9.半导体的光电效应及应用_Xi
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
非平衡多数载流子
Ec
△n = n － n0 n0
w Eg
Ev
光照产生非平衡载流子
△n 和△p 电子空穴成对产生
p0 △p = p － p0
非平衡少数载流子
7
光电导
——
光照引起半导体载流子浓度增大，使得电导率增加
• 利用光电导效应制作光敏电阻，其电阻值随入射光的强弱而
改变的电阻器，是最为简单的光电探测器。
半导体物理（40/2.5）
（电子1201-1206）
2014-2015 第一学期 奚燕萍
1
1
2
半导体中的电子状态 半导体中载流子的统计分布 载流子输运 非平衡载流子
3
4
5
6
p－n结
金属和半导体的接触 半导体表面与MIS结构
7
8
异质结
2
9 半导体光电效应及应用
Optoelectronic effect
优势： 安全、经济 更大的带宽与更高的速率
劣势： 灯光被阻挡，网络信号将被切断； 应可与WiFi起到互补作用
智能交通系统，实现飞机内上网？
17
4. 激光二极管
•核心过程为受激辐射 •光子相关：相同频率、相位和偏振态
18
4. 激光二极管
•核心过程为受激辐射 •光子相关：相同频率、相位和偏振态
振荡三要素之一：泵浦
根据实际要求选用适当的材料来折衷。
在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工 业自 动控制、光度计量等； 在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等 方面。
9
1.2 用于光电探测的光电二极管
工作模式：pn结施加反向偏压
反向偏压时
势垒高度上升 势垒区变宽
p区
• 没有光照时，反向电流极其微弱（暗电流） • 有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的变 化引起光电二极管电流变化，光的强度越大，反向电流也越大。
半导体的光生伏特效应（Photovoltaics） 发光二极管（LED） 激光二极管（LD）
4
光子电子互作用时的主要物理过程
透明还是吸收？条件？
PD 和 Solar Cell
LED (非相干过程)
LD (相干过程)
5
光探测器主要材料的吸收特性
6
1. 半导体光电探测器
1.1 光电导与光敏电阻
光电效应
光电探测器、光伏
光能
发光、激光二极管
电能
• 光电探测器：光敏电阻、pn结光电二极管（还有pin光电 二极管、雪崩光电二极管、光电晶体管等）
光伏：太阳能电池（pn结，肖特基结，异质结） • 电致发光：发光二极管、激光二极管
3
91
半导体的光电效应
本节内容提要
光电互作用的主要物理过程 光电效应的应用 半导体光电探测器（Photodetector）
• 短路电流：随光照强度线性上升
讨论：如何提高光电转换效率（输出电功率与输入光功率之比）？
12
3. 发光二极管（LED）
“the invention of efficient blue light-emitting diodes, which has enabled bright and energy-saving white light sources.” In its media statement today announcing the Prize, the Nobel Committee noted that while “incandescent light bulbs lit the 20th Century, the 21st Century will be lit by LED lamps.” LED lighting systems will account for 74 percent of lighting sales in the United States by 2030, reducing electricity demand for lighting by nearly 50 percent in the next two decades.
导带电子注入，价带电子运出
半导体材料中电子ຫໍສະໝຸດ Baidu有动能又有势能！ 势能提供能量 动能便于电子抽运
19
4. 激光二极管
振荡三要素之二：增益（能量转化的过程）
带电粒子能量 电磁场能量 利用带电粒子动能（如行波放大器） 利用带电粒子势能
粒子数 反转
4. 激光二极管
振荡三要素之三：选频反馈机制（正反馈） FP激光器：两端镜面 DFB激光器：光栅
11
正常工作时，对外电路进行供电， 回路电流 I R I L I F
R
IR, VR
光电转换效率 (PCE)
FF I sc Voc Pin
I
Voc
I sc
I R VR FF ( Filling Factor ) Isc Voc
V • 开路电压：随光强增强而增大，但增大到pn结势垒消失时 达到饱和
www.guokr.com
13
3. 发光二极管
•核心过程为自发辐射 •光子不相干：方向不同，相位随机
LED通常由Ⅲ-Ⅳ族化合物半导体 制成的，其核心是正偏的PN结。
电子和空穴复合，经自发辐射 过程释放出光子
输出功率
注入电流
辐射复合率
非辐射复合率
总的量子效率
14
3. 发光二极管
同质结与异质结的比较
讨论：在光纤通信系统中应用时，应采用怎样的设计以实现高响 应度？或高带宽？
10
2. 半导体的光生伏特效应（以pn结为例）
太阳光
p区
空间电荷区
光照产生非子 +
n区
+ + + + + + + + + + + +
+ + +
内建电场 光生电流 I L 光生电压（相当于正偏） I F 会导致一定的正向电流
开路时，IL=IF，Voc 短路时，IF=0，IL=Isc
• 为获得更高的相对光电导，n0、p0应具有较小值，因此通常
采用高阻材料（CdS、CdSe）或者在低温下使用。
8
• 光电导灵敏度一般定义为单位光照强度所引起的光电导。
单位体积内光子的吸收率
q I n n p p
光生载流子寿命越大，灵敏度越高，但响应速度会因大的 载流子寿命而降低。 实际应用中，即要求灵敏度高，又要求响应速度快，必须
通过异质结构增加内量子效率！
15
3. 发光二极管
输出功率与光谱
16
3. 发光二极管
应用：显示、照明、光源器件（短距离低速率光纤通信系统）、LiFi等
Wireless Fidelity WiFi Light Fidelity LiFi 可见光通信
LED灯泡中增加一个微芯片，控制它每秒数 百万次闪烁，光敏传感器可接收到这些变化。 二进制的数据就被快速编码成灯光信号并进 行有效传输，便让灯泡变成无线网络发射器。 一盏1W的LED灯珠，灯光下的4台电脑即可 上网，最高速率可达3.25G，平均上网速率 达到150M。
FP激光器输出光功率及光谱
21
高速直接调制激光器（光纤通信系统核心光源器件）
分析方法： 1）静态 2）小信号 3）大信号
实现光强度调制的最简单的方式 优点：结构紧凑，功耗低，成本低
22
Ec
△n = n － n0 n0
w Eg
Ev
光照产生非平衡载流子
△n 和△p 电子空穴成对产生
p0 △p = p － p0
非平衡少数载流子
7
光电导
——
光照引起半导体载流子浓度增大，使得电导率增加
• 利用光电导效应制作光敏电阻，其电阻值随入射光的强弱而
改变的电阻器，是最为简单的光电探测器。
半导体物理（40/2.5）
（电子1201-1206）
2014-2015 第一学期 奚燕萍
1
1
2
半导体中的电子状态 半导体中载流子的统计分布 载流子输运 非平衡载流子
3
4
5
6
p－n结
金属和半导体的接触 半导体表面与MIS结构
7
8
异质结
2
9 半导体光电效应及应用
Optoelectronic effect
优势： 安全、经济 更大的带宽与更高的速率
劣势： 灯光被阻挡，网络信号将被切断； 应可与WiFi起到互补作用
智能交通系统，实现飞机内上网？
17
4. 激光二极管
•核心过程为受激辐射 •光子相关：相同频率、相位和偏振态
18
4. 激光二极管
•核心过程为受激辐射 •光子相关：相同频率、相位和偏振态
振荡三要素之一：泵浦
根据实际要求选用适当的材料来折衷。
在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工 业自 动控制、光度计量等； 在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等 方面。
9
1.2 用于光电探测的光电二极管
工作模式：pn结施加反向偏压
反向偏压时
势垒高度上升 势垒区变宽
p区
• 没有光照时，反向电流极其微弱（暗电流） • 有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的变 化引起光电二极管电流变化，光的强度越大，反向电流也越大。
半导体的光生伏特效应（Photovoltaics） 发光二极管（LED） 激光二极管（LD）
4
光子电子互作用时的主要物理过程
透明还是吸收？条件？
PD 和 Solar Cell
LED (非相干过程)
LD (相干过程)
5
光探测器主要材料的吸收特性
6
1. 半导体光电探测器
1.1 光电导与光敏电阻
光电效应
光电探测器、光伏
光能
发光、激光二极管
电能
• 光电探测器：光敏电阻、pn结光电二极管（还有pin光电 二极管、雪崩光电二极管、光电晶体管等）
光伏：太阳能电池（pn结，肖特基结，异质结） • 电致发光：发光二极管、激光二极管
3
91
半导体的光电效应
本节内容提要
光电互作用的主要物理过程 光电效应的应用 半导体光电探测器（Photodetector）
• 短路电流：随光照强度线性上升
讨论：如何提高光电转换效率（输出电功率与输入光功率之比）？
12
3. 发光二极管（LED）
“the invention of efficient blue light-emitting diodes, which has enabled bright and energy-saving white light sources.” In its media statement today announcing the Prize, the Nobel Committee noted that while “incandescent light bulbs lit the 20th Century, the 21st Century will be lit by LED lamps.” LED lighting systems will account for 74 percent of lighting sales in the United States by 2030, reducing electricity demand for lighting by nearly 50 percent in the next two decades.
导带电子注入，价带电子运出
半导体材料中电子ຫໍສະໝຸດ Baidu有动能又有势能！ 势能提供能量 动能便于电子抽运
19
4. 激光二极管
振荡三要素之二：增益（能量转化的过程）
带电粒子能量 电磁场能量 利用带电粒子动能（如行波放大器） 利用带电粒子势能
粒子数 反转
4. 激光二极管
振荡三要素之三：选频反馈机制（正反馈） FP激光器：两端镜面 DFB激光器：光栅
11
正常工作时，对外电路进行供电， 回路电流 I R I L I F
R
IR, VR
光电转换效率 (PCE)
FF I sc Voc Pin
I
Voc
I sc
I R VR FF ( Filling Factor ) Isc Voc
V • 开路电压：随光强增强而增大，但增大到pn结势垒消失时 达到饱和
www.guokr.com
13
3. 发光二极管
•核心过程为自发辐射 •光子不相干：方向不同，相位随机
LED通常由Ⅲ-Ⅳ族化合物半导体 制成的，其核心是正偏的PN结。
电子和空穴复合，经自发辐射 过程释放出光子
输出功率
注入电流
辐射复合率
非辐射复合率
总的量子效率
14
3. 发光二极管
同质结与异质结的比较
讨论：在光纤通信系统中应用时，应采用怎样的设计以实现高响 应度？或高带宽？
10
2. 半导体的光生伏特效应（以pn结为例）
太阳光
p区
空间电荷区
光照产生非子 +
n区
+ + + + + + + + + + + +
+ + +
内建电场 光生电流 I L 光生电压（相当于正偏） I F 会导致一定的正向电流
开路时，IL=IF，Voc 短路时，IF=0，IL=Isc
• 为获得更高的相对光电导，n0、p0应具有较小值，因此通常
采用高阻材料（CdS、CdSe）或者在低温下使用。
8
• 光电导灵敏度一般定义为单位光照强度所引起的光电导。
单位体积内光子的吸收率
q I n n p p
光生载流子寿命越大，灵敏度越高，但响应速度会因大的 载流子寿命而降低。 实际应用中，即要求灵敏度高，又要求响应速度快，必须
通过异质结构增加内量子效率！
15
3. 发光二极管
输出功率与光谱
16
3. 发光二极管
应用：显示、照明、光源器件（短距离低速率光纤通信系统）、LiFi等
Wireless Fidelity WiFi Light Fidelity LiFi 可见光通信
LED灯泡中增加一个微芯片，控制它每秒数 百万次闪烁，光敏传感器可接收到这些变化。 二进制的数据就被快速编码成灯光信号并进 行有效传输，便让灯泡变成无线网络发射器。 一盏1W的LED灯珠，灯光下的4台电脑即可 上网，最高速率可达3.25G，平均上网速率 达到150M。
FP激光器输出光功率及光谱
21
高速直接调制激光器（光纤通信系统核心光源器件）
分析方法： 1）静态 2）小信号 3）大信号
实现光强度调制的最简单的方式 优点：结构紧凑，功耗低，成本低
22