《微电子学概论》第八章光电子器件1-精选（公开课件）.ppt

光电子器件 光电子器件：光子和电子共同作用的半导体器件 发光器件：将电能转换为光能 发光二极管(Light Emitting Diode，缩写为LED) 半导体激光器 光电探测器：利用电子学方法检测光信号的 太阳能电池：将光能转换为电能 OUTLINE 固体中的光吸收和光发射 半导体发光二极管 半导体激光器 光电探测器 半导体太阳能电池 光具有波粒二象性 在固体中，光子和电子之间的相互作用有三种基本过程： 光吸收 自发发射 受激发射 OUTLINE 固体中的光吸收和光发射 半导体发光二极管 半导体激光器 光电探测器 半导体太阳能电池 半导体电致发光有着悠久的历史 1907年观察到电流通过硅检波器时发黄光现象 1923年在碳化硅检波器中观察到类似的现象 1955年观察到III-V族化合物中的辐射 1961年观察到磷化镓pn结的发光 60年代初期GaAs晶体制备技术的显著发展 1962年制成GaAs发光二极管和GaAs半导体激光器 异质结的发展对结型发光器件性能的提高也起了很大的推进作用 OUTLINE 固体中的光吸收和光发射 半导体发光二极管 半导体激光器 光电探测器 半导体太阳能电池 半导体发射激光，即要实现受激发射，必须满足下面三个条件： 通过施加偏压等方法将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带，建立粒子数反转分布，以产生受激辐射 形成光谐振腔，使受激辐射光子增生，产生受激振荡，导致产生的激光沿谐振腔方向发射 满足一定的阈值条件，使电子增益大于电子损耗，以产生自激振荡 条件1：粒子数反转分布 设在单位物质中低能级电子数和高能级电子数分别为N1和N2 物质在正常状态下N1＞N2，受激吸收与受激辐射的速率分别比例于N1和N2且比例系数相等，此时光通过该物质时，光强会衰减，物质为吸收物质。 若N2＞N1，受激吸收小于受激辐射，光通过该物质时，光强会放大，该物质成为激活物质。N2＞N1的分布与正常状态相反，故称为粒子数反转分布。 增益区（粒子数反转分布区）的产生： PN结界面上由于多数载流子扩散运动形成内部空间电场区，该电场导致载流子的漂移运动，无外加电压时，两种运动处于平衡状态，能带发生倾斜。当外加正向电压时， 内部电场被削弱，扩散运动加强，能带倾斜减小，在PN结形成一个增益区（粒子数反转分布区），高浓度的电子和空穴进入激发态，可产生自发辐射。 条件2：激光振荡和光学谐振腔 激光振荡的产生： 粒子数反转分布（必要条件)＋激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择=连续的光放大和激光振荡输出（维持自激振荡）。 光学谐振腔——由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成。腔内物质具备粒子数反转分布，可用其产生的自发辐射光作入射光，经反射镜反射沿轴线方向传播的光被放大，沿非轴线方向传播的光被减弱，反射光经反射镜多次反射不断被放大，方向性不断改善，使增益大幅度提高。 OUTLINE 固体中的光吸收和光发射 半导体发光二极管 半导体激光器 光电探测器 半导体太阳能电池 光电探测器 光电探测器：利用入射光子与半导体中处于束缚态的电子(或空穴)相互作用，将它们激发为自由态，引起半导体的电阻降低或者产生电动势 光子探测器的三个基本过程： 光子入射到半导体中并产生载流子 载流子在半导体中输运并被某种电流增益机构倍增 产生的电流与外电路相互作用，形成输出信号，从而完成对光子的探测 内光电效应 光电导效应：光生载流子改变半导体的电阻率 光伏特效应：光生电子和空穴在内建电场作用下作漂移运动，如器件开路，在在器件两端产生光生电动势 光敏电阻（光电导探测器）：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 OUTLINE 固体中的光吸收和光发射 半导体发光二极管 半导体激光器 光电探测器 半导体太阳能电池 半导体太阳能电池 吸收光辐射而产生电动势，它是半导体太阳能电池实现光电转换的理论基础 产生光生伏特效应的两个基本条件： 半导体材料对一定波长的入射光有足够大的光吸收系数，即要求入射光子的能量h?大于或等于半导体的禁带宽度Eg 具有光生伏特结构，即有一个内建电场所对应的势垒区 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 作业 解释半导体发光二极管的工作原理 解释半导体激光器必须具备的三个基本条件 下一页 上一页 固体中的光吸收和光发射 两个能级之间的三种基本跃迁过程 (a) 吸收 (b) 自发发射 (c) 受激发射 光电效应 光电效应 用光照射某一物体，可以看做是一连串能量 光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给 电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一 个电子所吸收（根据爱因斯坦假设），电子得到 光子传递的能量后其能态发生变化，从而使受光 照射