現(xiàn)代電子技術(shù) 作者 龔建榮 殷曉瑩 第5章 光電子技術(shù)

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1、第5章光電子技術(shù)5.1固體的光吸收5.2pn結(jié)光生伏特效應(yīng)和太陽(yáng)能電池5.3非增益型半導(dǎo)體光電探測(cè)器5.4增益型和異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體光電探測(cè)器5.5固體的光發(fā)射5.6發(fā)光二極管5.7半導(dǎo)體激光器固體受光照射時(shí)引起光吸收，從而改變電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即產(chǎn)生光電效應(yīng)；反之，在電場(chǎng)作用下，固體中的電子在能級(jí)間躍遷引起光輻射，即產(chǎn)生發(fā)光效應(yīng)。5.1固體的光吸收5.1.1光吸收5.1.2光吸收過(guò)程5.1.3電子—空穴對(duì)產(chǎn)生速率根據(jù)波粒二象性原理，光波在一定場(chǎng)合表現(xiàn)出粒子性質(zhì)，稱(chēng)為光子（photon），光子能量E=h?，h是普朗克（Planck）常數(shù)，?為光的頻率。光

2、子與半導(dǎo)體會(huì)發(fā)生相互作用，視半導(dǎo)體能級(jí)Eg和光子能量h?的相對(duì)大小，這種作用存在幾種可能h?＜Eg的光子與晶格相互作用，光子能量變成晶格熱能；光子與施主或受主雜質(zhì)原子相互作用；光子與半導(dǎo)體內(nèi)缺陷發(fā)生相互作用。但h?≥Eg是最為重要的，光子將與半導(dǎo)體價(jià)電子相互作用，當(dāng)光子與價(jià)電子發(fā)生碰撞，光子將能量轉(zhuǎn)移給電子，當(dāng)能量足夠大時(shí)，價(jià)電子躍遷到導(dǎo)帶。這一過(guò)程產(chǎn)生了電子空穴對(duì)，因而建立起非平衡載流子濃度。5.1.1光吸收光照射半導(dǎo)體，一部分光子在半導(dǎo)體表面反射，一部分光子在半導(dǎo)體內(nèi)傳播時(shí)被吸收。半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)決定了入射光的反射，透射和吸收。固體的宏觀光學(xué)

3、性質(zhì)可用折射率n和消光系數(shù)k來(lái)表征。圖5-1半導(dǎo)體微分元長(zhǎng)度內(nèi)的光吸收?qǐng)D5-2典型半導(dǎo)體的吸收系數(shù)?（?）圖5-3人眼響應(yīng)函數(shù)和半導(dǎo)體材料光譜5.1.2光吸收過(guò)程由于一般光子的動(dòng)量（波長(zhǎng)為幾千?）同能帶中電子的動(dòng)量（電子的德布羅衣波長(zhǎng)一般為10-8cm量級(jí)）相比是很小的，所以上式近似成k′=k。滿(mǎn)足此式的躍遷，電子動(dòng)量實(shí)際上沒(méi)有變化，波矢保持不變。這類(lèi)只包含電子和光子的躍遷稱(chēng)為直接躍遷。Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體如GaAs和InP等，其導(dǎo)帶最小值和價(jià)帶最大值對(duì)應(yīng)于相同的波矢，即k空間原點(diǎn)，稱(chēng)為直接帶隙半導(dǎo)體，在這種半導(dǎo)體中，電子因本征吸收光子產(chǎn)生躍遷，這種叫

4、直接躍遷。另一些半導(dǎo)體如Ge，Si，GaP等，其導(dǎo)帶最小值和價(jià)帶最大值對(duì)應(yīng)的波矢不同，這類(lèi)半導(dǎo)體稱(chēng)為間接帶隙半導(dǎo)體，即使光子不能使電子的動(dòng)量發(fā)生改變，電子躍遷也可能出現(xiàn)動(dòng)量的變化，在這種過(guò)程中有聲子（phonon）參與，即能量傳遞給晶格原子，或被晶格原子所吸收，這種躍遷稱(chēng)為間接躍遷。在間接躍遷中，動(dòng)量守恒關(guān)系可由下式表示光被半導(dǎo)體吸收的過(guò)程，除了上述兩種，還有下述兩種。（1）激子吸收（2）自由載流子吸收5.1.3電子—空穴對(duì)產(chǎn)生速率5.2pn結(jié)光生伏特效應(yīng)和太陽(yáng)能電池5.2.1基本原理5.2.2光電池的I-V特性5.2.3太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率

5、5.2.4非均勻吸收效應(yīng)5.2.5新結(jié)構(gòu)Si太陽(yáng)能電池5.2.6異質(zhì)結(jié)肖特基勢(shì)壘和MIS太陽(yáng)能電池5.2.7薄膜太陽(yáng)能電池圖5-4帶有負(fù)載的pn結(jié)太陽(yáng)能電池5.2.1基本原理圖5-55.2.2光電池的I-V特性圖5-6pn結(jié)太陽(yáng)能電池的I-V特性圖5-7太陽(yáng)能電池I-V特性的最大功率矩形5.2.3太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率太陽(yáng)光譜具有很寬的波長(zhǎng)范圍。圖5-8太陽(yáng)輻射譜太陽(yáng)光通過(guò)的空氣量稱(chēng)為大氣質(zhì)量（簡(jiǎn)寫(xiě)AM）。把太陽(yáng)當(dāng)頂時(shí)垂直于海平面的太陽(yáng)光輻射穿過(guò)的大氣高度作為一個(gè)大氣質(zhì)量，而太陽(yáng)在任意位置時(shí)的大氣質(zhì)量m定義為，從海平面看太陽(yáng)光通過(guò)大氣的距離與太

6、陽(yáng)在垂直海平面位置時(shí)通過(guò)大氣的距離之比，則m=1/sin?，?為天頂角。太陽(yáng)在垂直海平面位置時(shí)的大氣質(zhì)量為1，稱(chēng)為AM1。太陽(yáng)在正南時(shí)天頂角約為30°，稱(chēng)為AM2。圖5-9大氣質(zhì)量（AM）示意圖圖5-10太陽(yáng)能電池的等效率線圖5-11T=300K太陽(yáng)能電池的理想效率與Eg的關(guān)系5.2.4非均勻吸收效應(yīng)圖5-12兩種入射波長(zhǎng)下pn結(jié)太陽(yáng)能電池中穩(wěn)態(tài)光生少子濃度分布（歸一化值）圖5-13常規(guī)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)5.2.5新結(jié)構(gòu)Si太陽(yáng)能電池為了提高入射光能的利用率，除了在半導(dǎo)體表面涂上減反射膜外，還可把電池表面作成絨面或V形槽，絨面太陽(yáng)能電池是在〈100〉

7、取向的Si表面用擇優(yōu)腐蝕方法制成一個(gè)個(gè)由〈111〉小平面圍成的小四角錐體。圖5-14絨面太陽(yáng)能電池的絨面示意圖5.2.6異質(zhì)結(jié)肖特基勢(shì)壘和MIS太陽(yáng)能電池圖5-15AlGaAs/GaAs太陽(yáng)能電池的譜響應(yīng)肖特基勢(shì)壘太陽(yáng)能電池具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）不必經(jīng)高溫?cái)U(kuò)散，制作溫度低；（2）適用于多晶硅和薄膜太陽(yáng)能電池；（3）由于收集勢(shì)壘接近表面，增強(qiáng)了抗輻射性能；（4）薄金屬減少表面復(fù)合。5.2.7薄膜太陽(yáng)能電池單晶硅太陽(yáng)能電池成本高，而且直徑限于15cm。作為能源系統(tǒng)的太陽(yáng)能電池，一般需要大面積以產(chǎn)生大功率，而多晶或非晶硅太陽(yáng)能電池價(jià)廉且面積大。圖5-

8、16非晶硅的態(tài)密度ρ(E)（a）非晶硅PIN太陽(yáng)能電池的截面圖（b）平衡能帶圖（c）光照下能帶圖圖5-17圖5-17所示的非晶硅太陽(yáng)能電