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半導(dǎo)體光電子器件
閱讀�5874時間�2017-11-28 09:28:36

利用半導(dǎo)體光-電子(或�-光子)轉(zhuǎn)換效�(yīng)制成的各種功能器件。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)計原理是依據(jù)外場對導(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動式的應(yīng)��60年代作為相干光載波源的半�(dǎo)�激光器的問�,則使它�(jìn)入主動式�(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)正在擴展電子�(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)�,后來硒光電池得到應(yīng)�,這幾乎比晶體管的�(fā)明早80�,但�(dāng)時人們對半導(dǎo)體還缺乏了解,�(jìn)展緩��30年代開始的對半導(dǎo)體基本物理特性(如能帶結(jié)�(gòu)、電子躍遷過程等)的研究,特別是對半�(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年,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,可靠性高,調(diào)制電路簡�,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),以及顯示屏和自動控制等。激光管的光譜較�、發(fā)散角小、方向性強、色散小,于1962年研制成功后,得到迅速發(fā)�,廣泛用于大容量、長距離的光纖通信系統(tǒng)以及光電集成電路。缺點是溫度特性差,壽命比LED短�
 ?、诠怆娞綔y器或光電接收器:通過電子過程探測光信號的器件。即將射到它表面上的光信號轉(zhuǎn)換為電信�,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栯姵亍⒐廨椛淠苻D(zhuǎn)換成電能的器��1954年應(yīng)用硅PN�(jié)首先研制成太陽電�。它能把陽光以高效率直接�(zhuǎn)換成電能,以低運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)光電子器件�
  它是�(jié)�(gòu)上最簡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(稱為本征激�(fā))。它們在外場下參與導(dǎo)電,�(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散將�(dǎo)致內(nèi)場的建立,即光生伏電效應(yīng)。擴散電流受磁場的作�
  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)光電探測器,如InSb、HgCdTe光電探測�,在軍事上已獲得廣泛�(yīng)��
  體光電探測器也可以用摻入深能級雜�(zhì)的方法制成。如摻Au、Hg的Ge探測器,是一種很靈敏的紅外探測器。光生載流子是由深能級雜�(zhì)中心激�(fā)的,稱為非本征激�(fā)。這類探測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,已逐步取代真空�。用GaAs制成的發(fā)光管,發(fā)光效率很�,發(fā)射波長約9000�,屬人眼不靈敏的近紅外波段,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)建立很強的內(nèi)場(�(dá)104�/厘米以上�,導(dǎo)致能帶彎�,形成PN�(jié)勢壘。光生載流子一旦擴散入�(jié)區(qū)即被�(nèi)場掃向兩�(cè)�(gòu)成光生電流。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。硅光電池作為太陽能電源在人造衛(wèi)星上已得到應(yīng)�,中國“東方紅�2號人造衛(wèi)星就使用了硅光電�。硅光電池能量轉(zhuǎn)換效率已接近15%的理論值。光敏二極管是廣泛使用的光檢測器�,為了提高量子效率和響應(yīng)速度,必須盡量擴大耗盡區(qū)(即電場區(qū)�,因此實用的半導(dǎo)體光電二極管都施加反向偏�,量子效率可�(dá)�80%以上,響�(yīng)時間可小于納秒,光纖通信系統(tǒng)使用的Si-PIN檢測器就是典型的一��
  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)域的強電場下加�,其能量可達(dá)到引起晶格碰撞電離的閾值。這種電離過程呈雪崩式鏈鎖反應(yīng),因而可得到�(nèi)部增�。利用這種過程可制出快速靈敏的光檢測器,稱半導(dǎo)體雪崩光電二極管(APD)。它在長距離、大容量光纖通信系統(tǒng)中得到應(yīng)用�
  異質(zhì)�(jié)光電子器�
  60年代以來,半�(dǎo)體外延生長技�(shù)迅速發(fā)展。利用外延生長技�(shù)可以把不同半�(dǎo)體單晶薄膜控制生長在一�,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�,如單向注入特性、載流子定域限制效應(yīng)、負(fù)電子親和勢等,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,同時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)研究方面的一個重大成�。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。把注入載流子和光都局限在這個薄層中,使激光器閾值電流密度降�2�3個量�,達(dá)�103�/厘米2以下,從而實�(xiàn)低功耗(毫瓦�,長命壽(外推百萬小時)、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材料(如Cs3Sb-CsO等),量子產(chǎn)額很低,且基本上由熱電子弛豫時間決定�10-12秒量級)。利用半�(dǎo)體異�(zhì)�(jié)(如GaAs、InGaAsP-CsO等)�(fù)電子親和�,使量子�(chǎn)額提�3個數(shù)量級以上,量子產(chǎn)額由非平衡載流子壽命�10-8秒量級)決定;適�(dāng)選擇材料可使響應(yīng)波長擴展到紅外波�。這類�(fù)電子親和勢光陰極特別適用于軍事夜�?!±卯愘|(zhì)�(jié)窗口效應(yīng)改善了太陽電池的能量�(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)計的需�,可以連續(xù)生長兩個以上多層異�(zhì)�(jié)。這種多結(jié)光電子器件可以是二端工作的,也可以是三端或多端的。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動控制方��
  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�。它不受碰撞電離噪聲的限�,因此在長波長低噪聲探測器應(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)�,在超晶格結(jié)�(gòu)中窄帶隙材料形成極薄二維電子(或空穴,或二者兼有)勢阱,導(dǎo)帶中的準(zhǔn)連續(xù)的電子態(tài)變成量子化,電子空穴的復(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�。譜線變窄,溫度系數(shù)變小,而且還可以通過注入電流密度的改變,對發(fā)射波長�(jìn)行調(diào)�。它將擴展半�(dǎo)體激光器的應(yīng)用領(lǐng)��

基本物理過程

  從能帶論的觀點出�(fā),半�(dǎo)體中電子狀�(tài)的分布如�1,常溫下低能量的帶(價帶)中的狀�(tài)基本上為價電子所填充,高能量的帶(導(dǎo)帶)中的狀�(tài)則空�,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�,只有發(fā)生在�(dǎo)帶中的電子或價帶中的空態(tài)(空穴)才能在外場驅(qū)使下參與�(dǎo)電�

�(nèi)光電效應(yīng)

  �(dāng)價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�(dǎo)帶中,與此同時在價帶中留下空穴,�(tǒng)稱為光生載流�,由此產(chǎn)生的附加�(dǎo)電現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)。在外場�(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�,有可能克服晶格場的束縛逸出體外成為自由電子,這又稱光電子�(fā)射效�(yīng)。圖是一個具有理想表面的半導(dǎo)體的能帶�,EC、EV分別表示�(dǎo)帶底和價帶頂,E0為體外真空能級,x為電子親和勢(表示�(dǎo)帶底的電子逸出體外所需克服的晶體束縛能�,EF為費米能級位置,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)帶底和價帶頂,E0為體外真空能級,x為電子親和勢(表示導(dǎo)帶底的電子逸出體外所需克服的晶體束縛能),EF為費米能級位置,φ為逸出功,ET=x+EV為光電子發(fā)射閾能。
  半導(dǎo)體表面對�(huán)境氣氛和接觸材料很敏�。表面層對外來電荷(正的或負(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�,實際有效電子親和勢xeff=x-墹E。如果墹E>x,則xeff就成為負(fù)值。負(fù)電子親和�(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)�

實際表面半導(dǎo)體能帶圖

�(fā)光效�(yīng)

  1952年,�(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)帶底與價帶頂不在動量空間的同一位置),為了滿足躍遷過程的動量守恒原�,這就要求大量聲子同時參與躍遷過程,屬多體過程。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)帶底與價帶頂在動量空間同一位置�,帶間輻射躍遷過程幾乎無需聲子參與。因此發(fā)光效率很�,大注入下內(nèi)量子效率幾乎�(dá)100%,高效率的電�-空穴對復(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�,其�(yīng)用領(lǐng)域也從被動式�(yīng)用時期�(jìn)入主動式�(yīng)用階�。光通信是光電子�(xué)取得的個重大成�。光通信具有損耗低、容量大、保密性強和抗電磁干擾的優(yōu)�,因此它將成為社會生活不可缺少的重要部分。計算機中的相干光存儲和激光讀出技�(shù)是光電子器件另一重要�(yīng)�。相干光全息存儲技�(shù)可以提高計算機存儲系�(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光計算機的關(guān)�。人們有可能在計算機中首先采用信息的光傳輸技�(shù)來提高運算速度,全光計算機也是人們探索的一個方��

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