9.半导体物理：半导体的热电、光电性质

1 光电导与光敏电阻
我们施加一个光照强度，有以下两种情况：
△n = n － n0
Ec
非n平0衡多数载流子
第一二：
光所以照，产无生电非子平空衡穴载对流产子生。
△n 和△p 电子空穴成对产生
Ev 非p平0 衡少数载流子
△p = p － p0
HUS T
光电导
——光照引起半导体载流子浓度增大， 使得电导率增加
HUST
半导体光电检测器 2 用于光电探测的光电二极管
光电二极管和普通二极管一样， 也是由半导体pn结组成的半导体器件， 也具有单方向导电特性。 但在电路中它不是作整流元件， 而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。
工作模式：pn结施加反向偏压
HUST
半导体光电检测器 2 用于光电探测的光电二极管
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。
为获得更高的灵敏度，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。
HUST
光电导可分为本征光电导和杂质光电导。 光电导灵敏度一般定义为单位光照强度所引起的光电导。 光生载流子寿命越大，灵敏度越高，但开关速度会因大的载流 子寿命而降低。 实际应用中，即要求灵敏度高，有要求开关速度快，必须根据 实际要求选用适当的材料来折衷。 一般来说，光电二极管作为光电探测器的性能要优于光敏电阻。
2012年--pn结型
J. Tang, H. Liu,
p-PbS/n-PbS, Voc= 0.52V, Jsc=23.3mA/cm2, PCE=6.1% D. Zhitomirsky,
et al. Quantum junction
solar cells, Nano Letters,
vol. 12, pp. 4889-4894, 2012
PCE=5.1%
A. R. Barkhouse, et al. Depleted-
heterojunction
colloidal quantum
dot solar cells,
ACS Nano, vol. 4,
pp. 3374-3380, 2010
第三代太阳能电池研究实例
—量子点薄膜太阳能电池
HUST
铝/银(功函数小)
整流接触
0
p型半导体(PbS) (肖特基势垒)
ITO透明导电薄膜 欧姆接触
d
（功函数较大）
K. W. Johnston, A. G. Pattantyus-Abraham, J. P. Clifford, et al. Schottky-quantum dot photovoltaics for efficient infrared power conversion, Applied Physics Letters, vol. 92, pp. 151115, 2008
H. Liu,
D. Zhitomirsky,
S. Hoogland,
et al. Systematic
optimization of quantum
junction colloidal quantum
dot solar cells,
Applied Physics Letters,
vol. 101, pp. 151112, 2012
半导体物理
第九章 半导体的光电、热电性质
1 半导体中的电子状态 2 半导体中载流子的统计分布 3 载流子输运 4 非平衡载流子 5 p－n结 6 金属和半导体的接触 7 半导体表面与MIS结构 8 异质结 9 半导体的光电、热电性质
9.1 半导体的光电效应
HUST
1 半导体光电探测器
2
—
半导体的光生伏特效应
例越大，光量子效率越高。
导带
发
Eg
光
价带
P区
N区 空穴注入
•由于复合是在少子扩散区内发光的，所 在光仅在靠近PN结面数um以内产生。 •光的峰值波长λ与发光区域的半导体材 料禁带宽度Ｅg有关，即λ≈1240/Eg。 •存在直接跃迁、通过杂质对的跃迁形成 的辐射复合。
3
发光二极管Fra Baidu bibliotek
光能
光电效应
Optoelectronic effect
光电探测器、光伏
电能
发光、激光二极管
HUST
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
HUST
9.1半导体光电检测器
反向偏压时 p区
势垒高度上升 势垒区变宽
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。
HUST
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
n区
光照产生非+子 + ++
光生电压+ + ++
++ ++ ++ ++
内建电场
光生电流I
光生电压（相当于正偏）
L
会导致一定的正向电流
IF
开路时，IL=IF，Voc 短路时，IF=0，IL=Isc
正常工作时，对外电路进行供电，回路电流 I R IL IF
R I ,V RR
HUST
光电转换效率 I R VR
I
(PCE)
Isc Voc
Voc I sc
暗特性
I
Is exp
qV k0T
1
明特性
I
Is
exp
qV k0T
1
IL
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
短路电流：随光照强度线性上升
第三代太阳能电池研究实例
—量子点薄膜太阳能电池
HUST
2008年--肖特基型,
p-PbS/Al, Voc= 0.33V, Jsc=12.3mA/cm2, PCE=1.8%
光生载流子在内建电场的作用下，作漂 移运动，产生光生电压（光生电流）
内建电场
第三代太阳能电池研究实例
HUST
—量子点薄膜太阳能电池
2010年--异质结型
A. G. Pattantyus-Abraham, I. J. Kramer,
p-PbS/n-TiO2, Voc= 0.51V, Jsc=16.2mA/cm2,
发光二极管
HUST
发光二极管LED通常由Ⅲ-Ⅳ族化合物， 如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等 半导体制成的， 其核心是PN结。
发光二极管
HUST
•在正向电压下，电子由N区注入P区，
空穴由P区注入N区。进入对方区域的少
数载流子（少子）一部分与多数载流子
电子注入
发光中心（多子）复合而发光。 •发光的复合量相对于非发光复合量的比