半导体光电器件基础解析

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。
§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 p ) 0
q(nn p p )
2、定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。
△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。
(x)
Iv0
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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
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 ),
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
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。
（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：
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。
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
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：
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)
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。
• 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。
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
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。