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1、第八章,光电子器件,主要包括：（1）将电能转化成光能的半导体电致发光器件；（2）以电学方法检测光信号的光电探测器；（3）利用半导体内光电效应将光能转化为电能的太阳能电池。,光电子（Optoelectronics）器件是电子和光子共同起作用的半导体器件。,光电子器件的主要功能涉及到光子和半导体中电子的相互转换过程，其中广泛利用的光电效应有光电导、光伏和光电发射效应。,1 固体中的光吸收和光发射,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（optical absorption）、自发辐射（Spontaneous Radiation）和受激辐射（Stimulated radiation
2、）。,光吸收过程,光吸收过程,当半导体受到光照时，光子被吸收。(a)若光子的能量等于禁带宽度，则会产生电子空穴对；(b)若光子的能量大于禁带宽度，除了产生一个电子空穴对以外，多余的能量将作为热量耗散掉；(c)如果光子能量小于禁带宽度，则只有在禁带中存在杂质或物理缺陷引起的能态时，光子才能被吸收。,光发射过程,当电子从高能级向低能级跃迁时，释放出的能量是以光子的形式存在的，称之为发光现象。光发射的前提是需要先有某种激发机理存在，然后再通过电子从高能级向低能级的跃迁形成发光现象。前一过程称为激发过程，后一过程称为发射过程。处于激发态的系统是不稳定的，经过一段短时间后，如果没有任何外界触发，电子将从
3、激发能级回到基态能级，并发射光子，该过程为自发发射过程。在发光二极管中起支配作用的有效过程是自发发射。当光子入射到已处于激发态的系统时，位于不稳定高能级上的电子会受到激发跃迁到基态能级，并发射光子，这种过程称为受激发射过程。半导体激光器中的主要过程为受激辐射。,2 半导体发光二极管,半导体发光二极(light emitting diode,LED)管由能自发辐射紫外光、可见光或红外光的pn结构成，是目前应用最广的一种结型电致发光器件。靠正向偏置的pn结的少数载流子注入作用，使电子和空穴分别注入到p区和n区。当非平衡少数载流子与多数载流子复合时，以辐射光子的形式将多余的能量转变成光能，因此也称为
4、注入式发光二极管。发光总过程包括：载流子注入、复合辐射和光传输过程。,发光二极管的结构,发光二极管材料,发光二极管的优点,工作电压低，耗电量小；性能稳定，寿命长；易于集成；单色性好；响应速度快；抗冲击、耐振动；重量轻、体积小、成本低。,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，产生足够多的电子空穴对，导致粒子数反转（population inversion）。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，即激光器的电流密度必须大于产生受激发射
5、的电流密度阈值。,3 半导体激光器（light amplification by stimulated emission of radiation，laser）,半导体激光器的原理,PN能带,正向电压时形成的能带,半导体激光器的结构,半导体激光器的特点,它具有相干性好、方向性强、发射角小和能量高度集中等特点。此外，还具有体积小、效率高、能简单地利用调制偏置电流方法实现高频调制等独特优点。由于这些独特的性质，半导体激光器是光纤通信中最重要的光源之一。,4 光电探测器（Photoelectric Effect）,光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件。光电导 PIN光电二极管 光电二极管 光
6、电晶体管 雪崩光电二极管光电金属-半导体-金属（MSM）,基本的光电效应及光电探测器件,半导体光电探测器是用来探测光子的器件，其功能是将光信号转化成电信号，主要利用两类光电效应：光电导（photoconductive effect）和光伏效应（photovoltaic effect）。,价带中的电子在吸收光子后，若跃迁到导带，则产生电子-空穴对，或者施主能级上的束缚电子受激跃迁到导带，价带中的电子受激跃迁到受主能级，则产生自由电子或自由空穴，这些由光激发的载流子通称为光生载流子（Photo-generated Carrier）。,光电探测器的基本过程,光电探测器的三个基本过程：光子入射到半导体
7、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。,光电导效应,光生载流子将使半导体的电导率增大，这就是光电导效应；利用光电导效应的探测器称为光电导探测器。,光伏效应,光生载流子在内建电场的作用下作漂移运动，如果器件开路，则产生光生电动势，这就是光伏效应；若在外部把器件连起来，则有光电流通过。,利用光伏效应的探测器有：pn结光电二极管、PIN光电二极管、肖特基势垒二极管、雪崩倍增光电二极管、光电晶体管和光伏探测器。,光电二极管：光电二极管实际上就是一个工作在反向偏置条件下的pn结，p-i-n光电二极管是最常用的光电探测
8、器件。,雪崩光电二极管：雪崩光电二极管是借助强电场作用产生载流子倍增效应(即雪崩倍增效应)的一种高速光电器件。,CCD器件,电荷耦合器件(Charge Coupled Device，简称CCD)：70年代初由美国贝尔实验室研制成功的一种新型半导体器件。CCD器件不同于其他器件的突出特点：以电荷作为信号，即信息用电荷量(称为电荷包)代表，而其他器件则都是以电压或电流作为信号的。广泛用于影像传感、数字存储和信息处理等三个领域，其中最重要的应用是作为固态摄像器件，其次是作为存储器件。,5 太阳能电池（solar cell）,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,
