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了解光電子器件的分類

lhl545545 ? 來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用 ? 作者:電子技術(shù)應(yīng)用 ? 2020-06-23 15:53 ? 次閱讀

光電子器件扮演著重要角色,因此我們對(duì)于光電子器件應(yīng)當(dāng)具備一定了解。為增進(jìn)大家對(duì)光電子器件的認(rèn)識(shí),本文將對(duì)半導(dǎo)體光電子器件加以介紹。如果你對(duì)光電子器件具有興趣,不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

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(lái)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(guò)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(guò)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Eg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。

了解光電子器件的分類

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,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)環(huán)境氣氛和接觸材料很敏感。表面層對(duì)外來(lái)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)xeff=x-E。如果E》x,則xeff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(guò)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(guò)程,屬多體過(guò)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(guò)程幾乎無(wú)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。

體光電子器件是結(jié)構(gòu)上最簡(jiǎn)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(zhǎng),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(zhǎng)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

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(yáng)能電源在人造衛(wèi)星上已得到應(yīng)用,中國(guó)“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(guò)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(guò)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(zhǎng)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

年代以來(lái),半導(dǎo)體外延生長(zhǎng)技術(shù)迅速發(fā)展。利用外延生長(zhǎng)技術(shù)可以把不同半導(dǎo)體單晶薄膜控制生長(zhǎng)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(zhǎng)命壽(外推百萬(wàn)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(zhǎng)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(yáng)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(yáng)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(zhǎng)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(zhǎng)波長(zhǎng)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(guò)注入電流密度的改變,對(duì)發(fā)射波長(zhǎng)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。
責(zé)任編輯:pj

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