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半導(dǎo)體光電子器件
閱讀�5887�(shí)間:2017-11-28 09:28:36

利用半導(dǎo)體光-電子(或�-光子)轉(zhuǎn)換效�(yīng)制成的各種功能器�。它不同于半�(dǎo)體光器件(如光波�(dǎo)開關(guān)、光�(diào)制器、光偏轉(zhuǎn)器等�。光器件的設(shè)�(jì)原理是依�(jù)外場(chǎng)�(duì)�(dǎo)波光傳播方式的改變,它也有別于早期人們襲用的光電器件。后者只是著眼于光能量的接收和轉(zhuǎn)換(如光�電阻、光電池等)。早期的光電器件只限于被�(dòng)式的�(yīng)用,60年代作為相干光載波源的半�(dǎo)�激光器的問�,則使它�(jìn)入主�(dòng)式應(yīng)用階�,光電子器件組合�(yīng)用的功能在某些方面(如光通信、光信息處理等)正在�(kuò)展電子學(xué)難以�(zhí)行的功能�

原理

  早在19世紀(jì)末就已經(jīng)開始研究半導(dǎo)體硒中的光電�(xiàn)象,后來(lái)硒光電池得到�(yīng)�,這幾乎比晶體管的�(fā)明早80年,但當(dāng)�(shí)人們對(duì)半導(dǎo)體還缺乏了解,�(jìn)展緩��30年代開始的對(duì)半導(dǎo)體基本物理特性(如能帶結(jié)�(gòu)、電子躍遷過(guò)程等)的研究,特別是�(duì)半導(dǎo)體光�(xué)性質(zhì)的研究為半導(dǎo)體光電子器件的發(fā)展奠定了物理基礎(chǔ)�1962�,R.N.霍耳和M.I.�(nèi)森研制成功注入型半導(dǎo)體激光器,解決了高效率的光信息載波源,擴(kuò)展了光電子學(xué)的應(yīng)用范�,光電子器件因而得到迅速發(fā)展�

分類

 ?、侔l(fā)光二極管(LED)和激光二極管(LD):將電能轉(zhuǎn)換成光輻射的電致�(fā)光器件。發(fā)光管的發(fā)散角�,光譜范圍寬,壽命長(zhǎng),可靠性高,調(diào)制電路簡(jiǎn)�,成本低,廣泛用于速率不太�、傳輸距離不太遠(yuǎn)的通信系統(tǒng),以及顯示屏和自�(dòng)控制等。激光管的光譜較�、發(fā)散角小、方向性強(qiáng)、色散小,于1962年研制成功后,得到迅速發(fā)�,廣泛用于大容量、長(zhǎng)距離的光纖通信系統(tǒng)以及光電集成電路。缺�(diǎn)是溫度特性差,壽命比LED短�
 ?、诠怆娞綔y(cè)器或光電接收器:通過(guò)電子�(guò)程探�(cè)光信�(hào)的器�。即將射到它表面上的光信�(hào)�(zhuǎn)換為電信�(hào),如PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD)等,現(xiàn)代廣泛用于光纖通信系統(tǒng)�
 ?、厶�?yáng)電池。將光輻射能�(zhuǎn)換成電能的器��1954年應(yīng)用硅PN�(jié)首先研制成太�(yáng)電池。它能把�(yáng)光以高效率直接轉(zhuǎn)換成電能,以低運(yùn)行成本提供性的電力,并且沒有污�,為最清潔的能�。根�(jù)其結(jié)�(gòu)不同,其效率可達(dá)5%�20%�

器件分類

  光電子器件可分為體光電子器件、正反向�(jié)光電子器�、異�(zhì)�(jié)和多�(jié)光電子器��
  它是�(jié)�(gòu)上最�(jiǎn)單的一類光電子器件。半�(dǎo)體材料吸收能量大于禁帶寬度的入射光子,激�(fā)出非平衡電子-空穴對(duì)(稱為本征激�(fā))。它�?cè)谕鈭?chǎng)下參與導(dǎo)�,產(chǎn)生光電導(dǎo)。如屬不均勻的表面激�(fā),則光生載流子在有濃度梯度下的擴(kuò)散將�(dǎo)致內(nèi)�(chǎng)的建�,即光生伏電效應(yīng)。擴(kuò)散電流受磁場(chǎng)的作�
  而偏�(zhuǎn),產(chǎn)生光磁電效應(yīng)。依�(jù)這些物理效應(yīng)已經(jīng)制出各種波段(特別是紅外波段)光電探�(cè)�,如InSb、HgCdTe光電探測(cè)器,在軍事上已獲得廣泛應(yīng)��
  體光電探�(cè)器也可以用摻入深能級(jí)雜質(zhì)的方法制�。如摻Au、Hg的Ge探測(cè)器,是一種很靈敏的紅外探�(cè)�。光生載流子是由深能�(jí)雜質(zhì)中心激�(fā)�,稱為非本征激�(fā)。這類探測(cè)器大多在很低溫度下工作(如液氦溫�4.2K��
  正向�(jié)光電子器�
  在正向大偏置下半�(dǎo)體PN�(jié)�(jié)區(qū)附近將注入大量非平衡載流�,利用復(fù)合發(fā)光效�(yīng)可制成各種顏色發(fā)光二極管。電子儀表上普遍使用的紅、綠色半�(dǎo)體指示燈、數(shù)碼管,就是用GaAsP、GaP、AlGaAs等材料制成的。固�(tài)�(fā)光管功耗低、體積小、壽命長(zhǎng),已逐步取代真空�。用GaAs制成的發(fā)光管,發(fā)光效率很�,發(fā)射波�(zhǎng)�9000�,屬人眼不靈敏的近紅外波�,廣泛用作光電控制和早期光通信的光�。只半導(dǎo)體激光器就是用高摻雜GaAs的PN�(jié)制成�,雖然現(xiàn)代半�(dǎo)體激光器已被異質(zhì)�(jié)器件所取代,但基本上仍屬正向結(jié)�(jié)�(gòu)�
  反向�(jié)光電子器�
  PN�(jié)中由于兩�(cè)電荷的轉(zhuǎn)移在�(jié)區(qū)建立很強(qiáng)的內(nèi)�(chǎng)(達(dá)104�/厘米以上),�(dǎo)致能帶彎�,形成PN�(jié)�(shì)壘。光生載流子一旦擴(kuò)散入�(jié)區(qū)即被�(nèi)�(chǎng)掃向兩側(cè)�(gòu)成光生電�。硅光電池和光敏二極管就是利用反向結(jié)特性工作的器件。硅光電池作為太�(yáng)能電源在人造衛(wèi)星上已得到應(yīng)�,中�(guó)“東方紅�2�(hào)人造衛(wèi)星就使用了硅光電�。硅光電池能量轉(zhuǎn)換效率已接近15%的理論�。光敏二極管是廣泛使用的光檢�(cè)器件,為了提高量子效率和響應(yīng)速度,必須盡量擴(kuò)大耗盡區(qū)(即電場(chǎng)區(qū)�,因此實(shí)用的半導(dǎo)體光電二極管都施加反向偏�,量子效率可�(dá)�80%以上,響�(yīng)�(shí)間可小于納秒,光纖通信系統(tǒng)使用的Si-PIN檢測(cè)器就是典型的一��
  如果施加足夠大的反向偏置,光生載流子在結(jié)附近某區(qū)域的�(qiáng)電場(chǎng)下加�,其能量可達(dá)到引起晶格碰撞電離的閾�。這種電離�(guò)程呈雪崩式鏈鎖反�(yīng),因而可得到�(nèi)部增益。利用這種�(guò)程可制出快速靈敏的光檢�(cè)�,稱半導(dǎo)體雪崩光電二極管(APD)。它在長(zhǎng)距離、大容量光纖通信系統(tǒng)中得到應(yīng)��
  異質(zhì)�(jié)光電子器�
  60年代以來(lái),半�(dǎo)體外延生�(zhǎng)技�(shù)迅速發(fā)�。利用外延生�(zhǎng)技�(shù)可以把不同半�(dǎo)體單晶薄膜控制生�(zhǎng)在一�,形成異�(zhì)�(jié)或異�(zhì)�(jié)�(gòu)。適�(dāng)選擇異質(zhì)�(jié)�(gòu)可以獲得一些新的電�(xué)特性,如單向注入特�、載流子定域限制效應(yīng)、負(fù)電子親和�(shì)�,在光學(xué)上具有窗口效�(yīng)、光波導(dǎo)特性等。異�(zhì)�(jié)的新特性不僅使原有的光電子器件性能得到很大改善,同�(shí)還借以研制成許多新功能器件(如量子阱激光器、雙�(wěn)�(tài)光器件等)。雙異質(zhì)�(jié)激光器的發(fā)明是異質(zhì)�(jié)研究方面的一�(gè)重大成就。采用異�(zhì)�(jié)�(gòu)以后,激光器有源區(qū)可精確控制在0.1微米量級(jí)。把注入載流子和光都局限在這�(gè)薄層中,使激光器閾值電流密度降�2�3�(gè)量級(jí),達(dá)�103�/厘米2以下,從而實(shí)�(xiàn)低功耗(毫瓦�,長(zhǎng)命壽(外推百�(wàn)小時(shí)�、室溫連續(xù)波工作等目的。異�(zhì)�(jié)在光電子�(xué)中的另一成就�70年代出現(xiàn)的半�(dǎo)體光陰極。以前采用的光陰極材料屬正電子親和勢(shì)材料(如Cs3Sb-CsO等),量子產(chǎn)額很�,且基本上由熱電子弛豫時(shí)間決定(10-12秒量�(jí))。利用半�(dǎo)體異�(zhì)�(jié)(如GaAs、InGaAsP-CsO等)�(fù)電子親和�(shì),使量子�(chǎn)額提�3�(gè)�(shù)量級(jí)以上,量子產(chǎn)額由非平衡載流子壽命�10-8秒量�(jí))決�;適�(dāng)選擇材料可使響應(yīng)波長(zhǎng)�(kuò)展到紅外波段。這類�(fù)電子親和�(shì)光陰極特別適用于軍事夜視?!±卯愘|(zhì)�(jié)窗口效應(yīng)改善了太�(yáng)電池的能量轉(zhuǎn)換效�。與硅光電池的理論極限相�,能量轉(zhuǎn)換效率得到成倍提�。在研制成的20種以上異�(zhì)�(jié)光電池中�(zhuǎn)換效率的是AlGaAs/GaAs,�(dá)�23%。異�(zhì)�(jié)太陽(yáng)電池雖成本較�,但適用于特殊用途(如空間應(yīng)用)�
  根據(jù)器件功能�(shè)�(jì)的需�,可以連續(xù)生長(zhǎng)兩�(gè)以上多層異質(zhì)�(jié)。這種多結(jié)光電子器件可以是二端工作�,也可以是三端或多端�。AlGaAs/GaAsPNPN�(fù)阻激光器就是一種多�(jié)二端器件,它是將普通的PNPN閘流管和雙異�(zhì)激光器組合成一體的�(fù)合功能器�。為了兼顧電�(xué)上的全導(dǎo)通和激光器低閾值要求,通常制成NpPpnP�(jié)�(gòu)。其中大寫字母表示寬帶隙材料,小寫字母表示窄帶隙材料。這種�(fù)阻激光器適用于光電自�(dòng)控制方面�
  光晶體管是一種多層雙�(jié)三端器件,它也是一種有�(nèi)部電流增益的光電探測(cè)�。它不受碰撞電離噪聲的限制,因此在長(zhǎng)波長(zhǎng)低噪聲探�(cè)器應(yīng)用方面可與半�(dǎo)體雪崩光電二極管相媲��
  最典型的多�(jié)器件是量子阱激光器。量子阱激光器的有源區(qū)由多層超晶格材料�(gòu)成,在超晶格�(jié)�(gòu)中窄帶隙材料形成極薄二維電子(或空穴,或二者兼有)�(shì)�,導(dǎo)帶中的準(zhǔn)連續(xù)的電子態(tài)變成量子�,電子空穴的�(fù)合發(fā)光發(fā)生在這些量子化的分立狀�(tài)之間,所以能在相�(dāng)程度上克服半�(dǎo)體激光器能帶工作的弱�(diǎn)。譜線變�,溫度系�(shù)變小,而且還可以通過(guò)注入電流密度的改�,對(duì)�(fā)射波�(zhǎng)�(jìn)行調(diào)�。它將擴(kuò)展半�(dǎo)體激光器的應(yīng)用領(lǐng)��

基本物理�(guò)�

  從能帶論的觀�(diǎn)出發(fā),半�(dǎo)體中電子狀�(tài)的分布如�1,常溫下低能量的帶(價(jià)帶)中的狀�(tài)基本上為�(jià)電子所填充,高能量的帶(導(dǎo)帶)中的狀�(tài)則空著,二者之間被寬度為Eg的禁帶所隔離。在此情況下半導(dǎo)體的�(dǎo)電特性很差,只有�(fā)生在�(dǎo)帶中的電子或�(jià)帶中的空�(tài)(空穴)才能在外�(chǎng)�(qū)使下參與�(dǎo)��

�(nèi)光電效應(yīng)

  �(dāng)�(jià)帶中的電子吸收了能量大于禁帶寬度的光子就能夠躍遷到導(dǎo)帶中,與此同�(shí)在價(jià)帶中留下空穴,統(tǒng)稱為光生載流子,由此�(chǎn)生的附加�(dǎo)電現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)。在外場(chǎng)�(qū)使下光生載流子貢�(xiàn)的電流稱為光電流。這種光電子效�(yīng)因發(fā)生在半導(dǎo)體內(nèi),故稱為�(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)是一切光電子接收和能量轉(zhuǎn)換器件的基礎(chǔ)�

外光電效�(yīng)

  半導(dǎo)體中電子吸收較高能量的光子而被激�(fā)成為熱電�,有可能克服晶格�(chǎng)的束縛逸出體外成為自由電子,這又稱光電子�(fā)射效�(yīng)。圖是一�(gè)具有理想表面的半�(dǎo)體的能帶�,EC、EV分別表示�(dǎo)帶底和價(jià)帶頂,E0為體外真空能�(jí),x為電子親和勢(shì)(表示�(dǎo)帶底的電子逸出體外所需克服的晶體束縛能�,EF為費(fèi)米能�(jí)位置,φ為逸出�,ET=x+EV為光電子�(fā)射閾��

  半導(dǎo)體中電子吸收較高能量的光子而被激發(fā)成為熱電子,有可能克服晶格場(chǎng)的束縛逸出體外成為自由電子,這又稱光電子發(fā)射效應(yīng)。圖是一個(gè)具有理想表面的半導(dǎo)體的能帶圖,EC、EV分別表示導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂,E0為體外真空能級(jí),x為電子親和勢(shì)(表示導(dǎo)帶底的電子逸出體外所需克服的晶體束縛能),EF為費(fèi)米能級(jí)位置,φ為逸出功,ET=x+EV為光電子發(fā)射閾能。
  半導(dǎo)體表面對(duì)�(huán)境氣氛和接觸材料很敏�。表面層�(duì)外來(lái)電荷(正的或�(fù)的電荷)的吸附引起表面能帶的彎曲(向上或向下�,劇烈地影響半導(dǎo)體中光電子發(fā)射的特性。圖中的墹E表示表面能帶向下彎曲的勢(shì)�,實(shí)際有效電子親和勢(shì)xeff=x-墹E。如果墹E>x,則xeff就成為負(fù)�。負(fù)電子親和�(shì)(NEA)材料(如GaAs、InGaAsP與Cs2O的接觸)的光電子�(fā)射的量子�(chǎn)額相�(dāng)可觀,是�(fā)展半�(dǎo)體光陰極的重要基�(chǔ)�

實(shí)際表面半導(dǎo)體能帶圖

�(fā)光效�(yīng)

  1952�,發(fā)�(xiàn)了硅、鍺半導(dǎo)體材料注入發(fā)光的�(xiàn)象。注入到半導(dǎo)體中的非平衡電子-空穴對(duì)以某種方式釋放多余的能量而回到初始平衡狀�(tài)。輻射光子是一種釋放能量的方式,但是由于鍺、硅都屬間接帶材料(�(dǎo)帶底與價(jià)帶頂不在�(dòng)量空間的同一位置�,為了滿足躍遷過(guò)程的�(dòng)量守恒原則,這就要求大量聲子同時(shí)參與躍遷�(guò)�,屬多體�(guò)程。因此帶間復(fù)合發(fā)光的效率很低(小�0.01%)。許多化合物材料如GaAs、InGaAsP為直接帶材料(導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂在動(dòng)量空間同一位置),帶間輻射躍遷�(guò)程幾乎無(wú)需聲子參與。因此發(fā)光效率很高,大注入下�(nèi)量子效率幾乎�(dá)100%,高效率的電�-空穴�(duì)�(fù)合發(fā)光效�(yīng)是一切半�(dǎo)體發(fā)光器件的物理基礎(chǔ)�

展望

  半導(dǎo)體激光器特別是室溫連續(xù)波工作的雙異�(zhì)�(jié)激光器出現(xiàn)�,�(jìn)入了光電子器件范疇,其應(yīng)用領(lǐng)域也從被�(dòng)式應(yīng)用時(shí)期�(jìn)入主�(dòng)式應(yīng)用階�。光通信是光電子�(xué)取得的�(gè)重大成就。光通信具有損耗低、容量大、保密性強(qiáng)和抗電磁干擾的優(yōu)�(diǎn),因此它將成為社�(huì)生活不可缺少的重要部�。計(jì)算機(jī)中的相干光存�(chǔ)和激光讀出技�(shù)是光電子器件另一重要�(yīng)用。相干光全息存儲(chǔ)技�(shù)可以提高�(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)的容�。激光讀出則可提高信息取出速度。雙�(wěn)�(tài)光學(xué)器件的研究引起人們對(duì)光計(jì)算機(jī)的關(guān)�。人們有可能在計(jì)算機(jī)中首先采用信息的光傳輸技�(shù)�(lái)提高�(yùn)算速度,全光計(jì)算機(jī)也是人們探索的一�(gè)方向�

維庫(kù)電子�,電子知�(shí),一查百��

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