯度的非平衡多子積累；非平衡多子擴(kuò)散形成電場(chǎng)；該電場(chǎng)對(duì)外加電壓形成分壓。中性區(qū)體電阻歐姆壓降對(duì)外加電壓形成分壓。n區(qū)P區(qū)非平衡多子電子非平衡多子空穴電場(chǎng)擴(kuò)散擴(kuò)散電場(chǎng)第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.4pn結(jié)的直流電學(xué)特性二、電流注入比

對(duì)于突變結(jié)第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.5pn結(jié)電容一、pn結(jié)勢(shì)壘電容

對(duì)于緩變結(jié)n區(qū)少子數(shù)量第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.5pn結(jié)電容二、pn結(jié)擴(kuò)散電容

n區(qū)/p區(qū)單位面積空穴擴(kuò)散電容IFp和Ifn分別是空穴和電子擴(kuò)散流，Τp和Τn分別是空穴和電子壽命三、等效電路

勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容同是偏置電壓的函數(shù)；勢(shì)壘電容與擴(kuò)散電容并聯(lián)；中性區(qū)及與外電極接觸處存在電阻。

※勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容，使得以pn結(jié)為基本單元的半導(dǎo)體器件，其交流電學(xué)特性參數(shù)呈現(xiàn)為工作頻率的函數(shù)。本征等效電路§2.5pn結(jié)電容第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)

pn結(jié)反向電流很小，但是當(dāng)反向電壓增大到某一值時(shí)，電流急劇上升，這種現(xiàn)象稱(chēng)為pn結(jié)的擊穿。相應(yīng)電壓稱(chēng)為pn結(jié)擊穿電壓。第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.6pn結(jié)擊穿一、pn結(jié)熱擊穿

空間電荷區(qū)產(chǎn)生電流其中Eg0是絕對(duì)溫度為0度時(shí)的禁帶寬度pn結(jié)反向電流隨溫度的升高，依指數(shù)關(guān)系迅速上升。對(duì)Ge、Si、GaAs

pn結(jié)當(dāng)擊穿電壓小于4Eg/q時(shí)，擊穿機(jī)構(gòu)通常是隧道擊穿第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.6pn結(jié)擊穿二、pn結(jié)隧道擊穿

其中空間電荷區(qū)禁帶水平距離，即隧道長(zhǎng)度為電子隧穿的幾率為對(duì)Ge、Si、GaAs

pn結(jié)當(dāng)擊穿電壓大于6Eg/q時(shí)，擊穿機(jī)構(gòu)通常是雪崩擊穿，擊穿電壓在4--6Eg/q之間時(shí)，雪崩擊穿與隧穿擊穿同時(shí)存在。第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.6pn結(jié)擊穿三、pn結(jié)雪崩擊穿

發(fā)生雪崩擊穿時(shí)電離率應(yīng)滿(mǎn)足對(duì)于Si單邊突變結(jié)，雪崩擊穿為對(duì)于Si線性緩變結(jié)，雪崩擊穿為第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.7金半接觸一、金半接觸的能帶結(jié)構(gòu)

金屬與n型半導(dǎo)體接觸時(shí)，若Wm>Ws，在半導(dǎo)體表面形成一個(gè)正的空間電荷區(qū)，主要由電離施主構(gòu)成，其電場(chǎng)方向指向體內(nèi)，形成表面勢(shì)壘，它是一個(gè)高阻的區(qū)域，常稱(chēng)為阻擋層。若Wm<Ws，

在半導(dǎo)體表面形成一個(gè)負(fù)的空間電荷區(qū)，是一個(gè)低阻區(qū)，成為反阻擋層。金屬與n型半導(dǎo)體接觸的能帶結(jié)構(gòu)金屬與p型半導(dǎo)體接觸的能帶結(jié)構(gòu)第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.7金半接觸二、肖特基的伏安特性

金半接觸分為肖特基接觸和歐姆接觸兩種情況。肖特基接觸是指金屬和半導(dǎo)體材料相接觸的時(shí)候，在界面處半導(dǎo)體的能帶彎曲，形成肖特基勢(shì)壘。正向偏置平衡態(tài)反向偏置當(dāng)且第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.7金半接觸三、歐姆接觸

歐姆接觸是指在接觸處沒(méi)有勢(shì)壘，是一個(gè)純電阻，該電阻相對(duì)于器件總電阻而言可以忽略，而且越小越好。

常見(jiàn)的歐姆接觸有兩種：一種是非勢(shì)壘接觸；另一種是利用隧道效應(yīng)在半導(dǎo)體上形成歐姆接觸。接觸前接觸后加正壓加負(fù)壓第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.7金半接觸三、歐姆接觸

雖然金屬的功函數(shù)小于半導(dǎo)體的功函數(shù)，但是由于界面態(tài)的存在，仍然在接觸后形成了一個(gè)勢(shì)壘，阻擋了載流子的傳輸。

對(duì)于Si、Ge等常用的半導(dǎo)體材料，都具有很高的表面態(tài)，n型和p型材料與金屬接觸都會(huì)形成較高的接觸勢(shì)壘，不能通過(guò)金屬選擇的辦法來(lái)獲得歐姆接觸。第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.7金半接觸三、歐姆接觸

當(dāng)電子通過(guò)隧道效應(yīng)貫穿勢(shì)壘產(chǎn)生的遂穿電流大于熱電子發(fā)射電流時(shí)，接觸電阻會(huì)隨著遂穿電流的增大而減小，而且與半導(dǎo)體器件電阻相比能小到忽略不計(jì)，可以用作歐姆接觸。

半導(dǎo)體中摻雜時(shí)，與金屬形成的接觸可以形成理想的歐姆接觸。歐姆接觸的接觸電阻和摻雜濃度成反比第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.8MIS結(jié)構(gòu)MIS結(jié)構(gòu)由金屬（M）-絕緣體（I）-半導(dǎo)體（S）組成，MIS結(jié)構(gòu)在電子和光子器件中具有重要的應(yīng)用，如MIS二極管，邏輯器件中的MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)、CCD（ChargeCoupledDevices，電荷耦合器件）第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.8MIS結(jié)構(gòu)一、能帶結(jié)構(gòu)

理想情況滿(mǎn)足以下條件：

金屬與半導(dǎo)體的功函數(shù)差為零

；

在絕緣層內(nèi)沒(méi)有任何電荷且絕緣層完全不導(dǎo)電

；

絕緣體與半導(dǎo)體界面處不存在任何界面狀態(tài)。

1.

多數(shù)載流子堆積狀態(tài)第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.8MIS結(jié)構(gòu)一、能帶結(jié)構(gòu)

2.平帶狀態(tài)Vs接近平帶狀態(tài)時(shí)，Vs趨于0，此時(shí)平帶電容在p型半導(dǎo)體中

，pn0>>np0第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.8MIS結(jié)構(gòu)一、能帶結(jié)構(gòu)

3.

多數(shù)載流子耗盡狀態(tài)4.本征狀態(tài)第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.8MIS結(jié)構(gòu)一、能帶結(jié)構(gòu)

5.少數(shù)載流子反型狀態(tài)當(dāng)時(shí)，強(qiáng)反型第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.8MIS結(jié)構(gòu)一、能帶結(jié)構(gòu)

6.

強(qiáng)反型狀態(tài)當(dāng)時(shí)一旦達(dá)到強(qiáng)反型，表面耗盡層寬度就達(dá)到了一個(gè)極大值，不再隨外加電壓的增加而增加。這是因?yàn)榉葱蛯又蟹e累的電子屏蔽了外電場(chǎng)的作用。

第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.8MIS結(jié)構(gòu)二、深耗盡狀態(tài)

當(dāng)MOS處于反向偏置時(shí)，需要大量的少子在表面平衡柵電荷的變化，由于少子不足以平衡柵電荷，只能依靠電離受主電荷來(lái)補(bǔ)償，因此耗盡區(qū)會(huì)進(jìn)一步展寬，這種通過(guò)耗盡區(qū)展寬補(bǔ)償少子以平衡柵電荷的現(xiàn)象稱(chēng)為深耗盡。

與缺少少子的情況不同，如果完全沒(méi)有少子，則被稱(chēng)為完全深耗盡，即MOS處于反偏時(shí)，非平衡的半導(dǎo)體表面完全缺乏少數(shù)載流子的一種極端情況。深耗盡完全深耗盡第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.8MIS結(jié)構(gòu)

MIS結(jié)構(gòu)用作多個(gè)器件結(jié)構(gòu)中，其作用主要取決于絕緣層的厚度：

絕緣層的厚度足夠?。▽?duì)于SiO2層，大約為1nm），則絕緣層基本上不起絕緣的作用，此時(shí)可形成肖特基（Schottky）二極管；

絕緣層的厚度不是很薄、也不是很厚（對(duì)于SiO2層，大約為1nm～5nm），載流子有較大的幾率通過(guò)隧道效應(yīng)而貫穿絕緣層，此時(shí)可形成MIS隧道二極管；

絕緣層的厚度足夠大（對(duì)于SiO2層，大于5nm），則絕緣層基本上不導(dǎo)電，這時(shí)可形成MIS電容、MESFET等等。

除此之外，MIS結(jié)構(gòu)還具有許多用途，如MIS太陽(yáng)電池、MIS開(kāi)關(guān)管、MIM隧道二極管、MIMIM隧道晶體管等等。第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.9異質(zhì)結(jié)一、異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)

反型突變異質(zhì)結(jié)同型突變異質(zhì)結(jié)第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.9異質(zhì)結(jié)二、異質(zhì)結(jié)接觸電勢(shì)差與勢(shì)壘電容

1.電場(chǎng)分布2.異質(zhì)結(jié)接觸電勢(shì)差第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.9異質(zhì)結(jié)二、異質(zhì)結(jié)接觸電勢(shì)差與勢(shì)壘電容

3.異質(zhì)結(jié)空間電荷區(qū)寬度4.異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘電容第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.9異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)三種基本形式接觸前接觸后三、異質(zhì)結(jié)電流-電壓特性

第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.9異質(zhì)結(jié)三、異質(zhì)結(jié)電流-電壓特性

1.對(duì)（a）和（c）2.對(duì)（b）第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.9異質(zhì)結(jié)三、異質(zhì)結(jié)電流-電壓特性

同質(zhì)結(jié)電子流與空穴流注入比

異質(zhì)結(jié)電子流與空穴流注入比

若?Eg=250mv，注入比可以比同質(zhì)結(jié)高104倍以上勢(shì)壘1.量子阱二個(gè)異質(zhì)結(jié)組成，其中間層導(dǎo)帶底最低、價(jià)帶頂最高；或僅導(dǎo)帶底最低；或僅價(jià)帶頂最高。L小于德布羅意波長(zhǎng)(~50nm）L第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.9異質(zhì)結(jié)四、量子阱

2.

超晶格量子阱（或不同導(dǎo)電類(lèi)型材料）組成的一維周期性結(jié)構(gòu)，其勢(shì)壘寬度小于電子的德布羅意波長(zhǎng)。Eg1Eg2ECEVpnn異質(zhì)結(jié)超晶格第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.9異質(zhì)結(jié)四、量子阱

摻雜的超晶格第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.9異質(zhì)結(jié)四、量子阱

量子線：二個(gè)方向物理尺寸小于德布羅意波長(zhǎng)量子點(diǎn)：三個(gè)方向物理尺寸小于德布羅意波長(zhǎng)第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.9異質(zhì)結(jié)四、量子阱

本征2DEG2DEGAlGaAsnGaAsAlGaAsGaAs+AlGaAsGaAs孤立1.

2DEG第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.9異質(zhì)結(jié)五、二維電子氣（2DEG）與二維空穴氣（2DHG）應(yīng)用2.2DHG2DHG第二章半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)§2.9異質(zhì)結(jié)五、二維電子氣（2DEG）與二維空穴氣（2DHG）應(yīng)用半導(dǎo)體光電子器件第三章：太陽(yáng)電池§3.1太陽(yáng)光譜與大氣光學(xué)質(zhì)量§3.2半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)§3.3半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的基本參數(shù)§3.4半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的等效電路§3.5半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的光譜響應(yīng)§3.6半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池性能提高的措施§3.7新型異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)第三章太陽(yáng)電池§3.1太陽(yáng)光譜與大氣光學(xué)質(zhì)量一、太陽(yáng)光譜

太陽(yáng)表層為氣態(tài)的，可近似的被看作吸收系數(shù)為1的黑體輻射源。黑體輻射源為一種在任何條件下，對(duì)任何波長(zhǎng)的外來(lái)輻射完全吸收的理想輻射源，理論上黑體會(huì)放射頻譜上所有波長(zhǎng)之電磁波。

太陽(yáng)發(fā)出電磁波的構(gòu)成

短于295nm和大于2500nm波長(zhǎng)的太陽(yáng)輻射，因地球大氣中臭氧、水氣和其他大氣分子的強(qiáng)烈吸收，不能到達(dá)地面。其中氧的吸收波長(zhǎng)范圍較寬，在200nm～700nm之間，其它氣體的吸收具有選擇性，呈帶狀分布。§3.1太陽(yáng)光譜與大氣光學(xué)質(zhì)量一、太陽(yáng)光譜

第三章太陽(yáng)電池§3.1太陽(yáng)光譜與大氣光學(xué)質(zhì)量二、大氣光學(xué)質(zhì)量

人們將太陽(yáng)到達(dá)大氣表面的能量定義為一個(gè)太陽(yáng)常數(shù)，即在日地平均距離（D=1.496x10^8km）上，大氣頂界垂直于太陽(yáng)光線的單位面積每秒鐘接受的太陽(yáng)輻射能第三章太陽(yáng)電池§3.1太陽(yáng)光譜與大氣光學(xué)質(zhì)量二、大氣光學(xué)質(zhì)量

ASTMG-173為美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（AmericanSocietyforTestingandMaterials,ASTM）太陽(yáng)電池實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

太陽(yáng)在地面的輻射能除了與入射路徑有關(guān)以外，還與大氣中的其它物質(zhì)有關(guān)，如水汽含量、灰塵以及其它污染物等太陽(yáng)光日照強(qiáng)度與天頂角和大氣質(zhì)量系數(shù)關(guān)系第三章太陽(yáng)電池§3.2半導(dǎo)體太陽(yáng)電池的基本結(jié)構(gòu)一、半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)

第三章太陽(yáng)電池§3.2半導(dǎo)體太陽(yáng)電池的基本結(jié)構(gòu)二、太陽(yáng)電池的基本結(jié)構(gòu)第三章太陽(yáng)電池

1.擴(kuò)散區(qū)、勢(shì)壘區(qū)、中性區(qū)：吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對(duì)；開(kāi)路時(shí)：

2.擴(kuò)散區(qū)、勢(shì)壘區(qū)：

空穴漂移到p區(qū)，電子漂移到n區(qū)，形成光生電流與積累；

3.積累的部分空穴和電子分別中和空間電荷區(qū)的正、負(fù)電荷，空間電荷區(qū)變窄-pn結(jié)正偏；

4.光生電流與正向電流平衡時(shí)，達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)；

5.

開(kāi)路時(shí)，呈現(xiàn)開(kāi)路電壓;

短路時(shí)：輸出短路電流。

§3.2半導(dǎo)體太陽(yáng)電池的基本結(jié)構(gòu)二、太陽(yáng)電池的基本結(jié)構(gòu)第三章太陽(yáng)電池§3.3半導(dǎo)體太陽(yáng)電池的基本參數(shù)一、短路電流與開(kāi)路電壓第三章太陽(yáng)電池

半導(dǎo)體太陽(yáng)電池工作時(shí)共有三股電流：光生電流Iph，在光生電勢(shì)差V作用下pn結(jié)正向電流If和流經(jīng)外電路的電流I，則反方向的飽和電流光生電流n為理想系數(shù)，一般為1-2；A為電池面積，為光子流密度§3.3半導(dǎo)體太陽(yáng)電池的基本參數(shù)一、短路電流與開(kāi)路電壓第三章太陽(yáng)電池

假設(shè)光照時(shí)，當(dāng)電路處于短路（V=0）狀態(tài)，則有短路電流ISC=Iph流動(dòng)；當(dāng)電路處于開(kāi)路（I=0）狀態(tài)時(shí)，則出現(xiàn)開(kāi)路電壓

短路電流和開(kāi)路電壓都隨光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大，短路電流隨光照強(qiáng)度線性的上升，而開(kāi)路電壓則成對(duì)數(shù)式增大。開(kāi)路電壓并不隨光照強(qiáng)度無(wú)限的增大，當(dāng)光生電壓增大到pn結(jié)勢(shì)壘消失時(shí)，即得到最大光生電壓，等于p-n結(jié)勢(shì)壘高度，與材料摻雜程度有關(guān)。Pom=V

om×Iom(最大輸出功率)Pin:入射太陽(yáng)光的功率由因?yàn)椋河蠽VocIscIPOm§3.3半導(dǎo)體太陽(yáng)電池的基本參數(shù)二、太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率第三章太陽(yáng)電池由圖可見(jiàn)，效率與表述輸出功率的面積有關(guān)定義:填充因子（FillFactor）：從IscVoc中取得的功率比率，即F?F一般為0.7~0.9第三章太陽(yáng)電池VVocIscIPOm§3.3半導(dǎo)體太陽(yáng)電池的基本參數(shù)二、太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率砷化鎵的禁帶較硅為寬，使得它的光譜響應(yīng)性和空間太陽(yáng)光譜匹配能力較硅好，且能耐高溫。在單結(jié)太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)上，通常選取帶隙寬度位于整個(gè)輻射光譜中間的材料，才可以達(dá)到最大的理論效率。最佳太陽(yáng)能電池材料的帶隙約為1.4—1.5eV之間。砷化鎵電池§3.3半導(dǎo)體太陽(yáng)電池的基本參數(shù)第三章太陽(yáng)電池二、太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率V?光生電流

Iph=If=C二極管電流If1.開(kāi)路If2.

短路I光生電流

Iph=C二極管電流輸出電流

I

=Iph

If3.

負(fù)載IRL光生電流

Iph=C二極管電流輸出電流

I

=If

?Iph

|I|=Iph?If

？IRL忽略寄生參數(shù)影響第三章太陽(yáng)電池§3.4半導(dǎo)體太陽(yáng)電池等效電路理想等效電路光生電流

IL=CRSRSRShRSRS寄生參數(shù)？？二極管電流輸出電流++++RLRshVRSV*+第三章太陽(yáng)電池§3.4半導(dǎo)體太陽(yáng)電池等效電路非理想等效電路第三章太陽(yáng)電池§3.5半導(dǎo)體太陽(yáng)光譜響應(yīng)與吸收特性一、半導(dǎo)體太陽(yáng)電池光譜效應(yīng)與吸收特性

太陽(yáng)能電池在每一種波長(zhǎng)的入射光作用下，所收集到的光電流與相對(duì)于入射到電池表面的該波長(zhǎng)光子數(shù)之比，稱(chēng)為太陽(yáng)能電池的光譜響應(yīng)，又稱(chēng)為光譜靈敏度。光譜響應(yīng)有絕對(duì)光譜響應(yīng)和相對(duì)光譜響應(yīng)之分。

絕對(duì)光譜響應(yīng)是指某一波長(zhǎng)下太陽(yáng)能電池的短路電流與入射光功率的比值。常把光譜響應(yīng)曲線的最大值定為1，并求出其他靈敏度對(duì)這一最大值的相對(duì)值，這樣得到的曲線則稱(chēng)為相對(duì)光譜響應(yīng)曲線，即相對(duì)光譜響應(yīng)。對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)和短波長(zhǎng)光電子-空穴對(duì)產(chǎn)生率與到半導(dǎo)體表面距離的106入射光子數(shù)/cm2.s高能光子主要被表面吸收；低能光子主要被深處吸收；空間電荷區(qū)光生載流子少；對(duì)效率，Eg存在優(yōu)化。?hv(n)(p)§3.5半導(dǎo)體太陽(yáng)光譜響應(yīng)與吸收特性一、半導(dǎo)體太陽(yáng)電池光譜效應(yīng)與吸收特性第三章太陽(yáng)電池第三章太陽(yáng)電池§3.5半導(dǎo)體太陽(yáng)光譜響應(yīng)與吸收特性二、半導(dǎo)體太陽(yáng)電池溫度特性與輻照效應(yīng)

當(dāng)溫度升高時(shí)，由于擴(kuò)散系數(shù)保持相同、少數(shù)載流子壽命增加，Si和GaAs中的少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度也將增加，從而使光電流增加。

飽和電流與溫度呈指數(shù)關(guān)系，開(kāi)路電壓減小，伏安曲線拐彎處“柔軟度”（“圓滑度”）隨溫度的增加也會(huì)使填充因子減少。

隨著溫度的增加，總的效果使光電轉(zhuǎn)換效率降低。有理想電流或復(fù)合電流的Si和GaAspn結(jié)太陽(yáng)電池的歸一化效率第三章太陽(yáng)電池§3.5半導(dǎo)體太陽(yáng)光譜響應(yīng)與吸收特性二、半導(dǎo)體太陽(yáng)電池溫度特性與輻照效應(yīng)對(duì)于衛(wèi)星應(yīng)用，外層空間的高能粒子輻射在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生缺陷，導(dǎo)致太陽(yáng)電池輸出功率下降在高能射線輻射下，n型太陽(yáng)電池性能衰減嚴(yán)重，穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)換效率低于類(lèi)似結(jié)構(gòu)的p型太陽(yáng)電池，說(shuō)明p型太陽(yáng)電池抵抗宇宙射線輻射損傷能力要好得多p型太陽(yáng)電池是太空應(yīng)用的優(yōu)先選擇，當(dāng)太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)向地面應(yīng)用過(guò)程中，p型電池結(jié)構(gòu)也一直被延用第三章太陽(yáng)電池§3.6半導(dǎo)體太陽(yáng)電池性能提高的措施一、半導(dǎo)體材料因素影響1.禁帶寬度

對(duì)某一種材料而言，禁帶寬度限制了電池效率的上限。

禁帶寬度約為1.4~1.5eV的材料是最佳太陽(yáng)能電池材料，制備的單結(jié)太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率最高。

材料禁帶寬度可以影響pn結(jié)的勢(shì)壘高度，也可以影響太陽(yáng)電池可以利用的光譜的寬窄。即禁帶寬度大，開(kāi)路電壓高，吸收太陽(yáng)光譜范圍小，短路電流小。第三章太陽(yáng)電池§3.6半導(dǎo)體太陽(yáng)電池性能提高的措施一、半導(dǎo)體材料因素影響2.摻雜濃度與復(fù)合

摻雜濃度也對(duì)太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓有影響，摻雜濃度的高低意味著pn結(jié)勢(shì)壘高度的高低，故pn結(jié)摻雜濃度越高，開(kāi)路電壓也越大。

缺陷中的一部分將會(huì)成為復(fù)合中心，從而影響少數(shù)載流子的壽命。導(dǎo)體中存在的深能級(jí)也會(huì)成為復(fù)合中心，影響少數(shù)載流子的壽命，因此，半導(dǎo)體內(nèi)部的體復(fù)合壽命，是影響太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要因素。

綜合影響：開(kāi)路電壓會(huì)隨摻雜濃度的增加而增加，當(dāng)濃度上升到一定程度時(shí)，有效摻雜濃度會(huì)飽和，甚至?xí)陆?，也?huì)使得少子壽命減?。惑w復(fù)合壽命與材料的純凈度有關(guān)，一些雜質(zhì)會(huì)形成復(fù)合中心，降低復(fù)合壽命。第三章太陽(yáng)電池§3.6半導(dǎo)體太陽(yáng)電池性能提高的措施二、串聯(lián)與并聯(lián)電阻因素影響RSRshV++第三章太陽(yáng)電池§3.6半導(dǎo)體太陽(yáng)電池性能提高的措施三、外部因素影響基本上呈線性增加，光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)增大，但是上升幅度有限。

太陽(yáng)電池溫度增加時(shí)，材料的本征載流子濃度會(huì)增加，pn結(jié)反向飽和電流增大，開(kāi)路電壓下降，短路電流小幅上升，總的光電轉(zhuǎn)換效率下降。

水汽溶解二氧化碳和其它酸性物質(zhì)，形成具有腐蝕作用的酸性溶液，影響太陽(yáng)電池壽命，因此，濕度過(guò)大對(duì)太陽(yáng)電池壽命有很大的影響。

外部因素主要指應(yīng)用時(shí)所處的環(huán)境因素，包括光照強(qiáng)度、溫度、濕度等等。

當(dāng)光強(qiáng)增加時(shí)，太陽(yáng)電池短路電流隨光強(qiáng)線性增加，開(kāi)路電壓隨光強(qiáng)成對(duì)數(shù)增加，即開(kāi)路電壓增量不大。輸出功率第三章太陽(yáng)電池§3.6半導(dǎo)體太陽(yáng)電池性能提高的措施四、制造技術(shù)因素影響還有采用橫向布線及電池極板等布線結(jié)構(gòu)，降低串聯(lián)電阻；采用背表面技術(shù)減少背面的少子復(fù)合；采用埋柵技術(shù)增加光吸收；增加氮化硅表層，既可以鈍化又可以達(dá)到減反目的；激光技術(shù)制造局域鋁背場(chǎng)技術(shù)，形成良好歐姆接觸和背接鈍化并減少Si片翹曲，等等1.表面制絨技術(shù)2.抗反射膜第三章太陽(yáng)電池§3.6半導(dǎo)體太陽(yáng)電池性能提高的措施五、太陽(yáng)電池存在的問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施

Si太陽(yáng)電池中光生載流子在表面與襯底復(fù)合較大，Si材料的吸收系數(shù)小，中性區(qū)復(fù)合比例過(guò)大；

電池較低的表面區(qū)摻雜引起接觸與橫向電阻過(guò)高，影響了電池效率；Si表面反射系數(shù)高達(dá)30%左右，影響了光的吸收；Si材料抗高能粒子能力差，容易在表面產(chǎn)生缺陷，降低載流子壽命；

能量低于Si禁帶寬度的低能光子不被吸收。1.存在問(wèn)題第三章太陽(yáng)電池§3.6半導(dǎo)體太陽(yáng)電池性能提高的措施五、太陽(yáng)電池存在的問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施

采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，用窄帶區(qū)吸收光子、寬帶表面高摻雜作接觸，解決低能光子不被吸收、串聯(lián)電阻過(guò)大以及抗輻射能力差等問(wèn)題；

采用背面高摻雜結(jié)構(gòu)，控制擴(kuò)散長(zhǎng)度外載流子復(fù)合問(wèn)題；

采用絨面結(jié)構(gòu)、增加抗反射膜，提高光子的吸收率；

采用肖特基結(jié)構(gòu)和MIS結(jié)構(gòu)，不僅可以降低工藝難度，還可實(shí)現(xiàn)雙面發(fā)電；

采用結(jié)聯(lián)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多結(jié)發(fā)電；

采用量子阱結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)光譜吸收范圍，提高效率；

采用光學(xué)集光系統(tǒng)，增強(qiáng)入射光強(qiáng)度，減少電池?cái)?shù)量，降低成本。2.解決措施第三章太陽(yáng)電池§3.7新型異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)一、GaAs太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

有利于寬譜帶吸收，提高轉(zhuǎn)換效率；

引入內(nèi)建電場(chǎng)，提高注入效率；

可以降低原材料成本。第三章太陽(yáng)電池§3.7新型異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)一、GaAs太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)GaAs禁帶寬度是1.428eV，與太陽(yáng)光譜匹配，是理想的太陽(yáng)能電池材料。與Si材料相比，GaAs太陽(yáng)能電池具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率。在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，GaAs光吸收系數(shù)遠(yuǎn)高于Si，如同樣吸收95%的太陽(yáng)光，Si太陽(yáng)能電池需大于150μm以上，而GaAs太陽(yáng)能電池只需5~10μm的厚度。GaAs具有良好的抗輻射性能，作為直接禁帶材料，少數(shù)載流子壽命較短，在離結(jié)幾個(gè)擴(kuò)散度外產(chǎn)生的損傷，對(duì)光電流和暗電流均無(wú)影響。GaAs具有更好耐高溫性能，200℃時(shí)Si太陽(yáng)能電池停止工作，而GaAs太陽(yáng)能電池仍可以10%的效率繼續(xù)工作。

主要還是應(yīng)用在宇宙空間探測(cè)和一些條件惡劣場(chǎng)合等方面。第三章太陽(yáng)電池§3.7新型異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)一、GaAs太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)多異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)示意圖與光譜吸收原理三結(jié)GaAs基太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)接近理論數(shù)值第三章太陽(yáng)電池§3.7新型異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)二、GaN太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)

由于InGaN合金的帶隙可覆蓋0.7～3.4eV，這與到達(dá)地面的太陽(yáng)光光譜匹配度高達(dá)96%，并且InGaN合金在整個(gè)帶隙范圍內(nèi)都是直接帶隙半導(dǎo)體，而不像AlGaAs和AlGaP等在寬帶隙時(shí)為間接帶隙半導(dǎo)體，其電子的躍遷過(guò)程不需要聲子的參與。半導(dǎo)體光電子器件§4.1光電導(dǎo)效應(yīng)與器件的基本結(jié)構(gòu)§4.2光電探測(cè)器的基本參數(shù)§4.3光電探測(cè)器的噪聲來(lái)源與參數(shù)§4.4光電二極管的基本結(jié)構(gòu)與工作機(jī)制§4.5光電二極管的等效電路§4.6pin光電二極管§4.7異質(zhì)結(jié)與肖特基光電二極管§4.8雪崩光電二極管§4.9光電晶體管與光敏場(chǎng)效應(yīng)管第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器第四章：半導(dǎo)體光電探測(cè)器第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器§4.1光電導(dǎo)效應(yīng)與器件基本結(jié)構(gòu)普通的光電探測(cè)器基本上有三個(gè)過(guò)程：（1）入射光產(chǎn)生載流子；（2）通過(guò)任何一種電流增加機(jī)構(gòu)造成載流子輸運(yùn)或者倍增；（3）電流與外電路相互作用提供輸出信號(hào)。一、光電導(dǎo)效應(yīng)第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器二、光電導(dǎo)器件基本結(jié)構(gòu)光生載流子產(chǎn)生率光生載流子濃度的變化關(guān)系§4.1光電導(dǎo)效應(yīng)與器件基本結(jié)構(gòu)η為量子效率f(x)??xHWLV第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器三、光電流與暗電流1.光電流§4.1光電導(dǎo)效應(yīng)與器件基本結(jié)構(gòu)f(x)??提高Ip措施總光電流強(qiáng)度xHWLV第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器三、光電流與暗電流2.暗電流§4.1光電導(dǎo)效應(yīng)與器件基本結(jié)構(gòu)xHWLV

與光電流對(duì)應(yīng)的暗電流，是指在無(wú)光的黑暗環(huán)境下對(duì)光電探測(cè)器施加一定的偏壓，探測(cè)器輸出的電流值。光電探測(cè)器的暗電流越大，噪聲功率就越大，探測(cè)能力就越弱，所以暗電流對(duì)設(shè)備的靈敏度影響很大。對(duì)于光電導(dǎo)型的探測(cè)器，暗電流的大小主要取決于材料本身的電導(dǎo)率和偏壓。由于較大的暗電流會(huì)帶來(lái)較嚴(yán)重的噪聲問(wèn)題，從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)講，通常希望光電探測(cè)器的暗電流盡可能的小。

第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器一、光電導(dǎo)與光電流靈敏度1.光電導(dǎo)的靈敏度§4.2光電探測(cè)器基本參數(shù)光電導(dǎo)的靈敏度通常定義為單位入射光所產(chǎn)生的光電導(dǎo)率N為光子數(shù)僅有光生電子和僅有光生空穴的情況下，其靈敏度分別為有時(shí)也用光電導(dǎo)同暗電導(dǎo)的比值來(lái)表示光電導(dǎo)的靈敏度n0和p0越小，光電導(dǎo)靈敏度越高，所以應(yīng)采用高阻低溫材料做光電導(dǎo)元件。

第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器一、光電導(dǎo)與光電流靈敏度2.光電流靈敏度§4.2光電探測(cè)器基本參數(shù)光電流靈敏度定義為光電流與入射光功率的比值第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器二、光電導(dǎo)量子效率與增益1.光電子量子效率§4.2光電探測(cè)器基本參數(shù)量子效率是體現(xiàn)光電探測(cè)器的轉(zhuǎn)換能力的一個(gè)性能參數(shù)理想情況下的外量子效率為量子效率與靈敏度之間存在聯(lián)系一個(gè)光生載流子對(duì)外電路貢獻(xiàn)的載流子數(shù)。

考慮二點(diǎn)：復(fù)合，壽命載流子存在壽命，動(dòng)態(tài)平衡光生載流子形成一定分布；一端流出，另一端補(bǔ)充，直至載流子復(fù)合；壽命期間向外電路提供的載流子數(shù)，即增益：第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器二、光電導(dǎo)量子效率與增益2.光電導(dǎo)增益§4.2光電探測(cè)器基本參數(shù)ptItI00.37I00.63I0第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器三、光電導(dǎo)弛豫§4.2光電探測(cè)器基本參數(shù)1.響應(yīng)時(shí)間（響應(yīng)速度）上升時(shí)間和下降時(shí)間之和被稱(chēng)為光電探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器三、光電導(dǎo)弛豫§4.2光電探測(cè)器基本參數(shù)2.光譜響應(yīng)光譜響應(yīng)特性是光電導(dǎo)的一個(gè)重要性能指標(biāo)決定著光電導(dǎo)的應(yīng)用范圍和靈敏度光電導(dǎo)的光譜響應(yīng)范圍是由它的躍遷類(lèi)型所決定的某波長(zhǎng)光波響應(yīng)度與靈敏度表達(dá)式第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器一、噪聲來(lái)源§4.3光電探測(cè)器噪聲參數(shù)

噪聲的來(lái)源多種多樣，所有的光電探測(cè)器都會(huì)產(chǎn)生噪聲，有些來(lái)自大自然，有些來(lái)自器件本身，還有些來(lái)自應(yīng)用環(huán)境，無(wú)論來(lái)自哪里，都會(huì)對(duì)光電探測(cè)器的性能產(chǎn)生一定的影響。

研究表明熱噪聲、閃爍噪聲、散粒噪聲和產(chǎn)生-復(fù)合噪聲是其內(nèi)部噪聲的主要部分。特點(diǎn)：隨機(jī)，不可預(yù)測(cè)；統(tǒng)計(jì)平均值為0。表征：均方值（方均值）表述。第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器一、噪聲來(lái)源1.噪聲表征均方值（方均值）表述總噪聲：tt§4.3光電探測(cè)器的噪聲來(lái)源與參數(shù)第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器一、噪聲來(lái)源§4.3光電探測(cè)器的噪聲來(lái)源與參數(shù)2.熱噪聲載流子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)（白噪聲）熱噪聲均方振幅電壓值可表示為電流均方值為熱噪聲的功率譜密度為3.散粒噪聲散粒噪聲均方振幅電壓值可表示為電流均方值為功率譜密度為熱電子的隨機(jī)發(fā)射產(chǎn)生的噪聲，稱(chēng)為散粒噪聲，也被稱(chēng)為散彈噪聲第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器一、噪聲來(lái)源4.產(chǎn)生-復(fù)合噪聲均方振幅電壓值可表示為電流均方值為電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生與復(fù)合是隨機(jī)起伏的，產(chǎn)生-復(fù)合噪聲的實(shí)質(zhì)是散粒噪聲，然而為了突出產(chǎn)生與復(fù)合兩個(gè)要素的作用，將其稱(chēng)作產(chǎn)生-復(fù)合散粒噪聲，簡(jiǎn)稱(chēng)為產(chǎn)生---復(fù)合噪聲5.閃爍噪聲功率譜密度為電流均方值為閃爍噪聲是由負(fù)極表層部分的不均勻，產(chǎn)生隨機(jī)激發(fā)的電子，它是頻率范圍在1KHz以?xún)?nèi)的低頻噪聲，也稱(chēng)為低頻噪聲和1/f噪聲§4.3光電探測(cè)器的噪聲來(lái)源與參數(shù)第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器一、噪聲來(lái)源6.光子噪聲電流均方值為光子噪聲指光子在傳輸過(guò)程中的起伏，引起光生電流的起伏所產(chǎn)生的噪聲7.等效噪聲帶寬§4.3光電探測(cè)器的噪聲來(lái)源與參數(shù)第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器二、光電探測(cè)器噪聲參數(shù)1.等效噪聲功率-NEP

等效噪聲功率是指當(dāng)光電探測(cè)器的信噪比等于1時(shí)入射光信號(hào)的功率大小，它反映了光電探測(cè)器噪聲電壓的大小及其探測(cè)微弱信號(hào)的能力。

即探測(cè)器輸出的光信號(hào)電流等于噪聲電流時(shí)的光功率。單位面積上的輻射光功率，也就是噪聲等效功率與光電探測(cè)器靶面積的比值§4.3光電探測(cè)器的噪聲來(lái)源與參數(shù)第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器二、光電探測(cè)器噪聲參數(shù)2.歸一化探測(cè)率人們采用NEP的倒數(shù)來(lái)表示探測(cè)能力，越大則探測(cè)器的靈敏度越高

§4.3光電探測(cè)器的噪聲來(lái)源與參數(shù)第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器§4.4光電二極管的基本結(jié)構(gòu)與工作機(jī)制

功能：將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的pn結(jié)二極管。類(lèi)型：光電二極管(常規(guī)pn結(jié)型)；

pin光電二極管；雪崩光電二極管；金屬-半導(dǎo)體(勢(shì)壘接觸)光電二極管；光電晶體管(雙極型、單極型)。原理：光生載流子定向運(yùn)動(dòng)；光生載流子區(qū)域----

中性區(qū)、擴(kuò)散區(qū)、空間電荷區(qū)。第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器一、光電二極管的基本結(jié)構(gòu)

在外加反向偏壓和內(nèi)建電勢(shì)共同產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，電子向n區(qū)漂移，空穴向p區(qū)漂移，從而在外電路中產(chǎn)生電流，即為光生電流。吸收入射光子而產(chǎn)生光生載流子的區(qū)域，稱(chēng)為吸收區(qū)。高速工作時(shí)，耗盡區(qū)必須保持很薄以縮短渡越時(shí)間；為了增加量子效率（每個(gè)入射光子產(chǎn)生的電子--空穴對(duì)數(shù)目），耗盡區(qū)必須足夠厚，在響應(yīng)速度和量子效率之間應(yīng)取折中。

§4.4光電二極管的基本結(jié)構(gòu)與工作機(jī)制第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器二、光電二極管的工作機(jī)制pn結(jié)反偏；光生載流子構(gòu)成輸出電流。

對(duì)光生電流有貢獻(xiàn)區(qū)域?

光生電流與光電池是否相等？光生電流是否常數(shù)(理想)?

所有光生載流子區(qū)一般不等一般常數(shù)§4.4光電二極管的基本結(jié)構(gòu)與工作機(jī)制第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器三、光電二極管的量子效率

量子效率表示一定的入射光子能獲得的電流大小。即量子效率表示入射一個(gè)光子得到的載流子數(shù)目

波長(zhǎng)大于本征吸收波長(zhǎng)的光幾乎不會(huì)引起光的吸收，所以量子效率是零。對(duì)于短波長(zhǎng)的光來(lái)說(shuō)，吸收幾乎發(fā)生在表面的附近，在沒(méi)有到達(dá)耗盡層被電場(chǎng)分離之前就被大量復(fù)合，量子效率降低。

響應(yīng)時(shí)間是指探測(cè)器將入射光輻射轉(zhuǎn)換為電輸出的弛豫時(shí)間。主要由三部分組成：光生少數(shù)載流子電子在吸收層的擴(kuò)散時(shí)間；電子在耗盡層的電場(chǎng)下漂移時(shí)間；由結(jié)電容和負(fù)載電阻所決定的電路時(shí)間常數(shù)

光電二極管響應(yīng)速度不僅由電子空穴的遷移時(shí)間、結(jié)的電容量所決定，也和p層、n層內(nèi)產(chǎn)生的載流子的擴(kuò)散時(shí)間有關(guān)。一般說(shuō)來(lái)，耗盡層厚則遷移時(shí)間變長(zhǎng)；耗盡層薄會(huì)使結(jié)電容量增加，響應(yīng)特性變差§4.4光電二極管的基本結(jié)構(gòu)與工作機(jī)制第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器§4.5光電二極管的等效電路一、直流等效電路光生電流

IL=If=C二極管電流If1.開(kāi)路2.

短路IfI光生電流

IL=C二極管電流輸出電流

I

=IL

3.

負(fù)載IfIRL光生電流

IL=C二極管輸出電流

I

=If

+IL

？第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器§4.5光電二極管的等效電路一、直流等效電路Rsh

RSRL非理想情況第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器§4.5光電二極管的等效電路二、交流等效電路影響？RSRshRjCjRL反偏，pn結(jié)電阻可略：CjRLRLVCC光生電流與pn結(jié)反向電流疊加VI太陽(yáng)電池第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器§4.5光電二極管的等效電路三、I-V特性（直流）1.

量子效率2.

頻率響應(yīng)見(jiàn)pin光電二極管見(jiàn)pin光電二極管缺點(diǎn)：表面反射，表面復(fù)合—影響效率寄生電阻，結(jié)電容，擴(kuò)散與中性區(qū)—影響頻率

信噪比

結(jié)構(gòu)措施§4.5光電二極管的等效電路四、光電二極管的靜態(tài)工作點(diǎn)第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器影響因素：擴(kuò)散時(shí)間（擴(kuò)散區(qū)）

10-9S

漂移時(shí)間（勢(shì)壘區(qū)）

10-11S

結(jié)電容延遲時(shí)間10-9S

§4.6pin型光電二極管一、pin型光電二極管結(jié)構(gòu)第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器-n+-Si+p-pin是在高摻雜p區(qū)和n區(qū)之間有一本征層（i區(qū)）的二極管。本征層很難實(shí)現(xiàn)，通常用高阻

p-型層或高阻n-型層代替：

pp-n---pπn;pn-n---pνn圖(a)---結(jié)構(gòu)斯示意圖

(b)---雜質(zhì)分布。pin:負(fù)電荷在p區(qū)側(cè)，正電荷在n區(qū)側(cè)pp-n---pπn:負(fù)電荷在p區(qū)側(cè)和p-，正電荷在n區(qū)側(cè)pn-n---pνn:負(fù)電荷在p區(qū)側(cè)，正電荷在n區(qū)側(cè)和n-電荷分布電場(chǎng)分布pinpp-npn-n§4.6pin型光電二極管二、pin型光電二極管電場(chǎng)分布第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器擊穿電壓高：儲(chǔ)存時(shí)間（電荷消失時(shí)間）短：εm--臨界擊穿電場(chǎng)τ—少數(shù)載流子壽命(IR>If)P+P-nP+P-nWinn-P+WiP+nQ0常規(guī)第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器單位面積勢(shì)壘電容近似常數(shù)：§4.6pin型光電二極管三、

基本特性對(duì)光電流貢獻(xiàn)區(qū)域：

中性區(qū)

擴(kuò)散區(qū)

本征區(qū)n+-Si-+pppnP

(1-R)exp(-αx)W通過(guò)調(diào)制本征區(qū)寬度：

提高量子效率；提高頻率響應(yīng)特性。第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器§4.6pin型光電二極管四、工作機(jī)制？？可略即希望光生載流子在本征區(qū)第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器-§4.6pin型光電二極管五、量子效率？？提高η和f

希望光子在本征區(qū)吸收p反射層n-+第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器P型寬帶反射層N型寬帶-+折射率半絕緣InPp+-InPp+-InGaAsPi-InGaAsn+-InGaAsP優(yōu)點(diǎn)：1、效率高；2、響應(yīng)快折射率#利用異質(zhì)結(jié)改善性能？▲結(jié)構(gòu)考慮（改善表面復(fù)合）第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器一、異質(zhì)結(jié)光電二極管異質(zhì)結(jié)光電二極管還具有以下特點(diǎn)：1.可以讓被檢測(cè)光子與電子的相互作用主要發(fā)生在窄帶側(cè)，以有效改善表面吸收效應(yīng)，提高轉(zhuǎn)換效率；2.通過(guò)對(duì)窄帶側(cè)材料的選擇與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的探測(cè)波長(zhǎng)選擇；3.異質(zhì)結(jié)就有較高載流子發(fā)射效率，因此其暗電流小。§4.7異質(zhì)結(jié)與肖特基光電二極管工作原理與前述光電二極管相同優(yōu)點(diǎn)：

1.勢(shì)壘區(qū)在表面，有效改善高能光子產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)的表面復(fù)合—轉(zhuǎn)換效率提高；

2.電容小速度高。

++++++++++++++++++++++++++++++E#如果采用金屬-本征-n+(或p+)器件性能會(huì)如何？n-Si-+第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器§4.7異質(zhì)結(jié)與肖特基光電二極管二、肖特基光電二極管#金屬-本征-半導(dǎo)體勢(shì)壘區(qū)寬—效率高；響應(yīng)速度快。++++++++++++++++++En+-Si-+---------第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器§4.7異質(zhì)結(jié)與肖特基光電二極管一、基本結(jié)構(gòu)示意圖p+-pn+n++-npp+金-半結(jié)p+nn++p+-p-n+nnp+-+pn+nn+θp+nE-θpn+EE第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器§4.8雪崩光電二極管(APD)器件偏置于臨界雪崩狀態(tài)；

光生載流子渡越空間電荷區(qū)雪崩倍增。

輸出載流子獲得增益。優(yōu)勢(shì)：有增益；噪聲低第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器§4.8雪崩光電二極管(APD)二、工作原理雪崩倍增輸出光電流與雪崩倍增前光電流比一般取100左右VRR雪崩擊穿電壓M≠CM<M2第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器§4.8雪崩光電二極管(APD)三、雪崩增益-Mph第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器四、雪崩噪聲§4.8雪崩光電二極管(APD)n+pn異質(zhì)結(jié)晶體管？增益近似為β1?β2n+pn????第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器一、雙極型光電晶體管§4.9

光電晶體管與光敏場(chǎng)效應(yīng)管1.JFETorMESFET2.MOSFET

VTn=VFB+(4ε0εsqNAVF)1/2/Cox+2VFB

VTp=VFB–(4ε0εsqNDVF)1/2/Cox–2VFBGa—0.072eV；In—0.16eVVG=Cp-SiGa-Ga-n+n+n+nP+P+d第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器二、單極型光電晶體管§4.9

光電晶體管與光敏場(chǎng)效應(yīng)管pnp基本結(jié)構(gòu)基本原理光譜響應(yīng)利用：淺結(jié)短波長(zhǎng)響應(yīng)度高深結(jié)長(zhǎng)波長(zhǎng)響應(yīng)度高不同波長(zhǎng)電流比不同1.雙結(jié)光電二極管lg(Isc2/Isc1)短路電流比第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器三、色敏光電晶體管§4.9

光電晶體管與光敏場(chǎng)效應(yīng)管2.全色光電二極管基本原理標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)根據(jù)電流比確定顏色pnpnpn玻璃紅綠藍(lán)濾三基色板非晶pn結(jié)基本結(jié)構(gòu)-+透明電極第四章半導(dǎo)體光電探測(cè)器三、色敏光電晶體管§4.9

光電晶體管與光敏場(chǎng)效應(yīng)管半導(dǎo)體光電子器件第五章：半導(dǎo)體光電荷耦合器件§5.1CCD的基本結(jié)構(gòu)§5.2CCD中電荷的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)移§5.3CCD中電荷的注入與檢測(cè)§5.4