半导体光电器件第6章
第6章半导体结型光电器件(PSD和耦合器)
Copyright@2006光电技术第6章半导体结型光电器件－象限探测器和光电耦合器Copyright@2006象限探测器功能：用来确定光点在二维平面上的位置坐标用途：准直、定位、跟踪等工艺：利用集成电路光刻技术，将光敏面分隔成几个面积相等、形状相同、位置对称的区域，每个区域相当于一个光电器件。
Copyright@2006类型：四象限光电二极管、四象限硅光电池、四象限PMT 、二象限的也有等等应用：1.和差电路形式Copyright@20062.直差电路形式Copyright@2006光电位置探测器（PSD ）Position Sensitive Detectors•PSD 是利用离子注入技术制成的一种可确定光的能量中心位置的结型光电器件，有一维的和二维的两种。
•当入射光是一个小光斑，照射到光敏面时，其输出则与光的能量中心位置有关。
•这种器件和象限光电器件比较，其特点是，它对光斑的形状无严格要求，•光敏面上无象限分隔线，•对光斑位置可连续测量。
Copyright@2006PSD 和象限探测器比较：1.PSD 对光斑形状无严格要求，即输出信号与光的聚焦无关，只与能量中心位置有关，测量方便。
2.光敏面上无分割，消除了死区，可连续测量光斑位置，分辨率高，一维可达0.2um 。
3.可同时检测位置和光强，从总光电流可求得相应的入射光强。
用途：激光束的监控（对准、位移、和振动）、平面度检测、二维位置检测系统等。
Copyright@2006工作原理和位置表达式11212122AAAL x I I L L x I I L I I xLI I −=−=−=+Copyright@2006一维PSD 和等效电路3131231AI I xLII I I I−=+=+总电流Copyright@2006二维PSD 和等效电路（1）两面分离型PSDCopyright@2006（2）表面分离型（P152）Copyright@2006Copyright@2006PSD 转换电路（1）一维Copyright@2006（2）二维Copyright@2006PSD 特性1.光谱响应特性2.结电容与反偏电压关系特性3.温度特性4.位置检测误差Copyright@2006第6.7节光电开关与光电耦合器Ü光电开关和光电耦合器都是由发光端和受光端组成的组合件。
光电子器件是利用半导体光电效应制成的半导体器件.ppt
1. 本征辐射跃迁 导带中的电子向价带跃迁，同价带中的空穴复合，产生能量大于或等于禁 带宽度的光子，即为本征辐射跃迁。 复合过程分为两种：直接复合和间接复合。
6-1 辐射跃迁与光的吸收
直接复合：导带中的自由电子直接回到价带，与价带中的自由空穴复合。
假如光子的受激辐射大于光子的吸收，则电子在较高能级的浓度会大于在较 低能级的浓度，这种情况称为分布反转。
6-1 辐射跃迁与光的吸收
四、光与物质的相互作用
光与物质的相互作用有三种形式：受激吸收、自发辐射和受激辐射。
1. 受激吸收： 在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光的作
用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃
迁称为受激吸收。电子跃迁后，在低能级留下相同数目
的空穴。 激发光子的能量必须满足
h E2 E1
6-1 辐射跃迁与光的吸收
2. 自发辐射： 在高能级E2的电子处于不稳定状态，即使没有外界 的作用，也会自发地向低能级E1跃迁，跃迁的同时，以 发射光子的方式释放能量，这种跃迁称为自发辐射。
自发辐射的特点： 高能级上的粒子可以跃迁到任意一个较低能级，频率范围很宽。
各个原子独立进行跃迁，其辐射的光子无规律，频率、相位、方向、 偏振态各不相同，辐射光为非相干光。
6-1 辐射跃迁与光的吸收
结果：产生等量的自由电子和自由空穴
本征吸收产生的条件：
h Eg
或
hc
Eg
Eg
h
hc Eg
1.24 Eg (eV
)
(m)
c
只与禁带宽度有关
第六章III-V族化合物半导体
6-及条件的依据：相图
非凝聚体系相图与凝聚体系相图的差别 非凝聚体系P-T-X相图
GaAs作为重要半导体材料的 主要特征
直接带隙，光电材料 迁移率高，适于制作超高频超高速器件和电路 易于制成非掺杂半绝缘单晶，IC中不必作绝缘
隔离层，简化IC，减少寄生电容，提高集成度 Eg较大，可在较高温度下工作 抗辐射能力强 太阳电池，转换率比Si高 Gunn效应，新型功能器件
能带结构：直接带隙 导带中有两个次能谷X，L，与主能谷能量差不大 主能谷中：电子有效质量较小，迁移率较高 次能谷种：电子有效质量大，迁移率小，态密度大， 室温下：电子处于主能谷 当外电场超过某一阈值时： 电子由主能谷→次能谷，迁移率由大→小， 出现：电场增大，电流减小的负阻效应 体效应（电子转移效应），Gunn效应（1963年）
GaAs晶体生长的两个途径
熔体生长：先合成1:1的化合物熔体然后直
接由熔体中生长其单晶 溶液生长：由某一组分的溶液中生长化合 物晶体（常以III族元素作溶剂）
对Ga-As体系精细相图
GaAs在加热时发生的一些可逆反应 熔体生长的GaAs晶体一般含有较多的Ga空
位
GaAs的物理、化学性质
暗灰色，有金属光泽 其晶格常数随T及化学计量偏离有关，
a（富As）<a（富Ga） 室温下对H2O和O2是稳定的 大气中600℃以上开始氧化 真空中800 ℃以上开始离解 与盐酸×与浓硝酸∨易溶于王水
GaAs的能带结构与Gunn效应
GaAs能带结构和Gunn效应
第六章 III-V族化合物半导体
IIIA元素：B 、Al、Ga、In
VA元素： N、P、As、Sb 组合形成的化合物15种（BSb除外） 目前得到实用的III-V族化合物半导体 GaN GaP GaAs InP GaSb InSb InAs 原子序数之和：由小→大 材料熔点：由高→低 带隙宽度：由大→小
第六章光电子材料与器件
主要由受激的喇曼散射和布里渊散射引起，且只在强入射光功 率激励下才表现出来
6.2 光纤
传输光纤 光纤色散特性
光纤的色散是由于光纤所传信号的不同频率成分或不同模式 成分的群速度不同而引起传输信号畸变的一种物理现象。
由于脉冲展宽，在光通讯中，为了不造成误码，必须降低脉 冲速率，这就将降低光纤通讯的信息容量和品质。而在光纤 传感方面，在需要考虑信号传输的失真度问题时，光纤的色 散也成为一个重要参数。
1 固体激光器的工作原理
固体激光器是研究最早的一类激光器，它以固体作为工作物 质，包括绝缘晶体和玻璃两大类。工作物质是在基质材料中 掺入激活离子(金属离子或稀土离子)而制成。
固体激光器的工作方 式主要分为脉冲和连 续(CW)两大类。
固体激光器的构成通 常包括工作物质、谐 振腔、泵浦光源这三 个基本组成部分
传输光纤
传输光纤主要用于光通信，对光纤性能有两个方面的要求：传 输损耗要低，光纤色散要小。
传输损耗特性
6.2 光纤
传输损耗特性
图6.7 光纤的总损耗谱
6.2 光纤
传输损耗特性 瑞利散射损耗
由于光纤材料—石英玻璃的密度不均匀和折射率不均匀引起
波导效应散射损耗
由于波导结构不规则，从而导致高阶模的辐射形成损耗
6.4 液晶显示材料与器件
1 液晶材料的物理性质
液晶的发现可追溯到19世纪末，1888年奥地利的植物学家 F·Reinitzer在作加热胆甾醇的苯甲酸脂实验时发现，当加热 使温度升高到一定程度后，结晶的固体开始溶解。但溶化后 不是透明的液体，而是一种呈混浊态的粘稠液体，并发出多 彩而美丽的珍珠光泽。当再进一步升温后，才变成透明的液 体。他把这种粘稠而混浊的液体放到偏光显微镜下观察，发 现这种液体具有双折射性。
6. 第六章 半导体中的非平衡过剩载流子
上式反映，无论电子还是空穴，非平衡载流子越多， 准费米能级偏离EF就越远。
EC EFn EFn EF EFn Ei n N C exp( ) n0 exp( ) ni exp( ) k0T k0T k0T EFp EV EF EFp Ei EFp p N v exp( ) p0 exp( ) ni exp( ) k0T k0T k0T
EC EF n0 N C exp( ) k0T EF EV p0 NV exp( ) k0T
半导体处于非平衡状态时，就不再存在统一的 费米能级。
引入 导带费米能级 价带费米能级
准费米能级
电子准费米能级(EFn) 空穴准费米能级(EFp)
引入准费米能级，非平衡状态下的载流 子浓度用与平衡载流子浓度类似公式表达
6.4.1 直接复合
直接复合：导带的电子直接落入价带与空穴复合 EC 复合 EV
EC
产生 EV
由于热激发等原因，价带中的电子有一定概率跃 迁到导带中去，产生一对电子和空穴。
1 复合率和产生率 复合率R（复合速率)有如下形式 R=rnp
比例系数r称为电子-空穴复合概率(直接复合系数)。 而 产生率=G
nen pe p pe(n p )
光导开关：超宽带反隐形冲击雷达，高功率脉冲点火系
统，瞬间辐射电磁武器，电子干扰与电子对抗等军事领域
2、非平衡载流子的复合
撤除产生非平衡载流子的外部因素后（停 止光照、外加电压，辐照等），系统将从非平 衡态恢复到平衡态，即电子-空穴对成对消失 的过程，即为非平衡载流子的复合。
h Eg
△n和△p就是非平衡载流子浓度， 也 叫过剩载流子。 △n称非平衡多子， △p为非平衡少子（p型相反）。
改 6半导体结型光电器件资料
伏安特性
I I0 e
eU / kT
1 Ip
第四象限：光伏模式 零偏 光电池 工作区域
光伏模式暗 电流为零
伏安特性
普通二极管
光电二极管
光电池
等效电路
I I0 e
eU / kT
1 Ip
电流源
普通二极管
I I0 e
开路电压Uoc和短路电流Isc
qU / kT
1 I p
温度过高会致 使半导体晶格 破坏，注意强 光照射及散热
6.2.2 硅光电二极管
结构：
•透光
•结区宽，以保证吸收更多的入射光 •结区多在基底,光生载流子大多产生于结区,省去扩散时间
（Photodiode，简称PD）
入光面高掺杂且薄，基底轻掺杂：
重掺杂
2CU
2DU
科16
比较：光电二极管与光电池 •衬底材料掺杂浓度较低；
•提高了对长波的吸收
•浅结对短波长吸收多，深结对长波长吸收多
应用：
光通信等快速光检测领域
6.2.5 雪崩光电二极管
1.结构原理：
高反压(100～200 V) 响应时间:0.5ns 光电增益M:102～103 截止频率:f=100GHz 噪声等效功率:10-15w 应用领域:光纤通讯、弱信号检测、 激光测距等领域。
6.3结型光电器件组合器件
－－也称为集成结型光电器件
6.3.1半导体色敏感器件 6.3.2象限式光电器件 6.3.2光电位置探测器 6.3.4光电耦合器
6.3.1半导体色敏感器件
－－在工业上可以自动检测纸、纸浆、染料的颜色； －－医学上可以测定皮肤、牙齿等的颜色； －－用于家电中电视机的彩色调整、商品颜色及代码 的读取等 它是非常有发展前途的一种新型半导体光电器件。 半导体色敏器件特点：结构简单、体积小、成本低等。
第6章光电式传感器转速测量及接近开关
2) 横向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，光照部分吸收入射光子 的能量产生电子-空穴对，光照部分载流子浓度比未受光照部分 的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流子就要 扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则 电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被 光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。 这种现象称为横向光电效应，也称为侧向光电效应。基于该效 应的光电器件有半导体光电位置敏感器件(PSD)。
国产硅光敏二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU 两种系列。2CU系列以N-Si为衬底，2DU系列以P-Si为衬底。 2CU系列的光敏二极管只有两条引线，而2DU系列光敏二极管有 三条引线。
根据能量守恒定理:
h
1 2
m02
A0
式中 m—电子质量；v0—电子逸出速度。
该方程称为爱因斯坦光电效应方程。
电子工业出版社
光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面
电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都
有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于 红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限 频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光 频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。
导带
自由电子所占能带
Eg
禁带
不存在电子所占能带
价带
价电子所占能带
为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁
带宽度Eg，即 h hc 1.24 Eg
式中ν、λ分别为入射光的频率和波长。
电子工业出版社
材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在 一个照射光波长限λ0，只有波长小于λ0的光照射在光电导体上， 才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。
半导体光电器件
1
第六章 半导体光电器件
6.1光电导型光电探测器件 6.2势垒型光电探测器件
2
6.1光电导型光电探测器件
一、概述 二、光敏电阻的结构 三、光敏电阻的工作原理 四、光敏电阻的特性 五、光敏电阻的特点 六、注意事项
3
一、概述
光电导型光电探测器件是利用光电导效应制 成的均质型光电探测器件。典型的光电导器 件为光敏电阻。
征 半 导
体
杂 质 半 导 体
8
四、光敏电阻的特性
1、光电导灵敏度 R 2、光谱响应特性 3、光照特性 4、伏安特性 5、响应特性（频率特性） 6、前历效应 7、温度特性 8、噪声
9
1、光电导灵敏度 R
按灵敏度定义（响应量与输入量之比），可得
其中：
Rg
g E
gA
（线形范围内）
g：光电导，单位为西门子 S（Ω-1）。
电源电压和负载电阻决定的负载线与伏安 特性的交点，就是不同光照情况下的光敏 电阻的工作点。
17
光敏电阻的伏安特性曲线
工作负载线的确定
基本偏置电流
18
基本概念
暗电阻Rd ：无光照射时，光敏电阻值的大 小。其值一般为几十千欧到几兆欧。
暗电导Gd ：暗电阻的倒数。 亮电阻Rg ：有光照射时的电阻值，其值与
29
7、温度特性
灵敏度、光照特性、 响应率、光谱响应率、 峰值波长、长波限都 将发生变化，而且这 种变化缺乏一定的规 律
随着温度的升高光电 导值下降，随着温度 的下降光电导值增大， 而与照度无关
光敏电阻的温度特性
30
8、噪声
光敏电阻的固有噪 声主要有三种：
噪声（100Hz以 下）；
第6章光敏传感器
发光二极管的光谱特性如图所示。图中砷 磷化镓曲线有两根，这是因为其材质成分稍有
差异而得到不同的峰值波长p。除峰值波长p决 定发光颜色之外，峰的宽度（用Δ描述）决定 光的色彩纯度，Δ越小，其光色越纯。
9
相 1.0 对 0.8 灵 0.6 敏 0.4 度
0.2
0
GaP λp=565nm
GaAsP
λp=670nm GaAs λp=950nm
6
原理：
P
Uφ N
+ - - - - ++++_ - - - - ++++
+ - - - - ++++_
- - - - ++++
iD
U
R
U
当加正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到
P区，和P区里的空穴复合；空穴则由P区注入
到N区，和N区里的电子复合，这种电子空穴对
的复合同时伴随着光子的放出，因而发光。
36
（2）光照特性 用于描述光电流与光照强度之间的关系。
0.25 光 电 0.20 流
0.15
图10-9 光敏电阻的光 0.10
/mA
照特性
0.05
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 光通量/lm
多数是非线性的。不宜做线性测量元件，一般
用做开关式的光电转换器。
37
（3）光谱特性
相 100
27
UOUT
K
A
RL
D1 D2 D3 D4
IA
R1
R2
R3
R4
R5
28
第
《光电材料与器件》课程教学大纲
《光电材料与器件》课程教学大纲一、课程名称（中英文）中文名称：光电材料与器件英文名称：Optoelectronics Materials and Devices二、课程代码及性质专业选修课程三、学时与学分总学时：32学分：2四、先修课程无五、授课对象材料及材料加工类专业本科生六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）【注：教学目的要突出各项“能力”，且与表1中的某项指标点相对应】本课程是功能材料专业的选修课之一，其教学目的包括：1、掌握激光的产生机制，光纤的传导机制以及熟悉光调制的基本原理。
2、理解光电技术在信息传输，光探测以及光伏等领域的应用原理。
3、能够关注和了解光电材料与技术在日常生活中的应用。
掌握文献检索、资料查询、现代网络搜索工具的使用方法。
能够应用现代工具撰写报告、设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令。
七、教学重点与难点：课程重点：（1）光电材料的工作原理和应用。
本课程重点介绍针对半导体材料的电学性能和其在激光领域的应用。
（2）在了解半导体材料相关物理理论知识的基础上，重点学习基于半导体的光电器件的种类、应用和影响性能的因素等。
（3）重点学习的章节内容包括：第2章“激光”（6学时）、第3章“波导”（6学时）、第5章“光探测器”（4学时）。
课程难点：（1）通过本课程的学习，充分理解基于半导体材料的激光基本原理，激光器的基本构造以及应用范围。
（2）通过对光电材料及其光电器件的学习，了解影响光电材料与器件性能的因素和改进策略，从而具备设计和改进光电器件响应性能的能力。
八、教学方法与手段：教学方法：（1）课程邀请相关科研工作者做前沿报告，调动学生学习积极性。
（2）课堂讲授和相关多媒体小视频相结合，提高学生听课积极性，视频与课程内容相关，加深记忆和理解概念；（3）通过期末专题报告的形式，让学生讲解生活中与课程相关的知识或技术，台下的学生听众提问，而台上的学生为自己的观点进行辩护，从而产生互动，加深记忆和理解，更主要是能激发学生的兴趣。
半导体物理与器件第四版答案
半导体物理与器件第四版答案【篇一：半导体物理第五章习题答案】>1. 一个n型半导体样品的额外空穴密度为1013cm-3，已知空穴寿命为100?s，计算空穴的复合率。
解：复合率为单位时间单位体积内因复合而消失的电子-空穴对数，因此1013u1017cm?3?s ?6100102. 用强光照射n型样品，假定光被均匀吸收，产生额外载流子，产生率为gp，空穴寿命为?，请①写出光照开始阶段额外载流子密度随时间变化所满足的方程；②求出光照下达到稳定状态时的额外载流子密度。
解：⑴光照下，额外载流子密度?n=?p，其值在光照的开始阶段随时间的变化决定于产生和复合两种过程，因此，额外载流子密度随时间变化所满足的方程由产生率gp和复合率u的代数和构成，即 d(?p)?pgp dtd(?p)0，于是由上式得⑵稳定时额外载流子密度不再随时间变化，即 dtppp0gp3. 有一块n型硅样品，额外载流子寿命是1?s，无光照时的电阻率是10??cm。
今用光照射该样品，光被半导体均匀吸收，电子-空穴对的产生率是1022/cm3?s，试计算光照下样品的电阻率，并求电导中少数载流子的贡献占多大比例？解：光照被均匀吸收后产生的稳定额外载流子密度pngp10221061016 cm－3取?n?1350cm2/(v?s)，?p?500cm/(v?s)，则额外载流子对电导率的贡献2pq(?n??p)?1016?1.6?10?19?(1350?500)?2.96 s/cm无光照时?0?10.1s/cm，因而光照下的电导率0?2.96?0.1?3.06s/cm相应的电阻率 ??110.33cm 3.06少数载流子对电导的贡献为：?p?pq?p??pq?p?gp?q?p代入数据：?p?(p0??p)q?p??pq?p?1016?1.6?10?19?500?0.8s/cm∴p00.80.2626﹪ 3.06即光电导中少数载流子的贡献为26﹪4.一块半导体样品的额外载流子寿命? =10?s，今用光照在其中产生非平衡载流子，问光照突然停止后的20?s时刻其额外载流子密度衰减到原来的百分之几？解：已知光照停止后额外载流子密度的衰减规律为p(t)p0e因此光照停止后任意时刻额外载流子密度与光照停止时的初始密度之比即为t??p(t)e p0t当t?20?s?2?10?5s时20??p(20)e10e20.13513.5﹪ ?p05. 光照在掺杂浓度为1016cm-3的n型硅中产生的额外载流子密度为?n=?p= 1016cm-3。
06章-Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体
比Ge、Si等困难。到50年代末，科学工作者应用水平布里奇曼法
(HB)、温度梯度法(GF)和磁耦合提拉法生长出了GaAs、InP单晶，但
由于晶体太小不适于大规模的研究。
•
1962年Metz等人提出可以用液封直拉法(LEC)来制备化合物半导
体晶体，1965~1968年Mullin等人第一次用三氧化二硼(B2O3)做液封剂， 用LEC法生长了GaAs、InP等单晶材料，为以后生长大直径、高质量
（b）甲烷正四面体模型
•
另一种认为在闪锌矿型晶体结构中，除Ga-和As+
形成的共价键外，还有Ga3+和As3-形成的离子键，因
此Ⅲ-V族化合物的化学键属于混合型。
• 由于离子键作用，电子云的分布是不均匀的，它有向 V族移动的趋向，即产生极化现象。这样导致在V族 原子处出现负有效电荷，Ⅲ族原子处出现正有效电荷。
• 在室温下，电子处在主能谷中，因为在室温时电子从晶体那 里得到的能量只有0.025eV，很难跃迁到X处导带能谷中去。
• 电子在主能谷中有效质量较小(m=0.07m0)，迁移率大；而在 次能谷中，有效质量大(m=1.2m0)，迁移率小，但状态密度比 主能谷大。
•
当外电场超过一定值时，电子可由迁移率大的主能谷转移
• 红、橙、黄、绿、蓝、靛(青）、紫 • 红：780-630nm • 橙：630-590nm • 黄：590-550nm • 绿：(550-490nm), • 蓝：(490-440nm), • 紫：(440-380nm).
• 发光的颜色是由能隙决定的，通过控制GaP中的掺杂剂可 以使GaP发出不同的光。
6-2 砷化镓单晶的生长方法
• 本节要点： • 掌握III-V族化合物的平衡相图的分析方法 • 砷化镓单晶的生长方法：水平布里奇曼法
第6章 发光器件与光电耦合器件
图中（d）反光型光电耦合器，LED和光电二极管封装在 一个壳体内，两者发射光轴同接收光轴夹一锐角，LED发 出的光被测物体反射，并被光电二极管接收，构成反光型 光电耦合器。
图中（e）为另一种反光型光电耦合器，LED和光电二极 管平行封装在一个壳体内，LED发出的光可以在较远的位 置上放置的器件反射到光电二极管的光敏面上。显然，这 种反光型光电耦合器要比成锐角的耦合器作用距离远。
6.4.1 光电耦合器件的结构与电路符号
用来制造光电耦合器件的发光元件与光电接收元件 的种类都很多，因而它具有多种类型和多种封装形式。 本节仅介绍几种常见的结构。
1. 光电耦合器件的结构
光电耦合器件的基本结构如图6-28所示，图6-28（a） 为发光器件（发光二极管）与光电接收器件（光电二极 管或光电三极管等）被封装在黑色树脂外壳内构成光电 耦合器件。图6-28（b）者将发光器件与光电器件封装在 金属管壳内构成的光电耦合器件。使发光器件与光电接 收器件靠得很近，但不接触。
本章主要介绍目前已得到广泛应用的注入式半导 体发光器件及光电耦合器件。
6.1 发光二极管的基本工作原理与特性
1907年首次发现半导体二极管在正向偏置的情况下发 光。70年代末，人们开始用发光二极管作为数码显示器和 图像显示器。进十年来，发光二极管的发光效率及发光光 谱都有了很大的提高，用发光二极管作光源有许多优点。
2. 异质结注入发光
为了提高载流子注入效率，可以采用异质结。图2-13（a） 表示理想的异质结能带图。由于p区和n区的禁带宽度不相等，当 加上正向电压时小区的势垒降低，两区的价带几乎相同，空穴就 不断向n区扩散。
对n区电子，势垒仍然较高，不能注入p区。这样，禁带宽的p 区成为注入源，禁带窄的n区成为载流子复合发光的发光区（图213（b））。例如，禁带宽EG2=1.32eV 的p-GaAs与禁带宽EG1＝ 0.7eV p-GaAs与禁带宽EG1＝0.7eV的n-GaSb组成异质结后，nGaAs的空穴注入n-GaAs区复合发光。
传感器第六、七、八章思考题及习题
第六章 思考题与习题1、什么是压电效应？答：沿着一定方向对某些电介质加力而使其变形时，在一定表面上产生电荷，当外力取消，又重新回到不带电状态，这一现象称为正压电效应。
当在某些电介质的极化方向上施加电场，这些电介质在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场散去，这些变形和应力也随之消失，此即称为逆压电效应。
2、为什么压电传感器不能测量静态物理量？ 答：压电元件送入放大器的输入电压由上式可知，用·当作用在压电元件上的力是静压力（ω=0）时，前置放大器输入电压等于零。
因为电荷就会通过放大器的输入电阻和传感器本身的泄漏电阻漏掉。
所以压电传感器不能测量静态物理量。
3、压电式传感器中采用电荷放大器有何优点？为什么电压灵敏度与电缆长度有关？而电荷灵敏度与电缆长度无关？ 答：p115 ●补充题：1、有一压电晶体，其面积为20mm 2，厚度为10mm ，当受到压力p=10MPa 作用时，求产生的电荷及输出电压：①零度X 切的纵向石英晶体；②利用纵向效应之BaTiO 3（压电陶瓷）。
已知：S=20 mm 2，δ=10mm ，P=10MPa ， 求：Q=？，V=？ 解：①∵ PS d F d Q 1111== 而：)/(1031.21211N c d -⨯= ∴ c PS d Q 10111062.4-⨯== 又∵ SQ S Q C Q U r r a εεδδεε00)/(/=== 而：)/(1085.85.412-0m F r ⨯==εε、 ∴ )(8.5797/0V SQ C Q U r a ===εεδ解②∵ PS d F d Q 3333== 而：)/(10901233N c d -⨯= ∴ c PS d Q 833108.3-⨯== 同上：又∵ SQ S Q C Q U r r a εεδδεε00)/(/=== 而：)/(1085.8120012-0m F r ⨯==εε、 ∴ )(3.1788/0V SQ C Q U r a ===εεδ2、某压电晶体的电容为1000pF;Kq=2.5C/cm,Cc=3000pF,示波器的输入阻抗为1M Ω和并联电容为50pF,求；①压电晶体的电压灵敏度；②测量系统的高频响应③如系统允许的测量幅值误差为5%,可测最低频率时多少？④如频率为10Hz,允许误差为5%,用并联方式，电容值是多少？已知：pF C M R pF C N c k pF C i i c q a 5013000/5.21000=Ω====；；；； 求： 解①∵ a q V C k k /= ∴ )/(105.29N V k V ⨯= 解②依据教材p113(6-14)式 ∵ ic a m im V C C Cd F U k ++=∞=33/)(；而：3333//d F F d F Q k q ===∴ )/(1017.68N V C C C k k ic a qV ⨯=++=解③依据教材p113(6-15)式 因： 222)(1)()(i c a i c a C C C R C C C R k +++++=ωωω高频响应时：1)(*=∞=k k而：%5)(**≤-kk k Lωγ 则：%95)(1)()(222≥+++++=i c a i c a C C C R C C C R k ωωω其中： 解得：Hz f LCL 5.1192==πω 解④因： %5)(**≤-k k k Lωγ 则： %95)(1)()(222≥+++++=i c a i c a C C C R C C C R k ωωω其中：解得：pF C C C C c a 48447=++=3、用石英晶体加速度计及电荷放大器测量机器的振动，已知：加速度计灵敏度为5pC/g,电荷放大器灵敏度为50mV/pC,当机器达到最大加速度值时相应的输出电压幅值为2V ,试求该机器的振动加速度。
半导体光电子器件课件
主要有半导体材料的能带结构、载流子类型和浓度、光吸收系数等。
降低阈值电流的方法
优化材料和结构，提高材料的质量和纯度，采用多量子阱结构等。
响应速度
响应速度
指光电子器件对输入光信号的反应速度，即输出电流或电压对输 入光信号的响应时间。
响应速度的限制因素
主要包括载流子的寿命、扩散长度、载流子注入和收集的效率等。
发射极是半导体光电子器件中的重要 组成部分，负责产生光子。
详细描述
发射极通常由掺杂的半导体材料制成， 通过注入载流子并经过一系列物理过 程，产生光子。发射极的性能直接影 响器件的发光效率和光谱特性。
增益介 质
总结词
增益介质是半导体光电子器件的核心部分，提供光放大作用。
详细描述
增益介质是半导体光电子器件中用于放大光信号的部分，通 常由多种不同掺杂浓度的半导体材料组成。在光的激发下， 增益介质中的载流子发生跃迁，释放出光子，实现光信号的 放大。
03 半导体光电子器件的材料
直接带隙半导体材料
直接带隙半导体材料的特点是导带和价带之间的跃迁是允许的，因此可以直接吸 收光子产生电子-空穴对。常见的直接带隙半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）、 硫化铅（PbS）等。
直接带隙半导体材料在光电子器件中应用广泛，如发光二极管（LED）、激光器 （LD）等。
02
宽禁带半导体材料在高温、高功 率光电子器件中具有优异性能， 如高亮度LED、高功率激光器等。
04 半导体光电子器件的制造 工艺
外延生长技术
总结词
外延生长技术是制造半导体光电子器 件的关键工艺之一，它通过在单晶衬 底上生长一层或多层具有所需晶体结 构和掺杂类型的单晶材料，实现器件 的制造。
第6章光电信号的变换及检测技术
xi
放 大 器
xo 负
载
ii Rs us
+ ui -
io Ri
RO u ’o RL
+ uo -
输出电流
输出电压 输出电阻
输入电阻Ri：——从放大电路输入端看进去的等效电阻。
Ri ui / ii ,
用来描述放大电路对信号源索取电流的大小，也表 示放大器对信号源的影响程度。
Company Logo
Pno / Psi Psi / Pni SNRi F Pni K p / Psi Pso / Pno SNRo
（2）电流放大器：
ii is
io
+ Ro uo RL Aioii -
RS 输入电阻Ri：R u / i , ii is , i i i RS Ri 为使ii尽可能接近is 提高电源利用率，Ri越小越好。
电流增益Ai： i
输入信号是电流，输出 信号也是电流，是一种 电流控制电流源。
Rs
+ ui Ri -
Company Logo
6.1 光电信号检测电路的噪声
6.1.3 前置放大器的噪声 前置放大器在放大有用信号的同时也将噪声放大。 对于微弱信号检测仪器或设备，前置放大器是引入噪声的 主要部件之一。 整个检测系统的噪声系数主要取决于前置放大器的噪声系 数。 仪器可检测的最小信号也主要取决于前置放大器的噪声。
lg10db613前置放大器的噪声61光电信号检测电路的噪声companylogowwwthemegallerycom为简单计设级数m3各级放大器本身产生的噪声功率分别为p1p2p3第一级放大器的输入噪声功率为pni则最后一级的输出噪声功率pno为增益k放大器1放大器2放大器mpipo1po2porses多联放大器的噪声系数61光电信号检测电路的噪声companylogowwwthemegallerycom级联放大器总的噪声系数f可推导出计算m级级联放大器总的噪声系数f的弗里斯公式级联放大器中各级的噪声系数对总噪声的影响是不同的越是前级影响越大第一级影响最大
第六章-表面钝化技术
二、LTP晶体管的特点
1. 减少结的漏电流
LTP晶体管漏电流是平面晶体管的1/100。
原因：发射极-基极结的漏 电流主要是通过结表面应力 和杂质堆积所造成的缺陷流 通的，在LTP工艺中用化学 腐蚀法除去了这一层，因此 大大减少了表面漏电流。
结漏电流特性
2. 提高电流放大系数
一、界面态（界面陷阱电荷 Qit ）
由于Si原子表面在晶体内部是周期排列，但到最表面一层 的Si原子，其外表面缺少一层Si原子，而使周期性中断， 造成表面存在未配对的悬空电子，这种未配对的悬空电 子称悬空键，悬空键因未配对而不稳定。
硅表面悬键
这种由于表面的悬空键引起的表面的电子态称为表面态。
当Si表面热生长一层SiO2后，因为有一部分表面悬空键与 SiO2中的氧的电子配对，使得悬空键的数目大大减少，这 种界面的电子态一般称为界面态。
Al2O3 具有负电荷效应。若改变磷-铝 玻璃层厚度，则对应的平带电荷密度 NFB和抗潮性也改变。
为了解决这些问题，需要在器件表面做一层钝化膜，以控制盒 稳定半导体表面特性，保护器件内部的互连，对器件提供机械和化 学保护。
对钝化膜的要求：稳定、绝缘、耐腐蚀和易加工。
§ 6.1 Si-SiO2界面特性
在SiO2内和Si-SiO2界面中有以 下四种类型的电荷：
➢界面态（界面陷阱电荷）。 ➢可动离子电荷。主要是带正电 的Na+、K+、Ｈ+等，可在SiO2层 中迁移。 ➢氧化层固定电荷。位于 SiSiO2界面附近20nm范围内，不 能在SiO2中迁移。 ➢氧化层陷阱电荷。
氧空位的出现即产生了正电荷，因其不太易移动，且固定在
Si-SiO2界面附近SiO2一侧约20nm范围内，故称固定电荷。
半导体光电器件
采用不同材料、工艺和结构制造的，用于光、电能量或信号转换的半导体电子器件统称为半导体光电器件。
这类器件种类很多，如发光二极管、激光二极管、光电二极管、光电三极管、光偶合器等。
1.8 半导体光电器件
1.8.1 光敏二极管
1.结构及原理
光敏二极管俗称光电二极管，是一种将光信号转换为电信号的受光器件。其图形符号为：
光电二极管的基本结构是一个PN结，它的管壳上设置有一个光线入射的玻璃窗口。光电二极管工作在PN结的反向特性。
在无光照射时，反向电流很小，此电流称暗电流。当有光照射时，由于PN结的光敏特性，产生光生载流子，在反向电压的作用下，光生载流子参与导电，形成比无光照射时大得多的反向电流，此电流称光电流。
3.应用
发光二极管广泛用于信号显示和传输。它单个作成矩形、圆形用，也可多个组成某种形状，如七段数码管。
共阴极连接
共阳极连接
1.8.4 光耦合器
1.结构
2.特点
1）隔离强电与弱电系统，绝缘电阻高。
2）抗干扰能力强.
输入
输出
由于输入与输出之间没有直接电气联系，信号传输是通过光耦合的，所以也称其为光电隔离器。
1.结构及原理
2.技术参数
双极型光敏三极管俗称光电三极管，其结构与普通三极管相似。光电三极管的有三个引脚，两个引脚结构的。两个引线结构中，聚光窗口即为基极。其图形符号为：
1.8.3 发光二极管
1.原理及结构
2.技术参数
发光二极管是一种将电能直接转换成光能的发光器件，简称LED，其图形符号为：
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单晶硅pn结太阳电池的基本结构
28
背电场(BSF)太阳能电池
为防止在衬底的背面附近由于载流子的复合引起效率的 减少，在背面实现与衬底同类型的高浓度掺杂的太阳能电池。
背电场太阳电池
29
BSF结构太阳能电池的能带图
背表面场对电池基区收集几率fc的影响 30
BSF结构对太阳电池光电转换效率的影响
31
43
(2)多晶硅高效电池
◆多晶硅材料制造成本低于单晶硅材料，
◆能直接制备出适于规模化生产的大尺寸方型硅锭,
◆制造过程简单、省电、节约硅材料， 因此具有更大降低成本的潜力。
44
多晶硅与单晶硅材料的差别主要是多晶硅内存在许多晶粒 间界。这给多晶硅太阳能电池带来以下三方面影响：
1、晶粒间界处存在势垒，阻断载流子的通过。 2、晶粒间界作为一种晶体缺陷，起着有效复合中心作用。
6.4.1 太阳能电池的I-V特性
I
ID RL IL V RL
h
图6-4 太阳能电池的理想等效电路
根据上述模型，其I-V特性可表示为:
qV I I L I 0 exp 1 nkT
10
(6-1)
式中V 为太阳电池的端电压，I0为二极管的反向饱和电流，IL为与入
当h< Eg时，光子不 被吸收，不产生载流 子；单位面积最大吸 收率或载流子生成率 是Eg的函数。
图6-8 禁带宽度对太阳能电池转换效率的影响
18
半导体类型对光子吸收的影响
3.0 2.0 h / eV 1.5 1.0 0.75
GaAs和非晶硅的吸收
吸收系数 / cm 1
106
300K Ge(C 1.24/E g 1.88 m) Ga.30 In.70 As.64 P.36 (1.4 m)
在AM1.5的光照下效率可达24.7%。
41
背面点接触型太阳能电池：
斯坦福大学的背面点接触电池： ＝22％
背面点接触型太阳能电池结构
42
在这种电池结构中，有以下特点： 1、结构新颖。正面无电极，因而栅极电极遮光损失为零， 同时，正面有绒面，并覆盖双层减反膜。基区薄（112 -152µm），背面引出点式负电极及连通基区的正电极。 2、工艺上采用氧化、光刻、磷和硼扩散及铝合金等集成电 路微加工技术。工艺成熟，可靠性强。 3、设计的pn结阵列，大大减小结面积，以此减小反向饱和 电流，达到提高开路电压的目的。
每年排放的二氧化碳达210万吨 化石能源开采高峰2020~2030年
可再生能源：风能、地热能、水能、潮汐能、太阳能等
↓
资源丰富、利用方便、洁净无污染 太阳能利用的重要途径之一是 研制太阳能电池！ 能源耗尽年份
3
太阳能电池的发展 1954年美国贝尔实验室制成了世界上第一只扩散pn结单 晶硅太阳电池，效率为6%，于1958年应用到美国的先 锋1号人造卫星上。 太阳能电池逐渐由航天等特殊的用电场合进入到地面应 用中。一个4KW的屋顶家用光伏系统可以满足普通家庭 的用电需要，每年少排放的CO2的数量相当于一辆家庭 轿车的年排放量。 由于材料、结构、工艺等方面的不断改进，现在太阳能 电池的价格不到20世纪70年代的1%。目前，年均增长 率超过35%，是能源技术领域发展最快的行业。
3、在形成pn结的工艺过程中，掺杂的原子会沿着晶粒间界 向下择优扩散，形成导电分流路径，增大漏电流。
20
影响转换效率的因素:
(1) 电压因子损失 只能利用入射光子能量中与内部电位差对应的能量。 (2) 表面反射损失 太阳能电池表面的光反射。 (3) 表面复合损失 光生载流子在太阳能电池表面和电极界面处复合。 (4) 串联电阻损失 光电流通过太阳能电池时因电极和半导体内的电阻 作用而产生焦耳热。 ………
紫外光太阳能电池
紫外光太阳能电池是为了防止太阳能电池的表面（受光面） 由于载流子的复合而使效率减小的电池。
紫外光太阳能电池
32
一般太阳能电池n+层的厚度在0.3-0.5µm，当用化学 腐蚀法使膜厚变为0.1-0.2µ m，就能减少“死层”，防止 或减弱在n+层表面附近的载流子的复合，提高光生空穴的 收集几率，使转换效率提高。这就是紫外光太阳能电池设
图6-3 太阳能电池的工作原理
8
当光子能量大于 p-n 结禁带宽度后，在 p区、n区和结区 光子被吸收会产生电子–空穴对；
电子与空穴向p-n结处运动； 电子和空穴在p-n结的内建电场作用下向相反方向运动 而分离，产生光生电动势； 结两侧与外电路接通后，电路中产生光生电流，实现功 率输出。
9
6.4 太阳能电池的性能参数
4
1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 其它地区 欧洲 日本 美国 合计 4.7 5 4.6 4.4 5.6 6.35 9.75 9.4 18.7 20.5 23.42 32.6 40 80 55 83.8 140 274 464 762 156
第 6 章 太阳能电池
1
主要内容
6.1 太阳能电池的发展及应用 6.2太阳辐照及其频谱 6.3 太阳能电池原理 6.4 太阳能电池的性能参数 6.5 太阳能电池的材料与结构
6.6 提高电池光电转换效率的研究
2
6.1 太阳能电池的发展及应用
背景 传统化石能源→ 不可再生、环境污染、能源枯竭
能源结构调整
53.7 60.8 74.97 100.3 120 104.2 139
46.5 55.4 57.9 60.09 69.44 77.6 88.6 125.8 154.9 201.3 287.7 390.5 561 742.3 1195 1656
图6-1 历年世界太阳电池产量 5
应用
太阳能庭院灯
太阳能交通信号灯 太阳能厕所
的最大功率Pm为:
Pm I mVm
式中 Im 和 Vm 分别为最佳工作电流和最佳工作电压。 将Voc与Isc的乘积与最大功率Pm之比定义为填充因子FF，则
Pm Vm I m FF Voc I sc Voc I sc
(6-4)
15
Im
最佳工作点
工作点
Vm
图6-7 太阳能电池的I-V特性和工作点
10.2 13.4 16.4 16.55 21.7 20.1 18.8 30.4 33.5 16.8 19.9 18.8 16.7 16.5 16.4 21.2 14.8 17.1 18.1 22.44 25.64 34.75 38.85 35 51 49
60.66 86.38 135 190.4 314 128.6 171.2 251 363.9 602
21
6.5 太阳能电池的材料与结构
太阳能电源装臵：
22
23
太阳能电池对材料的要求：
1.半导体材料的禁带不能太宽 2.要有较高的光电转换效率 3.材料本身对环境不造成污染 4.材料便于工业化生产且材料性能稳定
24
太阳能电池种类：
晶硅太阳能电池
1、硅系太阳能电池 据 所 用 材 料 分
多晶硅薄膜太阳能电池
37
表面钝化太阳能电池
MINP太阳能电池
80年代初，澳大利亚的研究小组研制出了转换效率18.7%的金 属-超薄绝缘层 -np 结（ Metal-Insulator-np Junction，简称 MINP）硅太阳能电池。
减反膜 极薄SiO2层 表面金属栅 减反膜 极薄SiO2层 表面金属栅
背面金属接触
19
透光深度
系数比单晶硅大得多， 透入深度只有1µm左右， 即几乎全部吸收入射光。
105
10 1
1
10 4 1
/ m
影响转换效率的因素:
新南威尔士大学对限制光伏转换效率的原因进行了研究:
图中①为透射损失；②为热损失 ； ③和④为 P- N结和接 触电压损失；⑤为电子 一空穴结合所造成的损失。
非晶硅薄膜太阳能电池
2、多元化合物薄膜太阳能电池
砷化镓III-V化合物 碲化镉 铜铟硒(CIS)
3、纳米晶化学太阳能电池
4、聚合物多层修饰电极型电池
25
2005 年太阳能电池市场各技术所占比例
26
6.5.1 晶硅太阳能电池
晶体硅太阳能电池产业链主线
27
(一) 向高效化方向发展 (1)单晶硅高效电池
16
FF取决于入射光强、材料的禁带宽度、二级管特性因子、
串联电阻和并联电阻等。 (4) 转换效率
太阳电池的转换效率η定义为太阳电池的最大输出功率 与照射到太阳电池的总辐射能Pin之比，即
Pm 100% Pin FFVoc I L 100% Pin
(6-5)
17
禁带宽度对转换效率的影响
太阳能屋顶
6
未来的太阳能车
6.2 太阳辐照及其频谱
UV Visible Infrared
太0 AM-1.5 100mW/cm2
47%
评价地面太阳能电池
性能的标准条件
图6-2 大气层外和地表上的太阳能光谱
7
6.3 太阳能电池原理
0.5 0.4
0.5
Isc /mA
开路电压
Uoc/V
0.4
0.3
短路电流
0.3 0.1 短路电流
0.3 0.2 0.1
0.2
0.1
6 L/klx
8
10
0
1
2
(a) 硅太阳电池
3 L/klx
4
5
(b)硒太阳电池
图6-6 Isc 和 Voc与光强的关系