《半导体光电子器》PPT课件.ppt

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1、半半导体光体光电子器件子器件1409-91、11、12、班、班1 “Complete Guide to Semiconductor Device”指出：指出：半半导体器件有体器件有67种，种，110余余变种。种。概概述述2构构结本基本基基本基本结构构漂移漂移-扩散散电子器件子器件半半导体器件基本体器件基本类型型pn结MISM-S异异质结组合合光光电子器件子器件电子子-光子光子互作用物理互作用物理过程程理理论基基础理理论基基础3课程主要内容程主要内容CH1 半半导体光体光电子器件物理基子器件物理基础CH2 半半导体太阳体太阳电池（池（Solar Cells）CH3 半半导体光体光电探探测器（器（

2、Photodetectors）CH4 半半导体体电荷耦合器件（荷耦合器件（CCD）CH5 半半导体体发光二极管（光二极管（LED）CH6 半半导体激光器（体激光器（LD）4层次次基本基本结构与原理构与原理主要概念与性能主要概念与性能理理论基基础与机理与机理性能提升与措施性能提升与措施重点理解与掌握重点理解与掌握基本物理概念基本物理概念 基本物理基本物理过程程 基本物理基本物理图像像5Ch1 半半导体光体光电子器件物理基子器件物理基础一、一、pn结二、二、MIS结构构三、三、金属与半金属与半导体接触体接触四、四、异异质结与量子阱与量子阱五、五、半半导体光吸收与光体光吸收与光辐射射六、六、平板介平

3、板介质光波光波导基本理基本理论 基本物理属性基本物理属性 基本基本电学特性学特性61-1 pn结（同（同质）一、基本物理属性一、基本物理属性 1、基本、基本类型型 2、空、空间电荷区与自建荷区与自建电场 3、能、能带结构（平衡与非平衡）构（平衡与非平衡）4、载流子分布（平衡与非平衡）流子分布（平衡与非平衡）二、基本二、基本电学特性学特性 1、载流子流子输运运过程程 2、I-V特性特性 3、势垒电容与容与扩散散电容容 4、击穿机制及机理穿机制及机理7空空间电荷区形成物理荷区形成物理过程及属性程及属性8能能带结构及构及载流子分布流子分布?9P区区n区区pp0pn0nn0np0pn0exp(qVF/

4、kT)np0exp(qVF/kT)P区区n区区pp0pn0nn0np0pn0exp(qVR/kT)np0exp(qVR/kT)正正 偏：偏：反反 偏：偏：10费米能米能级11载流子流子输运运过程程12I-V特性特性LnLp?WPWn13势垒电容物理机制容物理机制P区区n区区P区区n区区空穴空穴补偿电子子补偿空穴空穴释放放电子子释放放偏偏压上升：上升：变窄窄偏偏压下降：下降：变宽14扩散散电容物理机制容物理机制P区区n区区pn151-2 MIS结构构一、一、MIS结构物理基构物理基础 1、半、半导体表面状体表面状态与能与能带结构构 2、半、半导体表面体表面势与表面与表面电荷荷 3、氧化、氧化层电

5、荷与界面荷与界面态作用作用 4、强反型与反型与阈值电压 5、深耗尽状、深耗尽状态及机理及机理二、二、MISFET电学特性学特性 1、MISFET基本原理与基本原理与结构构 2、MISFET基本基本类型与特性型与特性16MIS基本基本结构及属性构及属性VGn-Si or p-SimetalinsulatorVoxVSSurface Space Charge Region17(WmWs)/q(EiEF)/q可略可略表面状表面状态与能与能带结构构表面表面势与表面与表面电荷荷?强反型与反型与阈值电压?VG=VT=VFB(Q反反+Q耗尽耗尽)/Cox+2F =VFBQ耗尽耗尽/Cox+2F VFB=ms

6、 QSiO2/Cox 18深耗尽状深耗尽状态及机制及机制VGVGVGdVG/dt ppp19VGVTp-SiMOSFET结构、原理及构、原理及类型型n+n+结构及构及类型型?201-3 金属与半金属与半导体接触体接触一、金一、金-半接触物理基半接触物理基础 1、金、金-半接触半接触类型与能型与能带结构构 2、势垒形成与界面形成与界面态 3、空、空间电荷区与荷区与电势二、肖特基二、肖特基结基本基本电学特性学特性 1、基本、基本电学特性学特性 2、载流子流子输运运过程及机制程及机制21势垒接触接触22非非势垒接触接触23非非势垒接触（欧姆接触？）接触（欧姆接触？）24表面表面态影响与欧姆接触影响与

7、欧姆接触EFm251-4 异异质结与量子阱与量子阱一、异一、异质结物理基物理基础 1、基本、基本类型与能型与能带结构构 2、空、空间电荷区与荷区与电势二、异二、异质结基本基本电学特性学特性 1、载流子流子输运运过程程 2、基本、基本电学特性与特征学特性与特征三、量子阱与超晶格三、量子阱与超晶格 1、量子阱、量子阱 2、超晶格、超晶格 3、量子点与量子、量子点与量子线四、二四、二维电子气（子气（2DEG）与二）与二维空穴气（空穴气（2DHG）26一、异一、异质结物理基物理基础 异异质结：两种禁两种禁带宽度不同的半度不同的半导体材料体材料组成的成的结。1、基本、基本类型与能型与能带结构构 类型：型

8、：异型异异型异质结-两种材料两种材料导电类型不同；型不同；同型异同型异质结-两种材料两种材料导电类型相同。型相同。主要主要应用：用：微微电子器件子器件-提高增益、提高增益、频率特性、率特性、线性性 度，减小噪声、功耗等。度，减小噪声、功耗等。光光电子器件子器件-提高器件光提高器件光电转换效率等。效率等。主要主要结构材料：构材料：GaAs基材料，如，基材料，如，AlxGa1-xAs/GaAs、InxGa1-xAs/GaAs；Si基：基：Si1-xGex/Si，-27 2、能、能带结构构特特 征：征：导带导带、价、价带带分分别别存在存在带带隙差隙差EC和和EV特点：特点：高、低高、低势垒势垒ECE

9、VEcor缓变异性异质结缓变异性异质结283、空、空间电荷区与荷区与电势 1）空）空间电荷区形成荷区形成过程程 2）电场及其分布及其分布 掺杂浓度：度：和和；介介电常数常数p S和和n Sxp x 0：0 x xn：特征：特征：场线性分布；性分布；电场在界面在界面处不不连续；电位移失量位移失量连续。293）接触）接触电位差位差-D 空空间电荷区荷区p区区侧-P n区区侧-n正、正、负空空间电荷区荷区电势差与差与掺杂浓度关系度关系 VDp/VDn=n s ND/p s NA !304）空空间电荷区荷区宽度度 联解上述方程解上述方程 非平衡异非平衡异质pn结-上式上式用（用（）替）替换。-表示正偏

10、；表示正偏；-表示反偏。表示反偏。p区区侧：n区区侧：315）势垒电容容 空空间电荷区正的或荷区正的或负的的电荷量荷量:单位面位面积势垒电容容 与与掺杂浓度、偏置度、偏置电压的关系与同的关系与同质结相同相同32二、异二、异质结基本基本电学特性学特性(n区区宽带p区窄区窄带为例例)1、载流子流子输运运过程（程（载流子流子势垒）图a)和和(c)所示异所示异质结：电子从子从n区区导带渡越到渡越到p区区 导带跨越的跨越的势垒高度高度为：（qVD-EC）空穴从空穴从p区价区价带渡越到渡越到n区区 价价带跨越的跨越的势垒高度高度为：（qVD+Ev）图(b)所示异所示异质结：电子从子从n区区导带到到p区区导

11、带跨越跨越势垒高度高度为：qVDn 空穴从空穴从p区到区到n区跨越区跨越势垒高度仍高度仍为（qVDE）特征特征:电子和空穴渡越的子和空穴渡越的势垒高度不同高度不同 VDn低低势垒异异质结高高势垒异异质结缓变异异质结332、基本、基本电学特性与特征学特性与特征 1）基本）基本电学特性学特性 低低势垒异异质结和和缓变异异质结:形式与同形式与同质pnpn结相同，但少子密度相同，但少子密度项表示有差表示有差别34 高高势垒异异质结：35 2）电子流与空穴流特征子流与空穴流特征-注入比注入比同同质结电子流与空穴流注入比子流与空穴流注入比 异异质结电子流与空穴流注入比子流与空穴流注入比 若若Eg=250m

12、v，注入比可以比同，注入比可以比同质结高高104倍以上倍以上36要要 点点能能带结构及特征；构及特征；载流子渡越流子渡越势垒特征；特征；I-V方程形式；方程形式；电流注入比。流注入比。37IVB#异异质结基本基本应用用A1.限制限制BJT频率特性因素率特性因素存在极限存在极限？38 A2.解决途径解决途径HBT(异异质结双极晶体管双极晶体管)qVpqVnEmitterBaseCollectorSi BJTqVn=qVpqVpqVnEmitterBaseCollectorSiGe HBTqVn qVp39势垒#三、量子阱与超晶格三、量子阱与超晶格 1、量子阱、量子阱 二个异二个异质结组成，其中成

13、，其中间层导带底最低、价底最低、价带顶 最高；或最高；或仅导带底最低；或底最低；或仅价价带顶最高。最高。2、超晶格、超晶格 量子阱（或不同量子阱（或不同导电类型材料）型材料）组成的一成的一维周期性周期性结 构，其构，其势垒宽度小于度小于电子的德布子的德布罗意波意波长。L小于德布小于德布罗意波意波长(50nm）LEg1Eg2ECEVpnn异异质结超晶格超晶格掺杂超晶格超晶格4041 3、量子、量子线与量子点与量子点 量子量子线：二个方向物理尺寸小于德布二个方向物理尺寸小于德布罗意波意波长 量子点：量子点：三个方向物理尺寸小于德布三个方向物理尺寸小于德布罗意波意波长42 1、量子阱、量子阱载流子能

14、量量子化流子能量量子化 量子阱量子阱近似近似0LV0 1）单量子阱中量子阱中电子子状状态-遵循薛定遵循薛定谔方程方程xxyz43二二维电子气（子气（2DEG）二二维空穴气（空穴气（2DEG）0LV0 xxyz44EhhELh0L45EhhELh46 2）单量子阱中量子阱中电子子状状态密度密度(E)472、超晶格、超晶格 1）多量子阱多量子阱 单量子阱周期性量子阱周期性组成，成，势垒宽度大于德布度大于德布罗意波意波长。量子阱内量子阱内电子状子状态与与单量子阱相同。量子阱相同。EhhELh48 2）超晶格）超晶格势垒宽度小于德布度小于德布罗意波意波长的多量子阱。的多量子阱。特点：特点：电子在阱子在

15、阱间共共优化运化运动；量子化能量子化能级展展宽成微成微带；量子阱量子阱xyxy面内面内电子能量仍子能量仍连续。EhhELh49 3、量子、量子线与量子点与量子点 量子量子线：二个方向物理尺寸小于德布二个方向物理尺寸小于德布罗意波意波长 量子点：量子点：三个方向物理尺寸小于德布三个方向物理尺寸小于德布罗意波意波长3D2D1D0D50#超晶格能超晶格能级状状态-载流子受晶格周期性流子受晶格周期性势场和可控的超晶格周期性和可控的超晶格周期性势场作用。那么作用。那么载流子的波函数也可人流子的波函数也可人为控制。控制。薛定薛定谔方程方程边界条件界条件V(z)=0 0 z Eg 转变为热转变为热能能 6、

16、表面反射、表面反射(1.41.6eV)？1007、寄生、寄生电阻影响阻影响(非理想非理想I-V方程方程)寄生寄生电阻影响大阻影响大RS=0RSh=RS=0RSh=100 RS=5RSh=RS=5RSh=100 RSRshVRS=5降降30%101八、太阳八、太阳电电池池设计设计考考虑虑 几何几何结结构参数构参数(尺寸尺寸)、表面反射、复合主要考、表面反射、复合主要考虑虑因素。因素。掺杂掺杂分布与分布与结结深一般决定开路深一般决定开路电压电压和光生和光生电电流。流。pn结结厚度厚度（吸收系数决定）：（吸收系数决定）：Si吸收系数小（吸收系数小（=10-210-3/m）,典型典型300400。直接

17、直接带带隙半隙半导导体，典型体，典型1。层层厚度：厚度：底底层层厚度：厚度：Ln1；Si Ln300 m。顶层顶层厚度：高能光子主要在表面吸收，厚度：高能光子主要在表面吸收，xj-0.30.5；紫光紫光电电池，池，xj-0.10.2。掺杂浓掺杂浓度：度：表表层层：基于寄生：基于寄生电电阻，阻，ND尽量高，典型尽量高，典型51019/cm3。低低层层：NA高，反向高，反向饱饱和和电电流低，开路流低，开路电压电压高；高；迁移率和寿命低，短路迁移率和寿命低，短路电电流小；流小；典型典型1016/cm3。102103九、常九、常规pn结太阳太阳电池不足池不足太阳太阳电电池关池关键键参数参数效率效率 光

18、生光生载载流子在表面与流子在表面与衬衬底复合；底复合；扩扩散至散至扩扩散散长长度外复合。度外复合。低的表面区低的表面区掺杂掺杂接触接触电电阻高。阻高。表面反射降低光吸收。表面反射降低光吸收。Si表面反射系数表面反射系数 30%。调节调节pn结结厚度，使表面反射光与厚度，使表面反射光与衬衬底反射光相位差底反射光相位差/4，反射消，反射消 失。此失。此时时最小反射系数最小反射系数 高能粒子在半高能粒子在半导导体表面体表面产产生缺陷，降低生缺陷，降低载载流子寿命。流子寿命。(p)(n)103十、其它十、其它结构太阳构太阳电池池1.异异质结结构构 光子窄光子窄带区吸收；区吸收；宽带表面高表面高掺杂；抗

19、抗辐射能力射能力强。2.背面高背面高掺杂结构构 控制控制扩散散长度外度外载流子复合。流子复合。增加吸收。增加吸收。4.“阳光阳光”结构构7.结联结构构 -pnnpEg1Eg2Eg1Eg2104十一、高效太阳十一、高效太阳电池池结构构 1、异、异质结电池池2、级联电池池三三级级：32%四四级级：40%光生光生载流子复合流子复合产生生的的荧光在光在pn结再再产生生电子子-空穴空穴对1053、量子阱、量子阱电池池 pin结构，构，i层中有量子阱（阱中有量子阱（阱宽615nm，势垒5nm）4、聚光、聚光电池池 聚集太阳光，提高光聚集太阳光，提高光强。i增加光增加光谱吸收范吸收范围提高量子效率提高量子效

20、率615nm5nmI-V fig13.29,30输出出电压（V）输出出电压（V）106十二、其它材料太阳十二、其它材料太阳电池池多晶体；多晶体；非晶体；非晶体；有机薄膜；有机薄膜；-。十三、其它十三、其它 转换效率：效率：Si-1418%(24%);GaAs-1821%;GaInP/GaAs/Ge-2629%(三三结)电流容限：并流容限：并联 电压容限：串容限：串联 效率关效率关键：光子吸收效率；光子吸收效率；光生光生载流子流子输运效率。运效率。107太阳太阳电池原理、开路池原理、开路电压、短路、短路电流物理机制；流物理机制；开路、短路、开路、短路、负载等效等效电路；路；光生光生载流子有流子有

21、贡献区域；献区域；光光电流常数（流常数（结构与光构与光强一定）；一定）；光光谱吸收特性；吸收特性；光吸收系数与光吸收系数与np结和和pn结；寄生寄生电阻影响。阻影响。108Ch3 半半导体光体光电探探测器器Photodetectors一、光一、光电探探测器物理基器物理基础二、二、光光电探探测器性能参数器性能参数三、光三、光电导体体四、光四、光电二极管二极管五、五、pinpin光光电二极管二极管六、雪崩光六、雪崩光电二极管二极管七、光七、光电晶体管晶体管八、色敏光八、色敏光电二极管二极管109一、光一、光电电探探测测器物理基器物理基础础-光生光生载载流子流子 1、光子效、光子效应应 光子与光子与

22、电电子直接相互作用子直接相互作用 电电子受激子受激跃跃迁至高能迁至高能级级 hE 本征本征跃跃迁，迁，hEg；杂质电杂质电离；离；hE D，or，hEA 2、光、光热热效效应应 吸收光子能量吸收光子能量转换转换成晶格振成晶格振动动能量能量 温度升高激温度升高激发载发载流子流子跃跃迁迁 h Eg hE 110 3、光、光电探探测器工作的主要物理器工作的主要物理过程程 1）吸收光子能量，）吸收光子能量，产生光生生光生载流子；流子；（通常（通常为电子子-空穴空穴对）2）载流子定向流子定向输运；运；（产生增益或无增益）生增益或无增益）3）在器件端点或外）在器件端点或外电路形成与光路形成与光对应信息。信

23、息。4、光、光电探探测器器类型型 电导型（光致型（光致电导）；）；pn结型；型；量子阱、超晶格型。量子阱、超晶格型。111二、光二、光电探探测器主要性能参数器主要性能参数 1、量子效率量子效率-（关关键参数参数）Ip：光：光电电流；流；P-入射光功率；入射光功率；hv-光子能量光子能量 P：如：如为为入射探入射探测测器表面的光功率器表面的光功率-外量子效率外量子效率 P：如：如为为探探测测器吸收的光功率器吸收的光功率-内量子效率内量子效率 理想情况下内量子效率：理想情况下内量子效率：112 2、响响应度度-R 3、灵敏度灵敏度-S 4、光光谱响响应率率-单色色 Vp-输出光出光电压Ip-输出光

24、出光电流流#P-某光某光谱范范围内光功率内光功率1135、响响应时间（响（响应速度）速度）ptItI00.37I00.63I01146、探探测器噪声参数器噪声参数1）噪声表述）噪声表述 类型：固有噪声，自然噪声型：固有噪声，自然噪声 特点：特点：随机，不可随机，不可预测；统计平均平均值为0。表征：表征：均方均方值（方均（方均值）表述。）表述。总噪声：噪声：噪声特性：噪声特性：与与频率相关率相关,or 与与频率无关率无关-白噪声。白噪声。tt1152）噪声源）噪声源 热噪声噪声-载流子无流子无规则热运运动（白噪声）（白噪声）散粒噪声散粒噪声-载流子流子输运运(含渡越含渡越势垒区区)随机起伏（白噪

25、声）随机起伏（白噪声）产生生-复合噪声：复合噪声：载流子流子产生生-复合随机起伏复合随机起伏 1/f 噪声噪声-低低频（If)P+P-nP+P-nWinn-P+WiP+nQ0常常规9155（B）pin光光电二极管基本原理二极管基本原理 对光光电流流贡献区域：献区域：中性区中性区 扩散区散区 本征区本征区n+-Si-+pppnP(1-R)exp(-x)W 通通过调制本征区制本征区宽度：度：提高量子效率；提高量子效率；提高提高频率响率响应特性。特性。1561)势垒区区量子效率量子效率pi in0W1572)扩散区散区pnXW加加！158#中性区中性区pnXH0因因pinpin结构希望光生构希望光生

26、电流在本征区，所以流在本征区，所以讨论效率略效率略该区区1593)量子效率量子效率？可略可略加加！即希望光生即希望光生载流子在本征区流子在本征区160（C）频率响率响应-载流子渡越流子渡越势垒区延区延迟 （交流状交流状态，渡越，渡越势垒区有区有传导电流与位移流与位移电流）流）npx0161162？提高提高和和f 希望希望光子在本征区吸收光子在本征区吸收p反射层反射层n-+？不足：不足：p/n区吸收区吸收163P型窄带型窄带反射层反射层N型窄带型窄带-+折射率折射率半半绝缘InPp+-InPp+-InGaAsPi-InGaAsn+-InGaAsP优点：点：1、效率高；、效率高；2、响、响应快快折

27、射率折射率#利用异利用异质结改善性能？改善性能？结构考构考虑164（D）噪声噪声165pinpin结构构优点；点；pinpin光光电二极管工作物理机制；二极管工作物理机制；效率与效率与频率响率响应措施。措施。166同同质pn结光光电二极管二极管异异质pn结光光电二极管二极管金金-半半结光光电二极管二极管pin结光光电二极管二极管缺点：光生缺点：光生载流子不能放大流子不能放大雪崩光电二极管；雪崩光电二极管；双极型光电晶体管；双极型光电晶体管；单极型光电晶体管。单极型光电晶体管。解决方案？解决方案？167(六六)雪崩光雪崩光电二极管二极管(APD)p+-pn+n+-npp+金金-半半结p+nn+p

28、+-p-n+nnp+-+pn+nn+n+pE+nP+EE168 a.器件偏置于器件偏置于临界雪崩状界雪崩状态；b.光生光生载流子渡越空流子渡越空间电荷区雪崩倍增。荷区雪崩倍增。输出出载流子流子获得增益。得增益。优势：有增益；：有增益；噪声低噪声低169ph雪崩倍增雪崩倍增输出光出光电流与雪崩倍增前光流与雪崩倍增前光电流比流比一般取一般取100100左右左右VRR雪崩雪崩击穿穿电压M=C?MC M nn p1733）最大信噪比）最大信噪比174(七七)光光电晶体管晶体管n+pn1、双极型光、双极型光电晶体管晶体管异异质结晶体管？晶体管？增益近似增益近似为为1210-11175IVB#异异质结基本

29、基本应用用A1.限制限制BJT频率特性因素率特性因素？0:fmax:fT:176 A2.解决途径解决途径HBT(异异质结双极晶体管双极晶体管)qVpqVnEmitterBaseCollectorSi BJTqVn=qVpqVpqVnEmitterBaseCollectorSiGe HBTqVn 2|F|；耗尽耗尽层宽层宽度大度大:xd xdm；存在存在热热弛豫弛豫时间时间：频频率周期小于弛豫率周期小于弛豫时间时间，反型，反型电电荷来不及荷来不及积积累；累；反型后表面反型后表面势势降低。降低。xd1882.信号信号检测电输入入光光输入入hEg n+p1VinVG0V10p1VG0V10SDSDS

30、 (n+)完成完成储储存存深耗尽深耗尽反型反型输入入栅表面反型状表面反型状态189t12310V?2V?表面反型状表面反型状态12190三、三、线阵信号信号电荷荷读出出2.线阵信号信号电荷荷转移与移与储存存1.线阵信号信号电荷荷检测1 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 3hv-信号区信号区转移区移区1 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 3储存区存区1913.线阵信号信号电荷荷输出出-电流流输出出n+VD+DS32VG01921 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31

31、 2 31 2 31 2 31 2 31 2 3储存区存区1 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 3获取信号区取信号区321321321321四、面四、面阵信号信号转移、移、储存、存、读出出-CCD摄像器件像器件第一行向外第一行向外传的同的同时，读取下一取下一帧193 五、五、CCD 器件主要性能参数器件主要性能参数 1.电荷荷转移移损失率失率(t)t时刻刻转移移结束仍留在束仍留在电极下的极下的电荷

32、荷Q(t)与原在与原在该电极下极下电荷荷Q(0)之比之比 那么那么转移效率移效率 初始初始为Q(0)的的电荷，荷，经过n次次转移后，所剩移后，所剩电荷荷 若若=99%，n=192,那么那么Q(n)=14Q0%MIS界面复合；漏电；频率高界面复合；漏电；频率高电荷荷损失机理？失机理？胖零胖零-表面始终耗尽状态表面始终耗尽状态措施？措施？1942.工作工作频率率f 频率率若少子若少子转移移时间为t，寿命，寿命为，对三相有三相有（T-周期周期）t tth频率上限率上限频率再低率再低时，载流子流子传输不到下一不到下一势阱阱则被复合。被复合。频率再高率再高时，载流子流子传输跟不上跟不上驱动信号，信号，输

33、运不到下一阱。运不到下一阱。t Egab#直接直接带隙复合隙复合:h Eg 间接接带隙复合隙复合:h Eg+n(1)带间复合复合 (2)杂质与与带间复合复合fjdec.导带受主受主d.施主施主价价带e.施主施主受主受主(3)深能深能级杂质复合复合 ch俄歇复合俄歇复合201(4)激子复合激子复合 激子激子-电子和空穴束子和空穴束缚形成的可在晶体中移形成的可在晶体中移动的中性粒子。的中性粒子。激子中激子中电子和空穴复合子和空穴复合-激子复合。激子复合。(5)等等电子复合子复合:同价原子取代主原子同价原子取代主原子-称称为等等电子子。但原子序数不同，内。但原子序数不同，内层电子子结构不同，构不同，

34、电负性不同。原子序数小的，性不同。原子序数小的，电子子亲和力大，和力大，易俘易俘获电子成子成为负电中心中心。原子序数大的，易俘。原子序数大的，易俘获空穴成空穴成为正正电中心中心。该中心称中心称为等等电子中心子中心。等等电子中心子中心再俘再俘获相反相反类型型载流子形成束流子形成束缚激子。之后复激子。之后复合合发光光-称称等等电子复合。子复合。(6)等分子复合等分子复合:一种分子取代主分子一种分子取代主分子-称称为等分子等分子。若其。若其电子子亲和力大，和力大，易俘易俘获电子成子成为负电中心中心。反之，易俘。反之，易俘获空穴成空穴成为正正电中心中心。然后再俘然后再俘获相反相反类型型载流子复合流子复

35、合-称称等分子复合等分子复合。2022.非非辐射复合射复合（1）多声子）多声子跃迁迁 电子和空穴复合所放出的能量子和空穴复合所放出的能量产生声子，生声子，这一一过程叫程叫 做子做子跃迁。声子迁。声子跃迁的迁的结果，使果，使电子放出的能量子放出的能量转变为 晶格振晶格振动能。能。（2）俄歇复合）俄歇复合 电子和空穴复合子和空穴复合时，把多余的能量，把多余的能量传给第三个第三个载流子。流子。获得能量的得能量的载流子又会流子又会产生多声子生多声子过程。程。这种复合称种复合称为俄俄 歇复合。歇复合。另外另外还存在存在许多其它的非多其它的非辐射复合射复合过程。程。#色散色散:由于由于热能能,电子能量略高

36、于子能量略高于EC，空穴能量略低于，空穴能量略低于EV，所以，所以，发射光子能量射光子能量203二、半二、半导体体发光二极管光二极管少子少子扩散散长度度pnn+衬底底正偏；正偏；非平衡少子非平衡少子辐射复合；射复合；能量能量-动量守恒。量守恒。204 直接直接带隙隙 动量守恒量守恒-效率高；效率高；能量守恒能量守恒 间接接带隙隙 动量不等量不等-效率低。效率低。直接跃迁直接跃迁间接跃迁间接跃迁直接跃迁直接跃迁205Zn-OZnN施主施主-受主（几个晶格距离）：受主（几个晶格距离）：激子：激子：等等电子中心子中心-等分子中心等分子中心-2063.发光效率光效率 内效率：内效率：外量子效率：外量子

37、效率：2072084、影响、影响发光效率因素光效率因素1）LED材料吸收材料吸收2）菲涅耳（）菲涅耳（fresnel）损损耗耗 光子从一种介光子从一种介质质入射另一种介入射另一种介质质，因折射率不同而，因折射率不同而 部分光子被反射回，称菲涅耳部分光子被反射回，称菲涅耳损损耗。耗。3）斯涅耳（）斯涅耳（snell）损损耗耗 光子从折射率大的介光子从折射率大的介质质向折射率小的介向折射率小的介质质入射入射时时，若入射角大于其若入射角大于其临临界角界角C，则则，入射光从界面全，入射光从界面全 反射回原介反射回原介质质。4）表面反射）表面反射2093）菲涅耳（）菲涅耳（fresnel）损耗耗 GaA

38、s:C=16；GaP:C=171）LED材料吸收材料吸收 h Eg（衬底、表面）底、表面）-吸收。吸收。GaAs吸收吸收85%，GaP吸收吸收25%25%2）斯涅耳（）斯涅耳（snell）损耗耗pn衬底衬底pn衬底衬底C2105、考考虑效率的效率的LED结构构 1）抗反射膜）抗反射膜 垂直入射光菲涅垂直入射光菲涅尔反射系数反射系数2112）异异质结LED+-有源有源层限制限制层限制限制层有源有源层掺杂浓度与效率度与效率p型限制型限制层掺杂浓度与效率度与效率n型限制型限制层掺杂浓度与效率度与效率P型型10101717n型型10101717降低吸收；减小降低吸收；减小临界角角界角角10171018

39、1016 1017 2123）封装外形与效率）封装外形与效率2137、光光纤通信通信LED 8、侧光高光高强度度LED 2149、白光、白光LED 1）多基色）多基色 2）单色色LED覆盖色彩覆盖色彩转换材料材料 如如荧光材料、有机染料、半光材料、有机染料、半导体材料等，吸收原色后体材料等，吸收原色后发 出出宽谱。3）蓝光光LED覆盖黄色磷，覆盖黄色磷，蓝光与磷光与磷产生的黄光合成白光。生的黄光合成白光。电致致发光光光致光致发光光21510、发光二极管主要材料光二极管主要材料红-GaP:Zn-O;GaAs0.6P0.4;Ga0.7Al0.3As-6500 7600 橙橙-GaAs0.35P0.

40、65;In0.3Ga0.7P-5900 6500 黄黄-GaP:N:N;GaAs0.15P0.85-5900 6500 绿-GaP:N；GaInP-5700 5900 兰-GaN;GaInP-4300 4600 易易获电子子易易获空穴空穴可可见见光光：4000 7600；Eg2162171、GaAs1-xPx（GaAs+GaP）-红、橙、黄、橙、黄、绿，亮度，亮度较低低 x 0.450.5转化化为间接接带隙，效率降低隙，效率降低 措施：措施：GaAs1-x（Px）1-y：Ny引入等引入等电子中心子中心 机理：机理：等等电子中心复合能子中心复合能级接近接近导带底。底。电子波函数在空子波函数在空间

41、高度局域化，基于高度局域化，基于测不准原理，波函数不准原理，波函数动量量 在在k空空间可有可有较大的范大的范围，动量的量的变化量被等化量被等电子子杂质吸收。吸收。Eg：0 0.5 1.01.53.02.02.5xxxX0.45：带隙隙转化化0 0.5 1.00.0011.00.010.1x未掺未掺N掺掺N归一化效率一化效率2182、(AlxGa1-x)yIn1-yP-红红、橙、黄，高亮度、橙、黄，高亮度 x 0.53转换为间转换为间接接带带隙；隙；常用作双异常用作双异质结质结LED有源区材料，有源区材料，长长波波长长小小较较低，低，0.45转换为间转换为间接接带带隙；与隙；与GaAs晶格匹配晶

42、格匹配219220影响内外影响内外发光效率因素；光效率因素；增增强发光效率的主要技光效率的主要技术措施。措施。221Ch6 半半导体激光器体激光器-Semiconductor Lasers-222一、一、半半导体激光器物理体激光器物理光光谐振振光子限定光子限定受激受激辐射射受激吸收受激吸收1.光子与光子与电子的相互作用子的相互作用ECEVh受激吸收受激吸收ECEVhhh受激受激发射射ECEVh自自发发射射223-正偏正偏pn结hpn有源区有源区-谐振腔振腔 光子限定区光子限定区 相干光束相干光束方向、方向、频率、相位差相同率、相位差相同224a.受激受激辐射射+自自发辐射射 受激吸收受激吸收

43、受激受激辐射射+自自发辐射射受激受激辐射射 受激吸收受激吸收 （粒子数反粒子数反转）b.光子限定；光子限定；光子限定于确定区域。光子限定于确定区域。-产生生谐振：使增益大于振：使增益大于损耗；耗；形成形成单色光。色光。光光谐振振光子限定光子限定受激受激辐射射受激吸收受激吸收225a.受激受激辐射射 受激吸收受激吸收 pn结处非平衡状非平衡状态 用准用准费米能米能级226227粒子数反转条件粒子数反转条件228物理意物理意义：受激受激发射大于受激吸收：射大于受激吸收：导带底底电子占据几率子占据几率 价价带顶电子占据几率。子占据几率。EFn EFp h Eg：简并半并半导体，但不能使其形成体，但不

44、能使其形成负阻效阻效应粒子数翻粒子数翻转-又称又称电子限定子限定辐射复合区域射复合区域ECECEVEVEFECEVECEVEFnEFp229hpn有源区有源区-复合复合发光区光区npp 型区折射率；型区折射率；n1 有源区折射率；有源区折射率；nn n型区折射率。型区折射率。根据斯捏耳根据斯捏耳(Snell Law):c1=arc sin(np/n1)c2=arc sin(nn/n1)有：有：n1np;n1nn光波光波导-又称光子限定，折射率差是又称光子限定，折射率差是产生光波生光波导效效应基基础。光子被反射光子被反射c2 c1 230 xzy0-d/2+d/2#光波光波导理理论-光在平板介光

45、在平板介质波波导中的中的传输特性特性 (对称三称三层介介质波波导)传播方向：播方向：Z考考虑y方向偏振的方向偏振的TE波：波：Ez=0 波波导宽度度(y)厚度厚度(x)，根据根据Maxwell方程，只有方程，只有Ey存在，其波存在，其波动方程方程满足足231xzy0-d/2+d/2232233#对对称三称三层层介介质质波波导导中光的限定因子中光的限定因子-234结构：构：AlxGa1-xAs/Ga As/AlxGa1-xAsEg(x)=1.42+1.247x (eV)n(x)=3.590-0.710 x+0.091x2电场平方与波平方与波导内位置关系内位置关系基波基波md m限定因子限定因子与

46、折射率与折射率限定因子限定因子与有源与有源层有源区有源区宽出出现高高阶模式模式(限定性限定性变差差)235基波模式限定因子与有源基波模式限定因子与有源层厚度和折射率关系厚度和折射率关系236c.光光谐振振产生激光需相干光，且光子限定区内增益大于生激光需相干光，且光子限定区内增益大于损 耗耗-法布里法布里-珀珀罗共振腔共振腔Z反射系数反射系数R1反射系数反射系数R2L237 阈值增益增益-维持振持振荡最小增益（等于最小增益（等于损耗的增益）耗的增益）gth：可确定可确定维持振持振荡，激，激发激光最小激光最小电流流238 振振荡模式模式-激光波激光波长选择光光频率与率与L关系关系239#产生激光条

47、件：生激光条件：a.受激受激辐射射 受激吸收受激吸收 粒子数反粒子数反转 电子限定子限定 有源区折射率有源区折射率 有源区外折射率有源区外折射率 增益大于增益大于损耗；耗；激光激光频率波率波长取决于取决于谐振腔振腔长度度 240 -产生激光振生激光振荡最小工作最小工作电流流峰峰值光增益与光增益与归一化一化电流密度关系流密度关系1）标标称称电电流密度流密度Jnom 量子效率量子效率为为1时时，激，激发发1 有源有源层所需所需电流密度。流密度。2）实际电实际电流密度流密度J 与与Jnom关系关系 若有源区若有源区宽宽度度为为d，效率，效率为为，则 J=Jnom d 即即:J=Jnom d/3）峰）

48、峰值光增益与光增益与标标称称电电流密度关系流密度关系 如如图图所示，可所示，可见见光增益与光增益与标标称称电电流密度基本流密度基本为线为线性关系，性关系，可表示可表示为为 g=(g0/J0)(Jnom-J0)-a J0与与g0分分别为别为与横与横轴轴沿沿线线交点交点电电流和响流和响应应增益增益2414）阈值电流流密度密度Jth2426.阈值电流流分析分析光增益、光子能量与偏置光增益、光子能量与偏置电流流阈值电流密度与有源流密度与有源层厚度厚度2432448.功率与效率功率与效率1）内受激）内受激辐射射产生功率生功率2452）外量子效率）外量子效率 -单位注入位注入载流子流子发射光子率射光子率3

49、）总量子效率量子效率 2469.导通延通延迟与与频率响率响应实验曲曲线24724810.波波长调制制 1）电电流流 有源区有源区载载流子流子浓浓度度变变化致折射率化致折射率变变化化 2）温度）温度 禁禁带宽带宽度度变变化化 3）有源区）有源区应变应变 禁禁带宽带宽度、折射率度、折射率变变化化 4）谐谐振腔振腔长长度度 5）磁）磁场场 导带导带、价、价带带量子化，能量量子化，能量间间隔增加隔增加249二、二、激光器基本激光器基本结构分析构分析hpn有源区有源区反射面反射面粗糙面粗糙面(背面同背面同)法布里法布里-珀珀罗共振腔共振腔反射面：光定向反射面：光定向粗糙面：控制光粗糙面：控制光侧面面传播

50、播250ECECEVEVEFECEVECEVEFnEFp载流子流子浓度高，折射率低；度高，折射率低；应使有源区低使有源区低掺杂；一般有源一般有源层折射率折射率仅高高0.1%-1%0.1%-1%左右；左右；光子限定性差光子限定性差光子限定光子限定有源区折射率增量有源区折射率增量较小小251EFnEFpxmECECEVEFXy Lnp光子限定光子限定光子限定性光子限定性宽带侧好好252EFnEFpECECEVEFXy 自自发辐射（粒子数反射（粒子数反转，电子限定）：子限定）：b.光子限定：光子限定：n(有源区有源区)n(有源区外有源区外)c.光光谐振振-谐振腔：振腔：增益大于增益大于损耗；耗；激光