半導體光電器件原理及參數(shù)簡介

《半導體光電器件原理及參數(shù)簡介》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內容在教育資源-天天文庫。

1、半導體光電器件原理及參數(shù)簡介????半導體光電子器件包括將電能轉換成光能的發(fā)光器件和將光能轉換成電能的光電探測器件。光電器件種類很多，發(fā)光器件有發(fā)光二極管（Ｌｉｇｈｔ?。臡ｉｔｔｉｎｇ?。模椋铮洌澹喎QＬＥＤ）、半導體激光器（Ｌａｓｅｒ　Ｄｉｏｄｅ，簡稱ＬＤ）等，光電探測器件有光電二極管或稱光敏二極管（ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ　?or??ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｄｉｏｄｅ）、太陽電池（ｓｏｌａｒ?。悖澹欤欤┑?。它們與集成電路的結合出現(xiàn)了各種光電耦合器件，智能顯示器件，專用光傳感器，電荷耦合攝像器件，各種光電子模塊等等。半導體光電器件廣泛地應用在光通信、激光、數(shù)字圖像顯示、自動控制、

2、計算機、國防等領域，在２１世紀將獲得更迅速的發(fā)展和更廣泛的應用。１．　物理基礎●電子、空穴與能帶半導體是由大量原子組成的晶體，由于原子之間距離很近，相鄰原子上的電子軌道將發(fā)生一定程度的交迭，電子不再屬于某個原子而可以穿行于整個晶體，由此導致了原子能級分裂為能帶。以最常用的半導體硅為例，硅的最外層有４個價電子，每個硅原子近鄰有４個硅原子，這樣每兩個相鄰原子之間有一對電子，它們與兩個原子核都有吸引作用，稱為共價鍵。它們所處的能帶為價帶，比價帶能量更高的能帶是導帶，它們中間隔著不允許存在的能量狀態(tài)區(qū)域稱為禁帶。當共價鍵內的束縛電子獲得足夠能量（例如熱能，光能），可以擺脫共價鍵的束縛成為自

3、由電子，我們稱此時價帶中的電子躍遷到了導帶。電子躍遷后，在原來的位置上留下了一個空位—“空穴”，鄰鍵上的電子隨時可以轉移過來填補這個空位，共價鍵中這種束縛電子的移動用“空穴”的移動來表示。自由電子和空穴都能參與導電，統(tǒng)稱為載流子?！耠娮榆S遷與吸收波長、發(fā)光波長電子的躍遷是和能量的交換分不開的。電子必須吸收能量才能從低能級躍遷到高能級，電子從高能級躍遷到低能級則必須放出多余的能量。電子躍遷過程中交換的能量若是熱運動的能量，稱為熱躍遷，若是光的能量，稱為光躍遷。半導體光電器件的原理就是基于光躍遷的。電子作光躍遷的過程中，光的吸收和發(fā)射都是取光子的形式。光子的能量由光的頻率ν或波長λ決定：

4、光子能量＝ｈ=其中普朗克常數(shù)ｈ＝４．１４×１0－15電子伏·秒（ｅＶ·ｓ），光速ｃ＝２．９９８×１014微米／秒（μm／ｓ），電子由價帶躍遷到導帶需要吸收的光子能量必須等于或大于禁帶寬度（或稱帶隙）Ｅｇ，所以可以從帶隙換算出相應吸收光的光子波長：ｈ=≥Eg,??∴λ≤　　若以ｅＶ，μM作為能量和長度的單位，則吸收波長：λ［μm］≤　　光的發(fā)射與吸收實際上是逆過程，電子從導帶躍遷到價帶放出的光子能量必須等于或小于Ｅｇ，同樣地可以推得發(fā)光波長：λ［μm］≥在半導體中，電子在導帶和價帶之間的躍遷為本征躍遷，也可以通過位于禁帶之中的雜質能級躍遷。不同半導體材料的能帶結構有差別，價帶頂和導帶底

5、在自由電子波矢量ｋ空間中處于同一ｋ值的為直接帶隙，不在同一ｋ值的為間隙帶隙。對直接帶隙半導體，電子在導帶極小和價帶極大之間的躍遷可以直接進行，這種躍遷幾率大大于后者，因為后者的躍遷需要有聲子的參與。直接帶隙半導體材料有ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＮ，ＩｎＮ，ＧａＳｂ等和所有Ⅱ—Ⅵ族化合物半導體，間接帶隙半導體材料有Ｓｉ，Ｇｅ和Ⅲ—Ⅴ族化合物中ＧａＰ，ＡｌＰ，ＡｌＡs等?！窆怆娖骷χ苽湫酒牧系囊蠊怆娖骷ぷ鞯墓獠ㄩL通常在可見光、紅外光、紫外光范圍，它們對半導體材料主要有以下要求：①　帶隙合適。如果帶隙不合適可采用多元合金（或稱混晶），改變其元素組分值可將帶隙調節(jié)到所需要的范圍。例如

6、可見光的波長限為３80ｎM（紫光）～７６0ｎM（紅光），相對應的帶隙為３．２６～１．６３ｅＶ，若選用ＧａＡｓ來制備紅色ＬＥＤ是不行的，因其帶隙Ｅｇ為１．４３ｅＶ，只能發(fā)近紅外光，可用Ｇａ0．65Ａｌ0．35Ａｓ三元合金（Ｅｇ為１．８８ｅＶ）來制備。②　晶體質量優(yōu)良。晶體雜質、缺陷少，可以提高少數(shù)載流子壽命，從而提高發(fā)光或探測效率。③　能通過摻雜形成高電導率的ｐ型和ｎ型，以便制成ｐｎ結。④　為了提高發(fā)光或探測效率，應盡量采用電子躍遷幾率大的直接帶隙半導體，如ＧａＡｓ。對間接帶隙半導體要摻入等電子陷阱雜質，以形成發(fā)光幾率大的高濃度發(fā)光中心，如ＧａＰ中摻入Ｎ，Ｚｎ-Ｏ對等，通過雜質的躍遷發(fā)

7、光?！　。玻l(fā)光二極管的原理和參數(shù)發(fā)光二極管用ＧａP，Ｇａ1-xＡｌxＡｓ，ＧａＡｓ1-xＰx，ＧａＡｓ等半導體材料制備，管芯通常采用ｐｎ結結構。發(fā)光二極管在正向偏置電壓下工作。當ｐｎ結加上正壓，將發(fā)生注入，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子發(fā)生復合，即電子從高能級躍遷到低能級，必將放出多余的能量——相應波長的光。圖６．２-９是發(fā)光二極管在正偏ＶF工作時的能帶示意圖。發(fā)光二極管的參數(shù)分為極限參數(shù)、電參數(shù)、光參數(shù)和效率參數(shù)等。下面介紹經常用到的主要參數(shù)：①　極限