《光电子器》PPT课件.ppt

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1、第八章第八章光电子器件光电子器件主要包括：主要包括：（1 1）将电能转化成光能的半导体电致）将电能转化成光能的半导体电致发光器件发光器件；（2 2）以电学方法检测光信号的）以电学方法检测光信号的光电探测器光电探测器；（3 3）利用半导体内光电效应将光能转化为电能）利用半导体内光电效应将光能转化为电能的的太阳能电池太阳能电池。光电子（光电子（Optoelectronics）器件是电子和光）器件是电子和光子共同起作用的半导体器件。子共同起作用的半导体器件。光电子器件的主要功能涉及到光子和半导体中光电子器件的主要功能涉及到光子和半导体中电子的相互转换过程，其中广泛利用的光电效电子的相互转换过程，其中

2、广泛利用的光电效应有应有光电导光电导、光伏光伏和和光电发射效应光电发射效应。1固体中的光吸收和光发射固体中的光吸收和光发射在固体中，光子和电子之间的相互作用有三种在固体中，光子和电子之间的相互作用有三种基本过程：基本过程：光吸收（光吸收（opticalabsorption）、）、自发辐射（自发辐射（SpontaneousRadiation）和受激）和受激辐射（辐射（Stimulatedradiation）。）。光光吸吸收收过过程程光吸收过程光吸收过程当半导体受到光照时，光子被吸收。当半导体受到光照时，光子被吸收。(a)(a)若光子的能量等于禁带宽度，则会产生电若光子的能量等于禁带宽度，则会产生

3、电子空穴对；子空穴对；(b)(b)若光子的能量大于禁带宽度，除了产生一若光子的能量大于禁带宽度，除了产生一个电子空穴对以外，多余的能量将作为热个电子空穴对以外，多余的能量将作为热量耗散掉；量耗散掉；(c)(c)如果光子能量小于禁带宽度，则只有在禁如果光子能量小于禁带宽度，则只有在禁带中存在杂质或物理缺陷引起的能态时，带中存在杂质或物理缺陷引起的能态时，光子才能被吸收。光子才能被吸收。光发射过程光发射过程当电子从高能级向低能级跃迁时，释放出的能量是以当电子从高能级向低能级跃迁时，释放出的能量是以光子的形式存在的，称之为光子的形式存在的，称之为发光现象发光现象。光发射的前提是需要先有某种激发机理存

4、在，光发射的前提是需要先有某种激发机理存在，然后再通过然后再通过电子从高能级向低能级的跃迁形成发光现象。前一过程称电子从高能级向低能级的跃迁形成发光现象。前一过程称为为激发过程激发过程，后一过程称为，后一过程称为发射过程发射过程。处于激发态的系统是不稳定的，经过一段短时间后，如处于激发态的系统是不稳定的，经过一段短时间后，如果没有任何外界触发，电子将从激发能级回到基态能级，果没有任何外界触发，电子将从激发能级回到基态能级，并发射光子，该过程为并发射光子，该过程为自发发射过程自发发射过程。在。在发光二极管发光二极管中起支配作用的有效过程是自发发射。中起支配作用的有效过程是自发发射。当光子入射到已

5、处于激发态的系统时，位于不稳定高能当光子入射到已处于激发态的系统时，位于不稳定高能级上的电子会受到激发跃迁到基态能级，并发射光子，这级上的电子会受到激发跃迁到基态能级，并发射光子，这种过程称为种过程称为受激发射过程受激发射过程。半导体激光器半导体激光器中的主要过中的主要过程为受激辐射。程为受激辐射。2半导体发光二极管半导体发光二极管半导体发光二极半导体发光二极(light emitting diode,LED)管由能自发辐射紫外管由能自发辐射紫外光、可见光或红外光的光、可见光或红外光的pn结构成，结构成，是目前应用最广的一种结型电致是目前应用最广的一种结型电致发光器件。发光器件。靠正向偏置的靠

6、正向偏置的pn结的少结的少数载流子注入作用，使电子和空穴数载流子注入作用，使电子和空穴分别注入到分别注入到p区和区和n区。当非平衡少区。当非平衡少数载流子与多数载流子复合时，以数载流子与多数载流子复合时，以辐射光子的形式将多余的能量转变辐射光子的形式将多余的能量转变成光能，因此也称为成光能，因此也称为注入式发光二注入式发光二极管。极管。发光总过程包括：发光总过程包括：载流子注入、载流子注入、复合辐射和光传输过程。复合辐射和光传输过程。球透镜环氧树脂P层有源层N层发光区(a)正面发光型微透镜P型限制层有源层波导层N型限制层(b)侧面发光型发光二极管的结构发光二极管的结构发光二极管材料发光二极管材

7、料材料材料发光颜色发光颜色复合发光方式复合发光方式GaAs红外红外直接跃迁直接跃迁GaP红、绿、橙黄红、绿、橙黄间接跃迁间接跃迁GaAs1-yPy y0.45橙、黄橙、黄间接跃迁间接跃迁GaN蓝蓝直接跃迁直接跃迁发光二极管的优点发光二极管的优点a)工作电压低，耗电量小；工作电压低，耗电量小；b)性能稳定，寿命长；性能稳定，寿命长；c)易于集成；易于集成；d)单色性好；单色性好；e)响应速度快；响应速度快；f)抗冲击、耐振动；抗冲击、耐振动；g)重量轻、体积小、成本低。重量轻、体积小、成本低。半导体发射激光，即要实现受激发射，必须满足下面半导体发射激光，即要实现受激发射，必须满足下面三个条件：三

8、个条件：通过施加偏压等方法将电子从能量较低的价带激发通过施加偏压等方法将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带，产生足够多的电子空穴对，导到能量较高的导带，产生足够多的电子空穴对，导致粒子数反转（致粒子数反转（populationinversion）。）。形成光谐振腔，使受激辐射光子增生，产生受激振形成光谐振腔，使受激辐射光子增生，产生受激振荡，导致产生的激光沿谐振腔方向发射。荡，导致产生的激光沿谐振腔方向发射。满足一定的阈值条件，使电子增益大于电子损耗，满足一定的阈值条件，使电子增益大于电子损耗，即激光器的电流密度必须大于产生受激发射的电流即激光器的电流密度必须大于产生受激发射的电流密度阈

9、值。密度阈值。3半导体激光器（半导体激光器（light amplification by stimulated emission of radiation，laser）半导体激光器的原理半导体激光器的原理PN能带正向电压时形成的能带半半导导体体激激光光器器的的结结构构半导体激光器的特点半导体激光器的特点它具有相干性好、方向性强、发射角小和能量它具有相干性好、方向性强、发射角小和能量高度集中等特点。高度集中等特点。此外，还具有体积小、效率高、能简单地利用此外，还具有体积小、效率高、能简单地利用调制偏置电流方法实现高频调制等独特优点。调制偏置电流方法实现高频调制等独特优点。由于这些独特的性质，半导

10、体激光器是光纤通由于这些独特的性质，半导体激光器是光纤通信中最重要的光源之一。信中最重要的光源之一。4光电探测器（光电探测器（Photoelectric Effect）光电探测器：对各种光辐射进行接收和探光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件。测的器件。光电导光电导 PIN光电二极管光电二极管 光电二极管光电二极管 光电晶体管光电晶体管 雪崩光电二极管雪崩光电二极管光电金属光电金属-半导体半导体-金属（金属（MSM）基本的光电效应及光电探测器件基本的光电效应及光电探测器件半导体光电探测器是用来探测光子的器件，其半导体光电探测器是用来探测光子的器件，其功能是将光信号转化成电信号，主要利用两

11、类功能是将光信号转化成电信号，主要利用两类光电效应：光电效应：光电导（光电导（photoconductive effect）和和光伏效应（光伏效应（photovoltaic effect）。价带中的电子在吸收光子后，若跃迁到导带，价带中的电子在吸收光子后，若跃迁到导带，则产生电子则产生电子-空穴对，或者施主能级上的束缚电空穴对，或者施主能级上的束缚电子受激跃迁到导带，价带中的电子受激跃迁到子受激跃迁到导带，价带中的电子受激跃迁到受主能级，则产生自由电子或自由空穴，这些受主能级，则产生自由电子或自由空穴，这些由光激发的载流子通称为由光激发的载流子通称为光生载流子（光生载流子（Photo-gene

12、ratedCarrier）。光电探测器的基本过程光电探测器的基本过程光电探测器的三个基本过程：光电探测器的三个基本过程：光子入射到半导体中并产生载流子；光子入射到半导体中并产生载流子；载流子在半导体中输运并被某种电流增载流子在半导体中输运并被某种电流增益机构倍增；益机构倍增；产生的电流与外电路相互作用，形成输产生的电流与外电路相互作用，形成输出信号，从而完成对光子的探测。出信号，从而完成对光子的探测。光电导效应光电导效应光生载流子将使半导体的电导率增大，这就是光生载流子将使半导体的电导率增大，这就是光电导效应光电导效应；利用光电导效应的探测器称为光；利用光电导效应的探测器称为光电导探测器。电导

13、探测器。光伏效应光伏效应光生载流子在内建电场的作用下作漂移运动，光生载流子在内建电场的作用下作漂移运动，如果器件开路，则产生光生电动势，这就是如果器件开路，则产生光生电动势，这就是光光伏效应伏效应；若在外部把器件连起来，则有光电流；若在外部把器件连起来，则有光电流通过。通过。利用光伏效应的探测器有：利用光伏效应的探测器有：pn结光电二极管、结光电二极管、PIN光电二极管、肖特基势垒二极管、雪崩倍增光电二极管、肖特基势垒二极管、雪崩倍增光电二极管、光电晶体管和光伏探测器。光电二极管、光电晶体管和光伏探测器。光电二极管：光电二极管：光电二极管实际上就是一个光电二极管实际上就是一个工作在反向偏置条件

14、下的工作在反向偏置条件下的pn结，结，p-i-n光电光电二极管是最常用的光电探测器件。二极管是最常用的光电探测器件。雪崩光电二极管：雪崩光电二极管：雪崩光电二极管是借助雪崩光电二极管是借助强电场作用产生载流子倍增效应强电场作用产生载流子倍增效应(即雪崩即雪崩倍增效应倍增效应)的一种高速光电器件。的一种高速光电器件。CCD器件器件电荷耦合器件电荷耦合器件(Charge Coupled Device，简称，简称CCD)：70年代初由美国贝尔实验室研制成功年代初由美国贝尔实验室研制成功的一种新型半导体器件。的一种新型半导体器件。CCD器件不同于其他器件的突出特点：以电器件不同于其他器件的突出特点：以

15、电荷作为信号，即信息用电荷量荷作为信号，即信息用电荷量(称为电荷包称为电荷包)代表，而其他器件则都是以电压或电流作为代表，而其他器件则都是以电压或电流作为信号的。信号的。广泛用于影像传感、数字存储和信息处理等广泛用于影像传感、数字存储和信息处理等三个领域，其中最重要的应用是作为固态摄三个领域，其中最重要的应用是作为固态摄像器件，其次是作为存储器件。像器件，其次是作为存储器件。5太阳能电池（太阳能电池（solar cell）吸收光辐射而产生电动势，吸收光辐射而产生电动势，它是半导体它是半导体太阳能电池实现光电转换的理论基础。太阳能电池实现光电转换的理论基础。产生光生伏特效应的产生光生伏特效应的两个基本条件两个基本条件：半导体材料对一定波长的入射光有足够大半导体材料对一定波长的入射光有足够大的光吸收系数，即要求入射光子的能量的光吸收系数，即要求入射光子的能量h 大于或等于半导体的禁带宽度大于或等于半导体的禁带宽度Eg具有光生伏特结构，即有一个内建电场所具有光生伏特结构，即有一个内建电场所对应的势垒区对应的势垒区影响太阳影响太阳能电池转能电池转换效率的换效率的主要因素主要因素有：表面有：表面太阳光的太阳光的反射、反射、pn结漏电流结漏电流和寄生串和寄生串联电阻等联电阻等