半导体物理与器件7

光的吸收
如图显示的是半导体中的基本跃迁．当半导体被光照射后，如果光 子的能量等于禁带宽度(即hν=Eg)，则半导体会吸收光子而产生电子-空 穴对，如(a)所示．若hν大于Eg，则除了会产生电子-空穴对之外，多余 的能量(hν-Eg)将以热的形式耗散，如(b)所示。
以上(a)与(b)的过程皆称为本征跃迁， 或称为能带至能带的跃迁。
人眼的相对灵敏度
红外
FWHM
λm = 0.555 μ m
红
绿
紫
橙
黄
蓝
紫外
Si GaAs CdSe
GaP CdS
GaAs1-yPy
λ/μ m
1.0
0.8 0.7 0.6
0.5
1.2
1.6
2.0
2.4
Eg / eV
SiC
GaN ZnS
0.45
0.4
2.8
3.2
0.35 3.6
下图是平面二极管架构的可见光LED的基本结构图。其中图(a) 的截面图是以砷化镓为衬底制造的发红光的直接禁带LED。
室温下，固体内的
大多数原子处于基态。 此时若有一能量恰好等 于hν12的光子撞击此系 统，则原本处于基态的 原子将会吸收光子的能 量而跑到激发态。这一 过程称为吸收过程。
之前
E2 hυ12
E1
之后 (a) 吸收
在激发态中的原子是很不稳定的，经过短暂的时间后，不需要外来 的激发，它就会跳回基态，并放出一个能量为hν12的光子，这个过程即 称为自发辐射[图(b)]。
另一方面，若hν小于Eg，则只有在禁 带中存在由化学杂质或物理缺陷所造 成的能态时，光子才会被吸收，如(c) 所示，这种过程称为非本征跃迁。 hυ
EC
Et
(a)
(b)
(c)
Eg
因 为 光 的 本 征 吸 收 在 hν<Eg 或
EV
λ>λc时变得微不足道
截止波长
λc
=
1.24 (μm) Eg
发光二极管的主要工作过程是自发辐射， 激光二极管则是受激辐射， 光探测器和太阳能电池的工作过程则是吸收。
金属接触
p - GaAs n - GaAs
接触
横向
纵 向
L (a) 同质结激光
y z < 110 > x
图(b)是双异质结构(DH)激光，此结构类似于三明治。有一层很薄
的半导体(如GaAs)被另一种不同的半导体(如AlxGa1-xAs)所包夹。
金属接触
横向
纵 向
图(a)及图(b)所示的激光结构为大
p - GaAs n - GaAs
1. 形成分布反转，即电子在较高能级的浓度大 于在较低能级的浓度。
2. 具有共振腔，以实现光量子放大和模式选择。 3. 至少达到阈值电流密度，使增益大于或等于
损耗。
激光的工作原理
当光子的受激辐射大于对其的吸收时， 电子在较高能级的浓度大于在较低能级 的浓度，这种情况称为分布反转。
考虑简并型半导体间形成的p-n结或异 质结。这表示在结两端的掺杂能级甚 高，以致于在p型区的费米能级EFV比 价带的边缘还低，而在n型区的费米能 级EFC则高于导带的边缘，如图。当外 加一足够大的偏压时，会产生大注入 的情况，亦即会有很高浓度的电子与 空穴注入转移。结果在d区域中，导带 有大量的电子而价带则拥有大量的空 穴，这就是分布反转所需的条件。即：
第七章 光电器件
本章内容
• 辐射跃迁与光的吸收 • 发光二极管 • 半导体激光 • 光探测器 • 太阳能电池
7.1 辐射跃迁和光的吸收
辐射跃迁
光子和固体内的电子之间有三种主要的相互作用过程：吸收、自 发辐射、受激辐射。如图为在一个原于内的两个能级E1和E2，其 中E1相当于基态，E2相当于激发态，则在此两能态之间的任何跃 迁 ， 都 包 含 了 光 子 的 辐 射 或 吸 收 ， 此 光 子 的 频 率 为 ν12 ， 而 hν12=E2-E1。
以上仅介绍由无机半导体材料(如GaAsP与GaN)所制造 的器件。近年来，人们已着手研究某些有机半导体材料在电 致发光上的应用。因为有机发光二极管(OLED)具有低功率消 耗、优异的辐射品质与宽视角等特性，使它在大面积彩色平 面显示器上特别有用。
红外光发光二极管
红外光LED包括砷化镓LED(它发出的光接近0.9μm)与许多 Ⅲ-V族化合物，如四元的GaxIn1-xAsyP1-y LED(它发出的光的波 长1.1 μm ~1.6 μm)。红外光LED的一种重要应用是作为输入 (或控制信号)与输出信号去耦之用的光隔离器。
GaP CdS
GaAs1-yPy
λ/μ m
1.0
0.8 0.7 0.6
0.5
SiC
GaN ZnS
0.45
0.4
0.35
1.2
1.6
2.0
2.4
2.8
3.2
3.6
Eg / eV
可见光LED可用于全彩显示器、全彩指示器以及灯具而不 失其高效率与高可靠性。下图为两种LED灯具的构造图。每一 LED灯具包含一个LED芯片及一个着色的塑胶镜头作为滤光镜
2
红外光LED的另一个重要应用是在通信系统中通过光纤来输 运光的信号。
右图表示一种
简单的点对点光 纤通信系统，利 用一个光源(LED 或激光)可将电的 输入信号转变成 光的信号。这些 光的信号被导入 光纤并输运到光 探测器，然后再 转换回电的信号。
电输入信号
发送器
驱动电器
LED或激光
光探测器
接收器 放大器
右图所示为一光隔离器，红 外光LED作为光源，光电二 极管作为探测器。当输入信 号送到LED时，LED会产生 光线，被光电二极管探测到 后转换成电信号，以电流的 形式流过一负载电阻。因为 从输出端无电性作用反馈到 输入端，所以是电隔离的。
LED
光电二极管
I1 输入信号
I2 hυ
−+
被隔离的输 出信号 RL
当一能量为hν12的光子撞击 一原本在激发态的原子时[图c]， 此原子被激发后，会转移到基态 ，并且放出一个与入射辐射同相 位、能量为hν12的光子。这个过 程即称为受激辐射。由受激辐射 所造成的辐射是单色的，因为每 一个光子具有的能量都是hν12。 同时，此辐射也是相干的，因为 所有的光子都是同相位发射。
n3
n2 12
12
23
23
n1
(b) 波导管内光传播的轨迹
3
基本的激光器结构 ：
图(a)为基本的p-n结激光，称为同质结激光 (GaAs)。沿着垂直于＜ 110＞轴的方向劈成一对平行面，外加适当的偏压条件时，激光就 能从这些平面发射出来(图中仅示出前半面的发射)。
二极管的另外两侧则加 以粗糙化处，以消除激 光从这两侧射出的机 会，这种结构称法布里波罗腔，其典型的腔长 度L约300μm，法布里波罗腔结构被广泛地应 用在近代的半导体激光 器中。
7.4 光探测器
光探测器是一种能够将光的信号转换为电的信号的半导体 器件。 光探测器的工作包括三个步骤： ①由入射光产生载流子； ②通过任何可行的电流增益机制，使载流子传导及倍增； ③电流与外部电路相互作用，以提供输出信号。
光探测器广泛应用于包括光隔离器的红外传感器以及 光纤通信的探测器。在这些应用中，光探测器必须在所 工作的波长中具有高灵敏度、高响应速度及低噪声。另 外，光探测器必须轻薄短小、使用低电压或低电流，并 具有高可靠度。
1
7.2 发光二极管
发光二极管(LED)是一种p-n结，它能在紫外光、可见光或红外光区域 辐射自发辐射光。可见光LED被大量用于各种电子仪器设备与使用者之间 的信息传送。而红外光IED则应用于光隔离及光纤通讯方面。
可见光发光二极管：
由于人眼只对光子 能 量 hν 等 于 或 大 于 1.8eV(λ≤0.7μm)的光线 感光，因此所选择的半导 体，其禁带宽度必须大于 此极限值。右图标示了几 种半导体的禁带宽度值。
(EFC − EFV ) > E g
载流子与光学约束:如双异质结激光所示，由于双异质结势垒而使 载流子在有源区的两端都被约束住，而同质结激光的载流子则可 离开发生辐射性复合的有源区。在双异质结激光中，由于有源区 外面的折射率骤然减小，会造成光场被约束在有源区内.
右图是一个三层介质的波导管，
反射平面
其 折 射 率 分 别 为 n1,n2 和 n3 ， 其 中
金属
(b) 双异质结(DH)激光
至 30μm 。 此 长 条 形 状 的 优 点 包
氧化物 p+ − GaAs
s
括低工作电流、消除沿着结处的
p − AlxGa1−xAs p − GaAs
n − AlxGa1− xAs
d
多重发射区域以及因除掉大部分 GaAs衬底
结周围区域而提高可靠度。
L
(c) 长条状 DH 激光
y
面积激光，因为沿着结的整个区
接触
z < 110 > x
域皆可发出激光。
L
图(c)是长条形的DH激光，它除了 p - AlxGa1−xAs 长条接触区域外，皆由氧化层予 p-GaAs
(a) 同质结激光
以绝缘隔离，所以激光发射的区 n - AlxGa1−xAs
域就约束在长条状接触下面狭窄
的范围。典型的条状区宽度s约5
人眼的相对灵敏度
所以当波长由可
见光进入红外光 时 ， FWHM 将 会
增大。例如，在 λm=0.55μm(绿光) 时 FWHM 大 约 为 20nm ， 但 在 1.3μm( 红 外 光 ) 时 ， FWHM 将 超 过120nm。
红外
FWHM
λm = 0.555 μ m
红
绿
紫
橙
黄
蓝
紫外
Si GaAs CdSe
激光半导体材料
所有会发出激光的半导体材料都具有直接禁带，这是可以理 解的。因为直接禁带半导体的动量守恒，因此有较高的辐射性跃迁 几率。目前的激光波长涵盖范围可从0.3μm到超过30μm。砷化镓 是最先被发现可发出激光的材料，故与它相关连的Ⅲ-V族化合物合 金也受到了广泛的研究。
激光的发射，必须满足以下 三个基本条件：
信号还原器
电输出信号
7.3 半导体激光
激光的特性：单色光、方向性强、相干性好
半导体激光较其他激光体积小(长度约只有0.1mm)，而且在高频时易 于调制，只需要调节偏电流即可。由于这些特性，所以半导体激光 是光纤通信中最重要得光源之一。它可以应用于录像机，光学刻录 机及高速激光打印机等。除此之外，它还广泛用于许多基础研究与 技术领域，如高分辨率气体光谱学及大气污染监测等。
有源层如三明治般被夹在两个约 x d/2
束 层 之 间 (a) 。 在 n2>n1>n3 的 条 件
x
0 d/2
下，第一层和第二层界面(b)的光
n3 n2 n1
(无源区) (有源区) (无源区)
L
层 3(p - AlxGa1 xAs) 层 2(GaAs) 层 1(n - AlxGa1 xAs)
线角度θ12超过临界角。而第二层
反射平面
Γ ≈ 1 − exp(−CΔnd )
x d/2 0
x d/2
其 中 C 为 常 数 ， Δn 为 折 射 率 之 差，d为有源层的厚度。显然， Δn 与 d 愈 大 ， 约 束 因 子 就 愈 高 。
n3
(无源区)
n2
(有源区)
n1
(无源区)
L (a) 三层介质的波导管
层 3(p - AlxGa1 xAs) 层 2(GaAs) 层 1(n - AlxGa1 xAs)
图(b)则是以磷化镓为 衬底制造的发橙、黄 或绿光的间接禁带 LED,用外延方法生长 的缓变型GaAs1-yPy合 金层用来使界面间因 晶格不匹配所导致的 非辐射性中心减至最 小。
LED的发射光谱近似于人眼反应曲线。光谱的宽度是以强度半
峰值时的全宽度(FWHM，半高宽)为准。光谱宽度一般是随着λm2 变化，其中λm是强度为峰值时的波长。
(a) 三层介质的波导管
和第三层界面间的θ23也有相似的 情况发生。因此当有源层的折射 率大于周围的折射率时，光学辐
n3
n2 12
12
23
23
射就被导引(约束)在与各wenku.baidu.com界面 平行的方向上．
n1 (b) 波导管内光传播的轨迹
定义约束因子为在有源区内的光强度对有源区内外光强度总和 的比例，其大小可表示为
并增加其对比效果．
图(a)中的灯具是
使用传统的二极 管头座，而图(b)
则显示了适用于 透明性半导体(如 磷化镓)的包装， 它 可 通 过 LED 芯 片的五个面(四个 在侧边，一个在 顶部)发光。
LED芯片
负极 (−)
彩色环氧镜片
玻璃窗 金属容器 金属头座
玻璃绝缘体 正极 (＋)
人们对于发展白光LED以供一般照明之用一直保持着极 大兴趣，因为LED的效率是白炽灯泡的3倍，而且可以维持10 倍长的寿命。白光LED需要红、绿、蓝三种颜色的LED。当 这些颜色LED(尤其是蓝光LED)的成本能够降至与传统光源相 当时，白光LED的广泛使用就可实现。
光敏电阻
hυ
光敏电阻包含一个简单的半导体
平板，而在平板两端则具有欧姆
接触，如图。当入射光照到光敏 电阻表面时，会发生从能带到能 带(本征)或包含禁带能级的跃迁 (非本征)，从而产生电子-空穴 对，导致电导率增加。