【正文】 。 藍(lán)光產(chǎn)生于 GaxIn1xN 區(qū)域的輻射性復(fù)合作用 ，而 GaxIn1xN 如三明治般被夾于 兩個較大禁帶寬度的半導(dǎo)體之間 ：一個是 p型的 AlxGa1xN層 ， 一個是 n型的 GaN層 。 在 高正向偏壓 時 ， 二極管的電流則是以 輻射性擴(kuò)散電流為主 。 ? ? ? ??????? ???????? ??kTIRvqIkTIRvqII srsd 2e xpe xp發(fā)光二極管 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 22 LED的發(fā)射光譜近似于人眼反應(yīng)曲線 。 例如 ， 在λ m=(綠光 )時 FWHM 大約為20nm ， 但在(紅外光 )時 ，F(xiàn)WHM 將 超 過120nm。 彩色環(huán)氧鏡片玻璃窗金屬容器金屬頭座玻璃絕緣體)( ?負(fù)極)(＋正極＋圖 8. 11 兩種 LED 燈具的結(jié)構(gòu)圖發(fā)光二極管 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 24 人們對于發(fā)展白光 LED以供一般照明之用一直保持著極大興趣 ， 因?yàn)?LED的效率是白熾燈泡的 3倍 ， 而且可以維持 10倍長的壽命 。 近年來 ， 人們已著手研究某些有機(jī)半導(dǎo)體材料在電致發(fā)光上的應(yīng)用 。 基本的 OLED是在透明襯底 (如玻璃 )上淀積數(shù)層薄膜 。 右圖所示為一光隔離器 ， 紅外光LED作為光源 ， 光電二極管作為探測器 。 右圖表示一種簡單的點(diǎn)對點(diǎn)光纖通信系統(tǒng) ， 利用一個光源 (LED或激光 )可將電的輸入信號轉(zhuǎn)變成光的信號 。 利 用 異 質(zhì) 結(jié) ( 如GaInAsPInP)可以提高效率 ， 因?yàn)榄h(huán)繞在輻射性輻射區(qū) GaInAsP周圍具有高約束的半導(dǎo)體 InP會有約束載流子的作用 。 由于這些特性 ， 所以半導(dǎo)體激光是光纖通信中最重要得光源之一 。 因?yàn)橹苯咏麕О雽?dǎo)體的動量守恒 ， 因此 有較高的輻射性躍遷幾率 。 下圖所示為 Ⅲ V族二元 ， 三元及四元化合物的禁帶寬度與晶格常數(shù)的關(guān)系 。 在 x＜ ， 此合金為 直接禁帶 半導(dǎo)體 ， 超過此值后則變成 間接禁帶 半導(dǎo)體 。 0 g?Eg?Eg?E直接禁帶間接禁帶g?EG aAs Al Asx，物質(zhì)的量的比 A lAs系禁帶寬度與其成分的關(guān)AsGaAl)(1 xxa圖 8. 190 G aAs Al Asx，物質(zhì)的量的比 A lAs??hK297?T系的折射率與其成分的關(guān)時在 AsGaAl38 )(1 xxbn折射率eV/Eg禁帶寬度0 g?Eg?Eg?E直接禁帶間接禁帶g?EG aAs Al Asx，物質(zhì)的量的比 A lAs系禁帶寬度與其成分的關(guān)AsGaAl)(1 xxa圖 8. 190 G aAs Al Asx，物質(zhì)的量的比 A lAs??hK297?T系的折射率與其成分的關(guān)時在 AsGaAl38 )(1 xxbn折射率eV/Eg禁帶寬度半導(dǎo)體激光 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 32 分布反轉(zhuǎn) :為了增強(qiáng)激光工作所需的受激輻射 ， 需要分布反轉(zhuǎn) （ 必要條件 ） 。 結(jié)果 在 d區(qū)域中 ， 導(dǎo)帶有大量的電子而價帶則擁有大量的空穴 ， 這就是分布反轉(zhuǎn)所需的條件 。 而第二層和第三層界面間的 θ23也有相似的情況發(fā)生 。 只要分布反轉(zhuǎn)的條件持續(xù)存在 ， 通過受激輻射放出的光子就 有可能 引發(fā)更多的受激輻射 。 反 射 平 面L)(無 源 區(qū))(無 源 區(qū))(有 源 區(qū)02/dx ??2/dx ??3n2n1n反 射 平 面無 源 區(qū)無 源 區(qū)有 源 區(qū)三 層 介 質(zhì) 的 波 導(dǎo) 管)( a波 導(dǎo) 管 內(nèi) 光 傳 播 的 軌 跡)( b圖8 . 2 13n2n1n1 2q1 2q2 3q2 3qA s )G aA l3 ( p1 xx ?層層2 ( G a A s )層層A s )G aA l1 ( n1 xx ?層層對于半導(dǎo)體激光而言 ， 構(gòu)成器件的晶體的 劈裂面 可以作為此鏡面 。 半導(dǎo)體激光 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 36 如果 兩鏡面間的距離恰好是半波長的整數(shù)倍 時 ， 增強(qiáng)且相干的光會在腔中被來回地反射 。 Lnm ??????? 2? Lnm 2??即 ???長軸模式?光增益光衰減發(fā)光光譜自發(fā)輻射衰減腔中的激光腔中的共振模式)( a 自發(fā)輻射光譜)( b光增益波長)( c激光模式?圖 8. 22?? ?長軸模式?光增益光衰減發(fā)光光譜自發(fā)輻射衰減腔中的激光腔中的共振模式)( a 自發(fā)輻射光譜)( b光增益波長)( c激光模式?圖 8. 22?? ?長軸模式?光增益光衰減發(fā)光光譜自發(fā)輻射衰減腔中的激光腔中的共振模式)( a 自發(fā)輻射光譜)( b光增益波長)( c激光模式?圖 8. 22半導(dǎo)體激光 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 37 圖中在橫軸方向上 可容許模式間的間距 Δλ是相當(dāng)于 m與m+1波長的差 。 沿著 垂直于＜ 110＞軸的方向劈成一對平行面 ，外加適當(dāng)?shù)钠珘簵l件時 ， 激光就能從這些平面發(fā)射出來 (圖中僅示出前半面的發(fā)射 )。 圖 (a)及圖 (b)所示的激光結(jié)構(gòu)為大面積激光 ， 因?yàn)檠刂Y(jié)的整個區(qū)域皆可發(fā)出激光 。 橫向縱向金屬接觸GaAspG aAsn接觸Lxy?? 110z橫向縱向同質(zhì)結(jié)激光)( aAsGaAlp1 xx ?AsGaAln1 xx ?GaAsp激光雙異質(zhì)結(jié) )DH()( b金屬氧化物Ga Asp ??AsGaAlp1 xx ??G aAsp ?AsGaAln1 xx ??襯底G aAsLsd激光長條狀 DH)( c圖 3 法布里 波羅腔形態(tài)的半導(dǎo)體激光結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 40 域值電流密度 ：激光工作中最重要的參數(shù)之一是域值電流密度 Jth， 亦即 產(chǎn)生激光所需的最小電流密度 。 100 200 300210310410510m300 ??? L波羅腔法布里)cm/A105(24?約結(jié)傳統(tǒng)的 np ?)cm/A10(23約)( ??d雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)波羅腔法布里約結(jié)傳統(tǒng)的約雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)K/T圖 4 圖 20 中兩種激光結(jié)構(gòu)的域值電流密度與溫度關(guān)系圖)cmA(2??域值電流密度半導(dǎo)體激光 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 41 在半導(dǎo)體激光中的 增益 g是每單位長度的光能通量增加量 ， 它與電流密度有關(guān) 。 在 50cm1≤g≤400cm1內(nèi) ， 增益是隨著 Jnom成線性增加的 。 ? ?? ?000 JJJgg nom ??現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 42 0 2 4 6 8 10 12 140100200300400500G aAsK297?T317DAcm104???? NN)mA/cm10/(23nom??J額定電流密度圖 5 增益系數(shù)與額定電流密度的變化圖 . 虛線部分表示其線性關(guān)系1cm/g?增益系數(shù)在 低電流 時 ， 會在各個方向上產(chǎn)生 自發(fā)輻射 。 已知前方與后方鏡面的反射率分別為 ， 光學(xué)腔的長度與寬度分別為 300 μm與 5 μm， α=100cm1，β= 圖 b則是域值電流對溫度的關(guān)系圖 。 光探測器的工作包括三個步驟： ① 由入射光產(chǎn)生載流子； ② 通過任何可行的電流增益機(jī)制 ， 使載流子傳導(dǎo)及倍增； ③ 電流與外部電路相互作用 ， 以提供輸出信號 。 光敏電阻 光敏電阻包含一個簡單的半導(dǎo)體平板 ，而在平板兩端則具有歐姆接觸 ， 如圖 。 在 非本征 光敏電阻中 ， 能帶邊緣及禁帶內(nèi)的能級之間也會產(chǎn)生光激發(fā) 。 假如探測器的厚度 D遠(yuǎn)大于光穿透深度 1/α， 則 每單位體積內(nèi) 全部的穩(wěn)態(tài)載流子產(chǎn)生率為 其中 η是量子效率 ， 亦即每個光子產(chǎn)生載流子的數(shù)目； n是載流子濃度 ， 亦即每單位體積內(nèi)載流子的數(shù)目 。 ELvLtndr ??? 對于 少數(shù)載流子壽命很長 且 電極間的距離很小 的樣品 ， 其增益會大于 1。 一般光敏電阻的響應(yīng)時間為 103s~1010s， 它們被大量應(yīng)用于紅外光偵測 ， 尤其是波長大于幾微米以上的區(qū)域 。 解 : 由式 得 ))(( L EhvPqI noptP ????AAcmcmVssVcmsqI P?41041010/5000105)/(2500)/(6410212????????????????????個光子因此 50001052500 410?? ????? ??LEG n ??光探測器 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 51 光電二極管基本上是一個工作于 反向偏壓 的 pn結(jié)或金屬 半導(dǎo)體接觸 。 一 、 量子效率 η ：每個入射光子所產(chǎn)生的電子 空穴對數(shù)目 . 決定 η的重要因素之一是 吸收系數(shù) α。 每一種材料對光響應(yīng)存在一個合適的范圍 光電二極管 1 110210310410510610 3102101101110?210?m)(0. 51C dS?m)(0. 82Si?? ?m)Si( ?m)(0. 87Ga As?m)(1 .4PAsInGa.?m) 4/EGe(gC?? ??K300m/ ?波長圖 數(shù)種半導(dǎo)體材料的光吸收系數(shù) ( 括號內(nèi)的數(shù)值為截止波長 )eV/?hm/1??透光深度1cm/??吸收系數(shù)現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 52 下圖是一些高速光電二極管的典型的量子效率與波長的關(guān)系 。 而在更長的波長 ， 為了高效率地工作 ，可將光電二極管予以冷卻(如冷卻至 77K)。 如果耗盡區(qū)足夠?qū)挼脑?， 絕大部分的光線都會被吸收 ,然而 耗盡區(qū)不能太寬 ， 因?yàn)槎稍綍r間效應(yīng)會限制頻率響應(yīng) 。 光電二極管 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 54 pin光電二極管 pin光電二極管是最常用的光探測器之一 ， 其 耗盡區(qū)厚度 (本征層 )可予調(diào)制以優(yōu)化量子效率及頻率響應(yīng) 。在耗盡區(qū)或其擴(kuò)散長度內(nèi)的電子 空穴對終會被電場所分開 ， 導(dǎo)致載流子漂移出耗盡層而產(chǎn)生外部電路電流 。 太陽能電池 正面指狀條形接觸 1cm cm 2 n p m 4 / 1 ? 正面指狀條形接觸? h 抗反射涂層 mm 5 . 0 m 4 / 1 ? Si p cm 1 型 ? W 背面接觸 結(jié) n p 抗反射涂層型背面接觸結(jié)現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 56 圖 (a)和 (b)分別為太陽輻射下的 pn結(jié)能帶圖及其等效電路 。 選擇適當(dāng)?shù)呢?fù)載 ， 可以得到接近 80％ 的 ISCVOC乘積 。 若要使效率最大 ， 必須使 η表達(dá)式 分子中的三項(xiàng)全都最大