物理-半導體器件chapter電子器件光子擔任主要角色

第十章光電子器件Optical-Electronics躍遷E躍遷

E1Ground

E=E2-

光子與固體中的電子的相互作

光探測器 電發(fā)光二極

激光二極 雜雜質(zhì)吸自由載流子吸聲子吸EC本征吸激子吸 剩余吸

基礎吸激子吸激子吸自由載流子吸幾種半導體材料的吸收系(1.4(1.4(0.87(1.1(1.88h<=1.24/Eg截止波 圖2.7直接帶隙半導體的能量－晶體動量

圖2.8間接帶隙半導體的能量－晶體動量 受主間復合、施-受主之間復合、通過深能級復合、激子復子-空穴對稱為激子。激子作為一個整體，可以在晶體中自庫侖束縛較弱，電子“感受”到的是平均晶格勢與空穴的輻射復合，是“碰撞電離”的逆過程。子的決定于通過復合中心的間接復合過程（因為SHR壽發(fā)光二極管：靠注入載流子自發(fā)復合而半導體激光器則是在外界誘發(fā)的作用下促使注入載流子復合而引起的受激輻射；相干光，具有單色性好、方向性強、亮 LED低電壓、低功耗下發(fā)光，遠比白熾燈 也快。如下圖所示，使用LED的各種指示燈、七段數(shù)字顯示特征參數(shù)I-V特征：與普通二極管基本一致。開啟電壓由于緊靠pn結(jié)附近發(fā)出的光從單晶出來到外部之前被吸收掉的比例高，所以發(fā)光效當陽極加正電壓、陰極加負電壓時，發(fā)光二極管正向偏置，則n區(qū)自由電子通過結(jié)向p區(qū)移動，p區(qū)空穴通過結(jié)向n區(qū)移動。此時，自由電子和空穴的一部分因復合而。光的波長根據(jù)pn結(jié)處禁帶寬度來確定，禁帶寬度越大波長越短。即發(fā)光的波長即“色”取決于材料。異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)是一種將禁帶寬度窄的活性層用禁帶寬的包覆層從兩側(cè)的結(jié)構(gòu)。一LED常用的材料是摻雜的間接躍遷材料GaP以及GaP各種摻雜的GaP的輻射復損失部分由三種原因造成：LED材料的本征吸收損失反射損失；臨界角損失的GaP襯底底部鍍上反射電極，只有25%左右被吸收掉，大部以改進LED管芯幾何形狀的設計，圖（a）的矩形LED的三種截面設 不同截面LED的發(fā)光強度角分布曲寬禁帶半導體材料具有禁帶寬度大，電子漂移飽和速度高，介電常數(shù)小，導熱性能好等特點，非常適合于制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的電子器件；而利用其特有的禁帶寬度，還可以制作藍、綠光和半導體晶體管以及集成電路的發(fā)明和發(fā)展使計算機成為人類社會不可或缺的東西，這數(shù)得上是２０世紀最重要的技術(shù)。那么，半導體引起的下一個技術(shù)將是什么呢？那就是半導體燈。半導體照明燈將逐步取代電真空燈泡和日光燈管，成為又一個影響人類社會物質(zhì)文明的電子的產(chǎn)物。半導體燈小巧、可靠、 長、低壓、省電、節(jié)能等占盡了優(yōu)點。普通燈泡只能用小時， 光LED燈可用萬小時，可以說人的一生從建房開始裝上就不用再更換了，而且半導體燈消耗的電能只藍光天野浩（HiroshiAmano）、中村修二

目前利用LED實現(xiàn)白光主要有兩種方法，一是利用藍光LED和熒光粉的白光LED產(chǎn)品；另一種是利用紅色、綠色、藍色LEDLED白 和有多家公司推出了白光LED產(chǎn)品，目前日亞公司的水平最高。White白光LED白光LED主要利用藍光LED為基礎光源，將藍色LED發(fā)由發(fā)光峰值在m或藍光LED與黃綠色（580nm）熒光粉組成白光稱其為二基色白光LED。由發(fā)光峰值在或的藍光LED與紅色（650nm）和綠光組成的白光其為三基色白光LED。光粉的發(fā)光與藍光LED的發(fā)光可以配成白光。WhiteGaNorInGaN

InGaN-GaNstructureOutpurcolourstronglydependantoncurrentand

3kindsofwhitelight,dependingonthe4000-4500K,Incandescantorwarm5000-6500K,Pure7000-8000K,Cool圖形化藍寶石襯底（PatternedSapphireSubstrate,納米圖形襯底NPSS對光效的提高明顯優(yōu)于微米圖形襯底高亮度藍光LED的商品化使動態(tài)信息顯示平板實應用藍光LED 普通白熾螺旋節(jié)能T5熒光白光 hh

hE 半導體SiGe元素半導1962年研制出第一臺半導體激光器，GaAs1970年研制成功在室溫下連續(xù)工作的GaAlAs-雙異質(zhì)結(jié)激光器

III-V族化合物半導體 II-VI族化合物半導體（CdS硫化鎘IV-VI族化合物半導體（PbSnTe鉛錫碲"p"將低能級狀態(tài)原子抽運高能級狀態(tài)(N2誘發(fā)高能級發(fā)亞穩(wěn)材料要求：直接帶工作原理：低界面態(tài)異質(zhì)結(jié)構(gòu)—晶格匹分布反轉(zhuǎn):電子在較高能級的濃度大于在較低能級的濃度簡并型p-n結(jié),正偏時,此區(qū)域分布反轉(zhuǎn).導帶中有大量電子,價帶中有大量空穴結(jié)構(gòu) anenergysource(orpump),againmedium,andanopticalresonator有源區(qū)載流子反轉(zhuǎn)分有足夠的注入電dopedp-njunctionsasagain自發(fā)光輻射和受激光輻自發(fā)光輻射（發(fā)光二極管當給器件加正向偏壓時，n區(qū)向p區(qū)注入電子，p區(qū)向n區(qū)注入空，這種輻射叫做自發(fā)輻射在pn結(jié)平面內(nèi)，單色性較好，強度也較大，這種光輻射叫做 surface-emitting半導體量子阱垂 腔表面放射激 么這個激光就能在腔中起振.所以單縱模就意味著激光的單色性好Lk 全k12 射

光在諧振腔內(nèi)來回反射，相干疊加，只有形成駐波的光才能振 上升，然后再借助各種物理效應把溫度的變化轉(zhuǎn)變成電學用，將它們激發(fā)為自由態(tài)，引起半導體的電阻降低或者產(chǎn)光電效應Photoelectrichvhv1mv2200（每個光子具有的能量=電子動能+逸出功式中：m—電子質(zhì)量；v—電子逸出速從上式可知：當光子能量大于逸出功時，才產(chǎn)生光電效應；當于紅限頻率的入射光，光強再大也不會產(chǎn)生光電效應。反之，入導 導 導EgEgh雜質(zhì)能級(受主能級h雜質(zhì)能級(受主能級價帶(充滿帶本征半導

價帶(充滿帶 價帶(充滿帶n型雜質(zhì)半導 (c)p型雜質(zhì)半導有光照時：σ

長波限則取決于雜質(zhì)電離能EI光電導效應的強弱可用光電導與暗電導的比值來判斷：Δσpn/σ0=(Δnμn+Δqμp)/(n0qμn+p0qμp利用光電導效應可以制造出各種波長范圍的光敏電阻、光敏二光生伏特效光照引起結(jié)光生伏電子在光照使PN結(jié)勢壘降效于PN結(jié)外加正向偏壓，它同樣能引起P區(qū)空穴和N區(qū)電子向?qū)Ψ阶⑷?，形成正向注入電流。這個電流的方向與光生電流的方向正好相反，稱為暗電流，是能電池中的不利因素，應當設法使ID=I0eVVT-1I=IL-ID=II=IL-ID=IL+I0V

PN結(jié)的結(jié)電壓即為負載R上的電壓降P-N結(jié)上的電壓

I- V=VTln +1 在開路情況下，I=0，得到開路電壓（這 電池能提供的最大電壓 ILVOC=VTln1+ 在短路情況下

0I=II=IL-ID=IL+I0V I=IL-ID=IL+I0VP=IV=ILV-I0V

原–

無光照及光照時電流－電壓

電池的效率指的是 電池的功率轉(zhuǎn)換效率。它是太Pm式中Pin為輸入光功率 PmVmPIDye-sensitizedDye-sensitizedsolar原–

無光照及光照時電流－電壓

c-SiSolarcell 單晶硅的表面織構(gòu)化為倒金字塔結(jié)構(gòu)，多晶硅的表面織構(gòu)化為蜂窩結(jié)表面織構(gòu)

周邊刻蝕（去邊）Edge n

2 n2n 2電極印 screen烘烘背電+烘+烘電極材料要求能與硅形成牢固接觸電阻比較小，應是一種歐姆接有優(yōu)良的導電遮擋面積小，一般小于收集效率可焊性成本低

電極設計方于絲網(wǎng)印刷，覆蓋面積將影響到填充因。 圖9絲網(wǎng)印刷原理示意圖BackSurface，在后續(xù)的熱退火后會形成背PN成的晶硅少子的下降得到恢復。尤其對質(zhì)量不好的硅片有一定的修復作用。此外，p+p結(jié)為高低結(jié)，即p+區(qū)為高摻雜而原硅片為低摻雜。如果燒結(jié)

提 電池效率的考提 電池效率的考 AirMassAirMassAirMass

用聚光器面積代替許多 能電池的面積，從而降低 能電池雜質(zhì)光伏效多結(jié)電WorldRecordSolarCellwith44.7%EfficiencymadeupoffoursolarsubcellsbasedonIII-Vcompoundsemiconductorsforuseinconcentratorphotovoltaicsofthefour-junctionsolar 薄膜電池類 ThinfilmThinfilm DyeSensitizedSolar，這樣可更充分地利用短波光，從而提高管子的短波響應靈向電壓后擴展到幾十微米，從而可以吸收長波光，以提高管，這樣可更充分地利用短波光，從而提高管子的短波響應靈向電壓后擴