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半导体光电器件基础解析


§1.2 半导体的光电导
1、附加电导率
0 q(nn0 p p0 ) q[n (n0 n) p ( p0 p)]
q(nn0 p p0 ) q(nn p 态光电导及其弛豫过程
(1)定态光电导( △σs ):恒定光照下产生的光电导。
2、光电池(太阳电池)及光电二极管的基本原理
hv
p
IF I
IL
n
E自
3、光电池的电流电压特性
ns In , p I p
则定态光电导为:
s qI (nn p p )
△n
△n =βαI t
△ns
t
光生载流子浓度随时间的变化
(2)光电导弛豫现象
光照下光电导率逐渐上升和光照停止后光电导率逐 渐下降的现象,称为光电导弛豫现象。
• 小注入情况光电导上升和下降函数为:
t
s (1 e ),
7.41109 s
光电导增益:
ph
n t
(1
p n
)
106 7.41109
(1
480 ) 1350
1.83102
光电导增益与频率相应的开关速度矛盾,须折衷考虑。
4、复合和陷阱效应对光电导的影响
(1)复合对光电导的影响
(2)陷阱效应对光电导的影响
少数载流子陷阱作用:增加定态光电导灵敏度; 多数载流子陷阱作用:使光电导弛豫时间增长。
(2)光电导增益因子 G n , t
l2 t nV
流过半导体的电流密度: J (J0 J L ) (0 )E
均匀光照,即稳态情况下: n GLn
光生电流为: IL J L A AE qGLn (n p ) AE
如电子迁移率为μn,电极间距为l,则渡越时间为:
t
l nE
光电导增益为:
设 I 表示以光子数计算的光强度,α为样品的吸收系数, 则单位时间单位体积内吸收的光能量与光强度 I 成正比。
dI I dx
αI 等于单位体积内光子的吸收率,从而电子-空穴对的 产生率可写为:
Q I
β为量子产额
t 时刻光生载流子的浓度为:
n p It
设光生电子和空穴的寿命分别为τn和τp,则定态光生载 流子浓度为:
(x)
Iv0
Iv(x)
Iv(x)+dIv(x)
积分得, Iv (x) Iv0ex
式中
2k 4k
k是媒质的消 dx
c
光系0 数。
x
α为吸收系数,表示单位距离的光吸收。单位:cm-1。
Iv Iv0
α4 α3 α2
α4>α3>α2>α1
α1
0
x
不同吸收系数光强与距离的关系
2、反射系数与透射系数
半导体光电器件基础
学习重点:
1、半导体的光吸收 2、半导体光生伏特效应 3、半导体发光
§1.1 半导体的光吸收
1、光吸收系数
媒质中光的衰减与光强度成正比,
Iv
(x
dx)
Iv
(x)
dIv (x) dx
光在媒质中传播1/α距
d离x时 能量Iv减(x弱)d到x 原来
能量的1/e。
dIv (x) dx
Iv
• 激子消失途径
(3)自由载流子吸收 自由载流子在同一带内的跃迁所引起的吸收,称为自由
载流子吸收。 (4)杂质吸收
束缚在杂质能级上的电子吸收光子跃迁到导带能级;空 穴吸收光子而跃迁到价带,这种光吸收称为自由杂质吸收。
h0 EI
EI为杂质能级上电子或空穴的电离能。
(5)晶格振动吸收
光子能量直接转换为晶格振动动能的吸收,称为晶格振 动吸收。
△σ
t
se
△σs
01 2 3 0 1 2 3
t
(上升时间)
(下降时间)
光电导的弛豫过程
• 强注入情况光电导上升和下降函数为:
n
I
1/ 2
tgh
(Ir)1/ 2 t
r
n
r I
1 1/ 2
rt
I r
1/ 2
1
1
(
Ir)1/
2
t
3、光电导灵敏度及光电导增益
(1)光电导灵敏度:单位光照度引起的光电导。
h h 0 Eg
h 0:能够引起本征吸收的最低限度光子能量。 0 c / 0:称为半导体的本征吸收限。
hc
1.24
0 Eg (eV ) Eg (eV ) (m)
半导体禁带宽度Eg与λ0的对应关系
• 直接跃迁 电子跃迁的选择定则:电子吸收光子产生跃迁时波矢保
持不变。 直接跃迁:本征吸收过程中,保持电子波矢不变的跃迁
称为直接跃迁。
• 间接跃迁 间接跃迁:本征吸收过程中,除了吸收光子外还与晶格
交换能量的非直接跃迁称为间接跃迁。
几种不同半导体的吸收系数与波长的关系
(2)激子吸收
当光子能量小于半导体禁带宽度时,价带电子受激发后 虽然跃出了价带,但还不足以进入导带而成为自由电子,仍 然受到空穴的为库仑场作用。受激电子和空穴互相束缚而结 合在一起成为一个新的系统,这种系统称为激子。这样的光 吸收称为激子吸收。
将电能转换成光能的器件,如发光二极管(LED)和激光 二极管。
§1.3 半导体光生伏特效应
1、p-n结的光生伏特效应
p-n结势垒区中存在的由n区指向p区的内建电场作用于 结两边的光生少子,各自向相反方向运动:p区的电子穿过 p-n结进入n区;n区的空穴进入p区,p端电势升高,n端电 势降低,于是p-n结两端产生光生电动势,这就是p-n结的 光生伏特效应。
IL
ph
qGILLnt
qGL Al
(1 p ) Al
n(1n p
t
n
)
例题:计算硅光电导体的增益。 n型硅,长度l = 100 um,横 截面A=10-7cm2 ,少子寿命 p=10-6s,所加电压 V=10 (V)。
解:
电子渡越时间为:
t
l nE
l2 nV
(100104 )2 (1350)(10)
反射系数:R
(n 1)2 (n 1)
k2 k2
透射系数:T 透射光强度 (1 R)2 ed 入射光强度
RI v0
(1 R)Iv0 Iv0
R(1
R)I
ed
v0
(1 R)2 Iv0ed
(1 R)Iv0ed
3、半导体的光吸收
(1)本征吸收
半导体中电子通过导带与价带之间的跃迁所形成的吸 收过程称为本征吸收。
5、本征光电导的光谱分布
对应于不同的波长,光电导响应灵敏度的变化关系。
6、杂质光电导
光照使束缚于杂质能级上的电子或空穴电离,因而增加 了导带或价带的载流子浓度,产生杂质光电导。
半导体光电器件的类型
补充内容
光电转换目的是探测或获取光能信息。如pn结光电二极 管、PIN光电二极管、雪崩二极管等。
光电转换的目的是产生能量,这种器件称为光电池,或太 阳能电池。
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