半导体器件原理 第七章
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区也存在电场。入射光照射 能够在空间电荷区产生电子空穴对，它们将被扫到结两
带有负载的pn结太阳能电池
边，形成相反方向的光电流
IL。
P-N结的光生伏特效应
P-N 结光生伏特效应就是半导体吸收光能后在 P-N 结上 产生光生电动势的效应。光生伏特效应涉及到以下三个主 要的物理过程：
一．半导体材料吸收光能产生出非平衡的电子—空穴对； 二．非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区的扩散和
7.1 半导体的光吸收
硅和砷化镓 可以完全吸 收可见光
光谱与波长和禁带宽度之间的关系
7.1.2 电子-空穴对的产生率
光能大于Eg时，光子能够被半导体吸收，从而产生电 子-空穴对
1、单位体积吸收的能量：
E( x) I ( x)
2、电子-空穴对的产生率：
I ( x)
单位体积
I ( x ) g' ( x ) h
光波长范围（大气窗口）：
紫外光： 300nm 390nm 可见光： 390nm 780nm
近红外： 1m 3m 中红外： 3m 5m 远红外： 8m 14m
7.1.1 光子吸收系数
假设半导体被一光子能量hυ 大于禁带宽度的光 源均匀照射。
从紫外区到红外区的电磁波谱图
7.1.1 光子吸收系数
当一定波长的光照射半 导体时，若 h >Eg则 价带电子吸收光子跃迁 到导带。这种电子由带 与带之间的跃迁所形成 的吸收过程，称为本征 吸收。 本征吸收发生的条件：
h
c hν hυ0 h Eg λ0
7.1 半导体的光吸收
即：光子的频率下限 当
0
半导体器件原理
Principles of Semiconductor Devices
刘宪云 逸夫理科楼229室
半导体器件原理
第七章 光器件 Optical Devices
半导体光电器件
前面讨论了用于放大或者转换电信号的晶体管的基本 物理结构。半导体同样可以设计和生产出探测和产生光 信号的器件。 光电二极管： 把光子能量转换为电能，目的是探测或 获取光信息。 太阳能电池： 把光子能量转换为电能，目的是产生电 能。 发光二极管（LED）： 光子发射是由于电子从导带向 价带的自发跃迁，导致很宽的光谱输出带宽。 激光二极管：改进的LED，带宽很窄且光子输出连续
3、过剩载流子浓度：
n g' ( x) n
第七章：光器件
7.1 光学吸收 7.2 太阳能电池 7.3 光电探测器 7.4 光致发光和电致发光 7.5 发光二极管 7.6 激光二极管*
7.2 太阳能电池 pn结太阳能电池
太阳能电池是一种在pn结处没有施加电压的半导体 器件
即使施加0偏压，在空间电荷
L
光电导率（电导率的变化量）：
0 e(n p )p
光电电流：
面积A
I L J L A E A e( n p )GL p AE
7.3.1 光电导体
光电电流： I L e(n p )GL p AE L 电子 漂移 t n E n
光子的波长和能量具有如下关系：
hc hc 1.24 m h E E
c
几种可能的光电半导体的作用机理：
光子和晶格作用，将能量转换为焦耳热；
光子与杂质、施主或者受主作用；
与半导体内部缺陷作用； 最容易与价电子作用，释放出的能量足够将电
子激发到导带。这样就产生了电子-空穴对，形 成过剩载流子浓度。
光信号打在光电二极管上时，耗尽区会将由光产
生的电子-空穴对分离，有电流输出到外电路。
距离耗尽层边界不超过一个扩散长度的准中性区
中，产生的少子可以在足够长的时间内扩散到耗
尽区。然后被结电场扫到结的另一边。
光电二极管工作原理：光照反偏PN结，产生的光 生载流子被空间电荷区电场漂移形成反向电流。
纤通讯领域中采用最多。
半导体材料的响应截止波长G=1.24/EG，不同的 材料可做不同波段的光电二极管。 Si的禁带宽度 1.12eV,响应截止波长1.1m；Ⅲ-Ⅴ族化合物常
用来做光电二极管。
Ⅲ-Ⅴ族化合物的能带宽度和晶格常数关系图
1.3或1.5 m的光电二 极管
InP(G=0.95m) 窗口，
把电能转换为光能
第七章：光器件
7.1 光学吸收 7.2 太阳能电池 7.3 光电探测器 7.4 光致发光和电致发光 7.5 发光二极管 7.6 激光二极管*
7.1 光学吸收
光具有波粒二象性，表明光波能被看成粒子，即光 子。
E h
能量
频率
E Pc
动量
c
Ph
1
波长
0
0
Eg h
才能发生本征吸收
hc Eg
光子的波长上限 0 当
才能发生本征吸收
7.1.1 光子吸收系数
若E=hυ>Eg，光子能和价电子作用，把电子激发到导带。
光流强度Iυ(x) 推导(α是吸收系数）
()
dI ( x) I ( x)dx
dI ( x ) I ( x ) dx
Eg=1.12eV Eg=0.66eV Eg=1.43eV Eg=2.42eV
λ0=1.1μm SiC Eg 3eV 0 0.41m λ0=1.88μm GeSi ~ 0.89eV / 1.4m λ0=0.867μm λ0=0.513μm InGaAs ~ 0.71eV / 1.75m
1.3或1.5 m的光很容
易通过窗口透射到i层，
缓冲层是使晶格匹配， 减少i层中的缺陷。
InGaAs p-i-n光电二极管截面图
7.3.4 雪崩光电二极管
与pn结或pin光电二极管相似，只是它所加的反 偏电压必须大到能引起碰撞电离。 在耗尽区光生电子-空穴现在可以通过碰撞电离产
生电子-空穴对，雪崩光电二极管的电流增益与雪
本征区
p-i-n 光电二极管的截面图
p-i-n 光电二极管反偏状态下的 能带图和光子产生过程
（1）顶部的p+区很薄，使光吸收最小 （2）i区掺杂很小，宽度经过特殊设计，以获 得所需 要的特征响应。如宽度等于待测波长的吸收 系数 的倒数，就能在这一波长下获得最大响应 （3）p+,n+区的耗尽层宽度基本可忽略，i层是全耗尽 的。大部分的光生载流子是由中间耗尽区产生的 载流子组成。 （4）i区掺杂很低，电场可近似看作参数，电势和电势 能是位置的线性函数。
（5）频率响应特性： 耗尽层宽度Wi,饱和漂移速度vsat=107m/s, 光生载流子渡越耗尽区的时间t=Wi/vsat 响应频率f =1/t =vsat/Wi
（a） 反偏PIN光电二极管 （b） 非均匀光子 吸收的几何形状
p-i-n光电二极管比普通pn结光电二极管的瞬时
光电流大很多，并具有优良的频率响应特性,在光
h
h E g h E g
( )
h E g
dx
I ( x) I (0)e x
α称为吸收系数，单位cm-1
I ( x)
x
不同长度的光吸收
光流强度随深入半导体材料 的距离指数衰减。 吸收系数大，光的吸收实际 上集中在很薄的表面层内。
I (0)
小
I ( x)
大
材料：非晶态薄膜，大面积化学气相沉积。 氢化：减少悬挂键，提高载流子迁移率。
E
导带
带隙 状态 迁移 典型值 率隙宽 1.7eV
Ec
氢化非晶硅
非晶硅状态密度与能量关系
Ev
价带 状态密度N(E)
非晶硅具有很高的光学吸收系数，大多数太阳光能在表面1 微米处被吸收。因此，太阳能电池只需要非常薄的一层非 晶硅。典型非晶硅太阳电池是一个pin器件。 h 热平衡时的能带图 Ec
光电二极管把光信号转换成了电信号。反向的光
电流的大小与入射光的强度和波长有关。光电二
极管用于探测光信号。
光电二极管的I-V特性
说明：光电流的方向是反偏方向，它比pn结二极
管的反向饱和电流大几个数量级
pn结光电二极管光谱响应特性和频率响应特性
频率响应在几十MHz的范围内，因为扩散是相对较 慢的过程。
理想硅太阳能电池的转换效率：
砷化镓太阳能电池：
Si (max) 28%
实际硅太阳能电池的转换效率：
GaAs (max) 36%
Si 10% 15%
大的光学透镜可用来将太阳光集中到太阳能电池上，使光照 强度提高几百倍。短路电流随光照强度线性增加，开路电压 仅随光强呈对数增大。 注意： 串联电阻与光透过率是 转换效率 影响因素：串联电阻、表面反射 矛盾的 表面减反和纳米结构可 改进方法：聚光（增大短路电流） 以增强光吸收
7.3.3 p-i-n光电二极管
光电探测器中，探测器对随时间变化的光信号的响
应速度很重要，在空间耗尽层中产生的瞬时光电流
才是感兴趣的光电流，为增加光电探测器的灵敏 度，耗尽区的宽度应该做的比较宽。p-i-n光电二 极管就是为满足这个要求而设计的。
PIN光电二极管是最常用的光电二极管，其耗尽区 宽度可调制，优化量子效率和频率响应。
7.3 光电探测器
光电探测器可以探测光子的存在； 把光学信号转换成电信号的半导体器件； 当过剩电子和空穴在半导体中产生时，材料的 导电率就会增加； 导电率的变化是光电探测器的基础。
7.3.1 光电导体
两端具有欧姆接触 平衡电导率： 的半导体材料 0 e( nn0 p p0 ) h 非平衡电导率（半导体内产生 V 过剩载流子）： e[n (n0 n) p ( p0 p)]
非晶硅被沉积 到一个光学透 明的铟锡氧化 层玻璃衬底上
玻璃
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
n
i
铟锡 氧化层
Ev EF Ec Ev EF
p
Voc
在本征区产生的过剩载流子在 电场作用下形成光电流
在光照射下，非晶硅PIN 太阳能电池的能带图
第七章：光器件
7.1 光学吸收 7.2 太阳能电池 7.3 光电探测器 7.4 光致发光和电致发光 7.5 发光二极管 7.6 激光二极管*
异质结太阳能电池
异质结由两种不同禁带宽度的半导体形成 热平衡时pn异质结能带图
Ec
h
E g1
Ev
p AlGaAs
Eg 2
Voc
EF
p GaAs
n GaAs
优点：双能隙，光谱范围宽，转换效率高
7.2.4 非晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池很昂贵，且直径限制在6英才左右。一般 太阳能电池供电系统需要一个大面积的电池组。
串联电阻与复合电流—影响电池效率的因素
串联电阻与结的深 度，掺杂浓 度，欧姆接触等有关。
具有串联电阻的太阳电池的电流 电压特性与等效电路
提高太阳电池的转换效率的因素： 最大功率考虑：选用合适Eg的半导体材料； 光谱考虑； 串联电阻与分流电阻的考虑：采用栅格接触形式， 这种结构能够有大的曝光面积，而同时又使串联电 阻保持合理的数值； 表面反射考虑：采用抗反射层； 聚光考虑：聚光是用聚光器面积代替许多太阳能电 池的面积，从而降低太阳能电池造价，它的另一个 优点是增加效率。
x
两种不同吸收系数的 光强度与距离关系
半导体的吸收系数是 光能和禁带宽度的函 数。 几种不同波长的半导体 材料的吸收系数与波 长的关系。 若hυ>Eg，或 λ<1.24/Eg，则吸收 系数上升很快。 若hυ<Eg ，则吸收 系数很小。
7.1.1 光子吸收系数
不同半导体材料的吸收限：
Si Ge GaAs CdS
漂移运动；
三．非平衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运
动而分离。这种非均匀势场可以是结的空间电荷区， 也可以是金属 — 半导体的肖特基势垒或异质结势垒 等。
PN 结为例，分析光电转换的物理过程
光生电流的方向相当于普通二级管 a 无光照平衡PN结 反向电流方向。 b 光照PN结开路状态 光照使PN结势垒降低，等效于PN c 光照PN结短路状态 结外加正向偏压，同样能引起P区空 d 光照PN结有串联电阻 穴和N区电子向对方的扩散，形成正 向注入电流。此电流与光生电流相反， 对电池不利，应使之减小。
时间
h
收集
V
产生
p p I L eGL t (1 ) AL n n
光电导增益：
收集
p 电荷收集速率与电荷 p IL ph (1 ) 产生速率的比值 eGL AL t n n
7.3.2 光电二极管
工作于反向偏置下的pn结或金属-半导体接触
带有负载的pn结太阳能电池
边，形成相反方向的光电流
IL。
P-N结的光生伏特效应
P-N 结光生伏特效应就是半导体吸收光能后在 P-N 结上 产生光生电动势的效应。光生伏特效应涉及到以下三个主 要的物理过程：
一．半导体材料吸收光能产生出非平衡的电子—空穴对； 二．非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区的扩散和
7.1 半导体的光吸收
硅和砷化镓 可以完全吸 收可见光
光谱与波长和禁带宽度之间的关系
7.1.2 电子-空穴对的产生率
光能大于Eg时，光子能够被半导体吸收，从而产生电 子-空穴对
1、单位体积吸收的能量：
E( x) I ( x)
2、电子-空穴对的产生率：
I ( x)
单位体积
I ( x ) g' ( x ) h
光波长范围（大气窗口）：
紫外光： 300nm 390nm 可见光： 390nm 780nm
近红外： 1m 3m 中红外： 3m 5m 远红外： 8m 14m
7.1.1 光子吸收系数
假设半导体被一光子能量hυ 大于禁带宽度的光 源均匀照射。
从紫外区到红外区的电磁波谱图
7.1.1 光子吸收系数
当一定波长的光照射半 导体时，若 h >Eg则 价带电子吸收光子跃迁 到导带。这种电子由带 与带之间的跃迁所形成 的吸收过程，称为本征 吸收。 本征吸收发生的条件：
h
c hν hυ0 h Eg λ0
7.1 半导体的光吸收
即：光子的频率下限 当
0
半导体器件原理
Principles of Semiconductor Devices
刘宪云 逸夫理科楼229室
半导体器件原理
第七章 光器件 Optical Devices
半导体光电器件
前面讨论了用于放大或者转换电信号的晶体管的基本 物理结构。半导体同样可以设计和生产出探测和产生光 信号的器件。 光电二极管： 把光子能量转换为电能，目的是探测或 获取光信息。 太阳能电池： 把光子能量转换为电能，目的是产生电 能。 发光二极管（LED）： 光子发射是由于电子从导带向 价带的自发跃迁，导致很宽的光谱输出带宽。 激光二极管：改进的LED，带宽很窄且光子输出连续
3、过剩载流子浓度：
n g' ( x) n
第七章：光器件
7.1 光学吸收 7.2 太阳能电池 7.3 光电探测器 7.4 光致发光和电致发光 7.5 发光二极管 7.6 激光二极管*
7.2 太阳能电池 pn结太阳能电池
太阳能电池是一种在pn结处没有施加电压的半导体 器件
即使施加0偏压，在空间电荷
L
光电导率（电导率的变化量）：
0 e(n p )p
光电电流：
面积A
I L J L A E A e( n p )GL p AE
7.3.1 光电导体
光电电流： I L e(n p )GL p AE L 电子 漂移 t n E n
光子的波长和能量具有如下关系：
hc hc 1.24 m h E E
c
几种可能的光电半导体的作用机理：
光子和晶格作用，将能量转换为焦耳热；
光子与杂质、施主或者受主作用；
与半导体内部缺陷作用； 最容易与价电子作用，释放出的能量足够将电
子激发到导带。这样就产生了电子-空穴对，形 成过剩载流子浓度。
光信号打在光电二极管上时，耗尽区会将由光产
生的电子-空穴对分离，有电流输出到外电路。
距离耗尽层边界不超过一个扩散长度的准中性区
中，产生的少子可以在足够长的时间内扩散到耗
尽区。然后被结电场扫到结的另一边。
光电二极管工作原理：光照反偏PN结，产生的光 生载流子被空间电荷区电场漂移形成反向电流。
纤通讯领域中采用最多。
半导体材料的响应截止波长G=1.24/EG，不同的 材料可做不同波段的光电二极管。 Si的禁带宽度 1.12eV,响应截止波长1.1m；Ⅲ-Ⅴ族化合物常
用来做光电二极管。
Ⅲ-Ⅴ族化合物的能带宽度和晶格常数关系图
1.3或1.5 m的光电二 极管
InP(G=0.95m) 窗口，
把电能转换为光能
第七章：光器件
7.1 光学吸收 7.2 太阳能电池 7.3 光电探测器 7.4 光致发光和电致发光 7.5 发光二极管 7.6 激光二极管*
7.1 光学吸收
光具有波粒二象性，表明光波能被看成粒子，即光 子。
E h
能量
频率
E Pc
动量
c
Ph
1
波长
0
0
Eg h
才能发生本征吸收
hc Eg
光子的波长上限 0 当
才能发生本征吸收
7.1.1 光子吸收系数
若E=hυ>Eg，光子能和价电子作用，把电子激发到导带。
光流强度Iυ(x) 推导(α是吸收系数）
()
dI ( x) I ( x)dx
dI ( x ) I ( x ) dx
Eg=1.12eV Eg=0.66eV Eg=1.43eV Eg=2.42eV
λ0=1.1μm SiC Eg 3eV 0 0.41m λ0=1.88μm GeSi ~ 0.89eV / 1.4m λ0=0.867μm λ0=0.513μm InGaAs ~ 0.71eV / 1.75m
1.3或1.5 m的光很容
易通过窗口透射到i层，
缓冲层是使晶格匹配， 减少i层中的缺陷。
InGaAs p-i-n光电二极管截面图
7.3.4 雪崩光电二极管
与pn结或pin光电二极管相似，只是它所加的反 偏电压必须大到能引起碰撞电离。 在耗尽区光生电子-空穴现在可以通过碰撞电离产
生电子-空穴对，雪崩光电二极管的电流增益与雪
本征区
p-i-n 光电二极管的截面图
p-i-n 光电二极管反偏状态下的 能带图和光子产生过程
（1）顶部的p+区很薄，使光吸收最小 （2）i区掺杂很小，宽度经过特殊设计，以获 得所需 要的特征响应。如宽度等于待测波长的吸收 系数 的倒数，就能在这一波长下获得最大响应 （3）p+,n+区的耗尽层宽度基本可忽略，i层是全耗尽 的。大部分的光生载流子是由中间耗尽区产生的 载流子组成。 （4）i区掺杂很低，电场可近似看作参数，电势和电势 能是位置的线性函数。
（5）频率响应特性： 耗尽层宽度Wi,饱和漂移速度vsat=107m/s, 光生载流子渡越耗尽区的时间t=Wi/vsat 响应频率f =1/t =vsat/Wi
（a） 反偏PIN光电二极管 （b） 非均匀光子 吸收的几何形状
p-i-n光电二极管比普通pn结光电二极管的瞬时
光电流大很多，并具有优良的频率响应特性,在光
h
h E g h E g
( )
h E g
dx
I ( x) I (0)e x
α称为吸收系数，单位cm-1
I ( x)
x
不同长度的光吸收
光流强度随深入半导体材料 的距离指数衰减。 吸收系数大，光的吸收实际 上集中在很薄的表面层内。
I (0)
小
I ( x)
大
材料：非晶态薄膜，大面积化学气相沉积。 氢化：减少悬挂键，提高载流子迁移率。
E
导带
带隙 状态 迁移 典型值 率隙宽 1.7eV
Ec
氢化非晶硅
非晶硅状态密度与能量关系
Ev
价带 状态密度N(E)
非晶硅具有很高的光学吸收系数，大多数太阳光能在表面1 微米处被吸收。因此，太阳能电池只需要非常薄的一层非 晶硅。典型非晶硅太阳电池是一个pin器件。 h 热平衡时的能带图 Ec
光电二极管把光信号转换成了电信号。反向的光
电流的大小与入射光的强度和波长有关。光电二
极管用于探测光信号。
光电二极管的I-V特性
说明：光电流的方向是反偏方向，它比pn结二极
管的反向饱和电流大几个数量级
pn结光电二极管光谱响应特性和频率响应特性
频率响应在几十MHz的范围内，因为扩散是相对较 慢的过程。
理想硅太阳能电池的转换效率：
砷化镓太阳能电池：
Si (max) 28%
实际硅太阳能电池的转换效率：
GaAs (max) 36%
Si 10% 15%
大的光学透镜可用来将太阳光集中到太阳能电池上，使光照 强度提高几百倍。短路电流随光照强度线性增加，开路电压 仅随光强呈对数增大。 注意： 串联电阻与光透过率是 转换效率 影响因素：串联电阻、表面反射 矛盾的 表面减反和纳米结构可 改进方法：聚光（增大短路电流） 以增强光吸收
7.3.3 p-i-n光电二极管
光电探测器中，探测器对随时间变化的光信号的响
应速度很重要，在空间耗尽层中产生的瞬时光电流
才是感兴趣的光电流，为增加光电探测器的灵敏 度，耗尽区的宽度应该做的比较宽。p-i-n光电二 极管就是为满足这个要求而设计的。
PIN光电二极管是最常用的光电二极管，其耗尽区 宽度可调制，优化量子效率和频率响应。
7.3 光电探测器
光电探测器可以探测光子的存在； 把光学信号转换成电信号的半导体器件； 当过剩电子和空穴在半导体中产生时，材料的 导电率就会增加； 导电率的变化是光电探测器的基础。
7.3.1 光电导体
两端具有欧姆接触 平衡电导率： 的半导体材料 0 e( nn0 p p0 ) h 非平衡电导率（半导体内产生 V 过剩载流子）： e[n (n0 n) p ( p0 p)]
非晶硅被沉积 到一个光学透 明的铟锡氧化 层玻璃衬底上
玻璃
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
n
i
铟锡 氧化层
Ev EF Ec Ev EF
p
Voc
在本征区产生的过剩载流子在 电场作用下形成光电流
在光照射下，非晶硅PIN 太阳能电池的能带图
第七章：光器件
7.1 光学吸收 7.2 太阳能电池 7.3 光电探测器 7.4 光致发光和电致发光 7.5 发光二极管 7.6 激光二极管*
异质结太阳能电池
异质结由两种不同禁带宽度的半导体形成 热平衡时pn异质结能带图
Ec
h
E g1
Ev
p AlGaAs
Eg 2
Voc
EF
p GaAs
n GaAs
优点：双能隙，光谱范围宽，转换效率高
7.2.4 非晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池很昂贵，且直径限制在6英才左右。一般 太阳能电池供电系统需要一个大面积的电池组。
串联电阻与复合电流—影响电池效率的因素
串联电阻与结的深 度，掺杂浓 度，欧姆接触等有关。
具有串联电阻的太阳电池的电流 电压特性与等效电路
提高太阳电池的转换效率的因素： 最大功率考虑：选用合适Eg的半导体材料； 光谱考虑； 串联电阻与分流电阻的考虑：采用栅格接触形式， 这种结构能够有大的曝光面积，而同时又使串联电 阻保持合理的数值； 表面反射考虑：采用抗反射层； 聚光考虑：聚光是用聚光器面积代替许多太阳能电 池的面积，从而降低太阳能电池造价，它的另一个 优点是增加效率。
x
两种不同吸收系数的 光强度与距离关系
半导体的吸收系数是 光能和禁带宽度的函 数。 几种不同波长的半导体 材料的吸收系数与波 长的关系。 若hυ>Eg，或 λ<1.24/Eg，则吸收 系数上升很快。 若hυ<Eg ，则吸收 系数很小。
7.1.1 光子吸收系数
不同半导体材料的吸收限：
Si Ge GaAs CdS
漂移运动；
三．非平衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运
动而分离。这种非均匀势场可以是结的空间电荷区， 也可以是金属 — 半导体的肖特基势垒或异质结势垒 等。
PN 结为例，分析光电转换的物理过程
光生电流的方向相当于普通二级管 a 无光照平衡PN结 反向电流方向。 b 光照PN结开路状态 光照使PN结势垒降低，等效于PN c 光照PN结短路状态 结外加正向偏压，同样能引起P区空 d 光照PN结有串联电阻 穴和N区电子向对方的扩散，形成正 向注入电流。此电流与光生电流相反， 对电池不利，应使之减小。
时间
h
收集
V
产生
p p I L eGL t (1 ) AL n n
光电导增益：
收集
p 电荷收集速率与电荷 p IL ph (1 ) 产生速率的比值 eGL AL t n n
7.3.2 光电二极管
工作于反向偏置下的pn结或金属-半导体接触