半導體光電子器件
半導體光電子器件
利用半導體光-電子(或電-光子)轉換效應製成的各種功能器件。它不同於半導體光器件(如光波導開關、光調製器、光偏轉器等)。光器件的設計原理是依據外場對導波光傳播方式的改變,它也有別於早期人們襲用的光電器件。後者只是著眼於光能量的接收和轉換(如光敏電阻、光電池等)。早期的光電器件只限於被動式的應用,60年代作為相干光載波源的半導體激光器的問世,則使它進入主動式應用階段,光電子器件組合應用的功能在某些方面(如光通信、光信息處理等)正在擴展電子學難以執行的功能。
早在19世紀末就已經開始研究半導體硒中的光電現象,後來硒光電池得到應用,這幾乎比晶體管的發明早80年,但當時人們對半導體還缺乏了解,進展緩慢。30年代開始的對半導體基本物理特性(如能帶結構、電子躍遷過程等)的研究,特別是對半導體光學性質的研究為半導體光電子器件的發展奠定了物理基礎。1962年,R.N.霍耳和M.I.內森研製成功注入型半導體激光器,解決了高效率的光信息載波源,擴展了光電子學的應用範圍,光電子器件因而得到迅速發展。
分為三大類:
①發光二極體(LED)和激光二極體(LD):將電能轉換成光輻射的電致發光器件。發光管的發散角大,光譜範圍寬,壽命長,可靠性高,調製電路簡單,成本低,廣泛用於速率不太高、傳輸距離不太遠的通信系統,以及顯示屏和自動控制等。激光管的光譜較窄、發散角小、方向性強、色散小,於1962 年研製成功后,得到迅速發展,廣泛用於大容量、長距離的光纖通信系統以及光電集成電路。缺點是溫度特性差,壽命比 LED 短。
③ 太陽電池。將光輻射能轉換成電能的器件。1954年應用硅PN結首先研製成太陽電池。它能把陽光以高效率直接轉換成電能,以低運行成本提供永久性的電力,並且沒有污染,為最清潔的能源。根據其結構不同,其效率可達5%~20%。
從能帶論的觀點出發,半導體中電子狀態的分佈如圖1,常溫下低能量的帶(價帶)中的狀態基本上為價電子所填充,高能量的帶(導帶)中的狀態則空著,二者之間被寬度為 Eg的禁帶所隔離。在此情況下半導體的導電特性很差,只有發生在導帶中的電子或價帶中的空態(空穴)才能在外場驅使下參與導電。半導體光電子器件
當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導帶中,與此同時在價帶中留下空穴,統稱為光生載流子,由此產生的附加導電現象稱為光電導。在外場驅使下光生載流子貢獻的電流稱為光電流。這種光電子效應因發生在半導體內,故稱為內光電效應。內光電效應是一切光電子接收和能量轉換器件的基礎。
半導體光電子器件
半導體光電子器件
光電子器件可分為體光電子器件、正反向結光電子器件、異質結和多結光電子器件。
體光電子器件
半導體光電子器件
體光電探測器也可以用摻入深能級雜質的方法製成。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質中心激發的,稱為非本徵激發。這類探測器大多在很低溫度下工作(如液氦溫度4.2K)。
正向結光電子器件
在正向大偏置下半導體PN結結區附近將注入大量非平衡載流子,利用複合發光效應可製成各種顏色發光二極體。電子儀錶上普遍使用的紅、綠色半導體指示燈、數碼管,就是用GaAsP、GaP、AlGaAs等材料製成的。固態發光管功耗低、體積小、壽命長,已逐步取代真空管。用GaAs製成的發光管,發光效率很高,發射波長約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。第一隻半導體激光器就是用高摻雜GaAs的PN結製成的,雖然現代半導體激光器已被異質結器件所取代,但基本上仍屬正向結結構。
反向結光電子器件
PN結中由於兩側電荷的轉移在結區建立很強的內場(達104伏/厘米以上),導致能帶彎曲,形成PN結勢壘。光生載流子一旦擴散入結區即被內場掃向兩側構成光生電流。硅光電池和光敏二極體就是利用反向結特性工作的器件。硅光電池作為太陽能電源在人造衛星上已得到應用,中國“東方紅”2號人造衛星就使用了硅光電池。硅光電池能量轉換效率已接近15%的理論值。光敏二極體是廣泛使用的光檢測器件,為了提高量子效率和響應速度,必須盡量擴大耗盡區(即電場區),因此實用的半導體光電二極體都施加反向偏置,量子效率可達到80%以上,響應時間可小於納秒,光纖通信系統使用的Si-PIN檢測器就是典型的一種。
如果施加足夠大的反向偏置,光生載流子在結附近某區域的強電場下加速,其能量可達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,因而可得到內部增益。利用這種過程可制出快速靈敏的光檢測器,稱半導體雪崩光電二極體(APD)。它在長距離、大容量光纖通信系統中得到應用。
異質結光電子器件
半導體光電子器件
多結光電子器件
根據器件功能設計的需要,可以連續生長兩個以上多層異質結。這種多結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負阻激光器就是一種多結二端器件,它是將普通的PNPN閘流管和雙異質激光器組合成一體的複合功能器件。為了兼顧電學上的全導通和激光器低閾值要求,通常製成NpPpnP結構。其中大寫字母表示寬頻隙材料,小寫字母表示窄帶隙材料。這種負阻激光器適用於光電自動控制方面。
光晶體管是一種多層雙結三端器件,它也是一種有內部電流增益的光電探測器。它不受碰撞電離雜訊的限制,因此在長波長低雜訊探測器應用方面可與半導體雪崩光電二極體相媲美。
最典型的多結器件是量子阱激光器。量子阱激光器的有源區由多層超晶格材料構成,在超晶格結構中窄帶隙材料形成極薄二維電子(或空穴,或二者兼有)勢阱,導帶中的准連續的電子態變成量子化,電子空穴的複合發光發生在這些量子化的分立狀態之間,所以能在相當程度上克服半導體激光器能帶工作的弱點。譜線變窄,溫度係數變小,而且還可以通過注入電流密度的改變,對發射波長進行調諧。它將擴展半導體激光器的應用領域。