半導(dǎo)體光電子器件, 半導(dǎo)體光電子器件是什么意思

半導(dǎo)體光電子器件, 半導(dǎo)體光電子器件是什么意思

利用半導(dǎo)體光-電子（或電-光子）轉(zhuǎn)換效應(yīng)制成的各種功能器件。它不同于半導(dǎo)體光器件（如光波導(dǎo)開關(guān)、光調(diào)制器、光偏轉(zhuǎn)器等）。光器件的設(shè)計(jì)原理是依據(jù)外場(chǎng)對(duì)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（如光敏電阻、光電池等）。早期的光電器件只限于被動(dòng)式的應(yīng)用，60年代作為相干光載波源的半導(dǎo)體激光器的問世，則使它進(jìn)入主動(dòng)式應(yīng)用階段，光電子器件組合應(yīng)用的功能在某些方面（如光通信、光信息處理等）正在擴(kuò)展電子學(xué)難以執(zhí)行的功能。一門新的分支學(xué)科──光電子學(xué)正在迅速發(fā)展，而光電子器件則構(gòu)成光電子學(xué)的核心部分。
　　早在19世紀(jì)末就已經(jīng)開始研究半導(dǎo)體硒中的光電現(xiàn)象,后來硒光電池得到應(yīng)用,這幾乎比晶體管的發(fā)明早80年，但當(dāng)時(shí)人們對(duì)半導(dǎo)體還缺乏了解，進(jìn)展緩慢。30年代開始的對(duì)半導(dǎo)體基本物理特性（如能帶結(jié)構(gòu)、電子躍遷過程等）的研究，特別是對(duì)半導(dǎo)體光學(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.內(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)用范圍，光電子器件因而得到迅速發(fā)展。
　　基本物理過程　從能帶論的觀點(diǎn)出發(fā)，半導(dǎo)體中電子狀態(tài)的分布如圖1,常溫下低能量的帶（價(jià)帶）中的狀態(tài)基本上為價(jià)電子所填充，高能量的帶（導(dǎo)帶）中的狀態(tài)則空著，二者之間被寬度為E_g的禁帶所隔離。在此情況下半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性很差，只有出現(xiàn)在導(dǎo)帶中的電子或價(jià)帶中的空態(tài)（空穴）才能在外場(chǎng)驅(qū)使下參與導(dǎo)電。

　　內(nèi)光電效應(yīng)?

　當(dāng)價(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，與此同時(shí)在價(jià)帶中留下空穴，統(tǒng)稱為光生載流子，由此產(chǎn)生的附加導(dǎo)電現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)。在外場(chǎng)驅(qū)使下光生載流子貢獻(xiàn)的電流稱為光電流。這種光電子效應(yīng)因發(fā)生在半導(dǎo)體內(nèi)，故稱為內(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)。

　　外光電效應(yīng)?　

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2是一個(gè)具有理想表面的半導(dǎo)體的能帶圖，E_C、E_V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),E_F為費(fèi)米能級(jí)位置,φ為逸出功,E_T＝x+E_V為光電子發(fā)射閾能。

　　半導(dǎo)體表面對(duì)環(huán)境氣氛和接觸材料很敏感。表面層對(duì)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3中的墹E 表示表面能帶向下彎曲的勢(shì)能，實(shí)際有效電子親和勢(shì)x_eff＝x-墹E。如果墹E＞x，則x_eff就成為負(fù)值。負(fù)電子親和勢(shì)(NEA)材料(如GaAs、InGaAsP與Cs₂O的接觸)的光電子發(fā)射的量子產(chǎn)額相當(dāng)可觀，是發(fā)展半導(dǎo)體光陰極的重要基礎(chǔ)。

　　電子-空穴復(fù)合發(fā)光效應(yīng)?　1952年,發(fā)現(xiàn)了硅、鍺半導(dǎo)體材料注入發(fā)光的現(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態(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（導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂不在動(dòng)量空間的同一位置）,為了滿足躍遷過程的動(dòng)量守恒原則（圖4）,這就要求大量聲子同時(shí)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（小于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），帶間輻射躍遷過程幾乎無需聲子參與（圖5）。因此發(fā)光效率很高,大注入下內(nèi)量子效率幾乎達(dá)100％，高效率的電子-空穴對(duì)復(fù)合發(fā)光效應(yīng)是一切半導(dǎo)體發(fā)光器件的物理基礎(chǔ)。

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　　光電子器件分類　光電子器件可分為體光電子器件、正反向結(jié)光電子器件、異質(zhì)結(jié)和多結(jié)光電子器件。
　　體光電子器件?　它是結(jié)構(gòu)上最簡單的一類光電子器件。半導(dǎo)體材料吸收能量大于禁帶寬度的入射光子，激發(fā)出非平衡電子－空穴對(duì)(稱為本征激發(fā))。它們?cè)谕鈭?chǎng)下參與導(dǎo)電,產(chǎn)生光電導(dǎo)。如屬不均勻的表面激發(fā),則光生載流子在有濃度梯度下的擴(kuò)散將導(dǎo)致內(nèi)場(chǎng)的建立，即光生伏電效應(yīng)。擴(kuò)散電流受磁場(chǎng)的作用而偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生光磁電效應(yīng)。依據(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(cè)器，如InSb、HgCdTe光電探測(cè)器，在軍事上已獲得廣泛應(yīng)用。
　　體光電探測(cè)器也可以用摻入深能級(jí)雜質(zhì)的方法制成。如摻Au、Hg的Ge探測(cè)器,是一種很靈敏的紅外探測(cè)器。光生載流子是由深能級(jí)雜質(zhì)中心激發(fā)的，稱為非本征激發(fā)。這類探測(cè)器大多在很低溫度下工作（如液氦溫度4.2K）。

　　正向結(jié)光電子器件?　

在正向大偏置下半導(dǎo)體PN結(jié)結(jié)區(qū)附近將注入大量非平衡載流子，利用復(fù)合發(fā)光效應(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、綠色半導(dǎo)體指示燈、數(shù)碼管，就是用GaAsP、GaP、AlGaAs等材料制成的。固態(tài)發(fā)光管功耗低、體積小、壽命長，已逐步取代真空管。用GaAs制成的發(fā)光管，發(fā)光效率很高,發(fā)射波長約9000埃,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源。第一只半導(dǎo)體激光器就是用高摻雜GaAs的PN結(jié)制成的，雖然現(xiàn)代半導(dǎo)體激光器已被異質(zhì)結(jié)器件所取代，但基本上仍屬正向結(jié)結(jié)構(gòu)。
　　反向結(jié)光電子器件?

　PN結(jié)中由于兩側(cè)電荷的轉(zhuǎn)移在結(jié)區(qū)建立很強(qiáng)的內(nèi)場(chǎng)(達(dá)10⁴伏／厘米以上),導(dǎo)致能帶彎曲，形成PN結(jié)勢(shì)壘。光生載流子一旦擴(kuò)散入結(jié)區(qū)即被內(nèi)場(chǎng)掃向兩側(cè)構(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)用,中國“東方紅”2號(hào)人造衛(wèi)星就使用了硅光電池。目前硅光電池能量轉(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(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置,量子效率可達(dá)到80％以上，響應(yīng)時(shí)間可小于納秒,光纖通信系統(tǒng)使用的Si-PIN檢測(cè)器就是典型的一種。
　　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(qiáng)電場(chǎng)下加速，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)，因而可得到內(nèi)部增益。利用這種過程可制出快速靈敏的光檢測(cè)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)結(jié)光電子器件?

　60年代以來，半導(dǎo)體外延生長技術(shù)迅速發(fā)展。利用外延生長技術(shù)可以把不同半導(dǎo)體單晶薄膜控制生長在一起，形成異質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)構(gòu)。適當(dāng)選擇異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以獲得一些新的電學(xué)特性，如單向注入特性、載流子定域限制效應(yīng)、負(fù)電子親和勢(shì)等，在光學(xué)上具有窗口效應(yīng)、光波導(dǎo)特性等。異質(zhì)結(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(shí)還借以研制成許多新功能器件（如量子阱激光器、雙穩(wěn)態(tài)光器件等）。雙異質(zhì)結(jié)激光器的發(fā)明是異質(zhì)結(jié)研究方面的一個(gè)重大成就。采用異質(zhì)結(jié)構(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個(gè)薄層中，使激光器閾值電流密度降低2～3個(gè)量級(jí),達(dá)到10³安/厘米²以下，從而實(shí)現(xiàn)低功耗(毫瓦)，長命壽（外推百萬小時(shí)）、室溫連續(xù)波工作等目的。異質(zhì)結(jié)在光電子學(xué)中的另一成就是70年代出現(xiàn)的半導(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)額很低，且基本上由熱電子弛豫時(shí)間決定（10^-12秒量級(jí)）。利用半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)（如GaAs、InGaAsP－CsO等）負(fù)電子親和勢(shì)，使量子產(chǎn)額提高3個(gè)數(shù)量級(jí)以上,量子產(chǎn)額由非平衡載流子壽命（10^-8秒量級(jí)）決定;適當(dāng)選擇材料可使響應(yīng)波長擴(kuò)展到紅外波段。這類負(fù)電子親和勢(shì)光陰極特別適用于軍事夜視。
　　利用異質(zhì)結(jié)窗口效應(yīng)改善了太陽電池的能量轉(zhuǎn)換效率。與硅光電池的理論極限相比，能量轉(zhuǎn)換效率得到成倍提高。在研制成的20種以上異質(zhì)結(jié)光電池中轉(zhuǎn)換效率最高的是AlGaAs/GaAs,達(dá)到23％。異質(zhì)結(jié)太陽電池雖成本較高，但適用于特殊用途（如空間應(yīng)用）。

　　多結(jié)光電子器件?

　根據(jù)器件功能設(shè)計(jì)的需要，可以連續(xù)生長兩個(gè)以上多層異質(zhì)結(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負(fù)阻激光器就是一種多結(jié)二端器件，它是將普通的PNPN閘流管和雙異質(zhì)激光器組合成一體的復(fù)合功能器件。為了兼顧電學(xué)上的全導(dǎo)通和激光器低閾值要求，通常制成NpPpnP結(jié)構(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。這種負(fù)阻激光器適用于光電自動(dòng)控制方面。

　　光晶體管是一種多層雙結(jié)三端器件，它也是一種有內(nèi)部電流增益的光電探測(cè)器。它不受碰撞電離噪聲的限制，因此在長波長低噪聲探測(cè)器應(yīng)用方面可與半導(dǎo)體雪崩光電二極管相媲美。
　　最典型的多結(jié)器件是量子阱激光器。量子阱激光器的有源區(qū)由多層超晶格材料構(gòu)成，在超晶格結(jié)構(gòu)中窄帶隙材料形成極薄二維電子(或空穴,或二者兼有)勢(shì)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態(tài)之間，所以能在相當(dāng)程度上克服半導(dǎo)體激光器能帶工作的弱點(diǎn)。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(duì)發(fā)射波長進(jìn)行調(diào)諧。它將擴(kuò)展半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　展望　

半導(dǎo)體激光器特別是室溫連續(xù)波工作的雙異質(zhì)結(jié)激光器出現(xiàn)后,進(jìn)入了光電子器件范疇,其應(yīng)用領(lǐng)域也從被動(dòng)式應(yīng)用時(shí)期進(jìn)入主動(dòng)式應(yīng)用階段。光通信是光電子學(xué)取得的第一個(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)點(diǎn)，因此它將成為社會(huì)生活不可缺少的重要部分。計(jì)算機(jī)中的相干光存儲(chǔ)和激光讀出技術(shù)是光電子器件另一重要應(yīng)用。相干光全息存儲(chǔ)技術(shù)可以提高計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)的容量。激光讀出則可提高信息取出速度。雙穩(wěn)態(tài)光學(xué)器件的研究引起人們對(duì)光計(jì)算機(jī)的關(guān)注。人們有可能在計(jì)算機(jī)中首先采用信息的光傳輸技術(shù)來提高運(yùn)算速度，全光計(jì)算機(jī)也是人們探索的一個(gè)方向。