半导体光电_范文大全

半导体光电

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【优秀范文】半导体光电

范文一:半导体光电器件 投稿:戴竧竨

半导体光电器

1

程简介课

陈金 菊办公: 三室楼系25房间3电 :话8 3027821, 3170286696 3E-mia:l injjchun@uestc.eeu.cdn

2

材 余金中:《,半导体光子技电术》,学化工业出版社2003 主,参要考书:王 有庆,《电光技术,电子工业出版》社,208 滨0川圭弘,光《子学电,》学科出社,版2020

3程课主内容要:

第1 章绪 论第章2 半体导光电件的物理基器 础3章第半 导发光二体管极 4第 章半导激光体器第 5 章光电探测器第6章 太能电阳

课池数时共计:32学, 时括4学时包实的

4

程目课:

的了解见的常导体光半器电及件导半体光电 件的发展器平,水掌半导体握电光件器工作原 理的、基本型、类构结及用应,分为析研、究设 和半导计光电器件体下打基。础

5

试 :考形试:开卷 式成构绩成: 平时绩成30:(%题,出勤习,实、实验报验告 ,料资读)阅考试 成绩7:0

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第1 绪论章

7

章主本要容内1

. 什是么半导体电光件 2器 .导体半电光器件的分 类. 3导半体光器电的发展件 4.半 体导光电器件应简用介

8

1

.1 什是么导半体光电器

(件) 1半导光电器体件是把光电这和两物理量联系种来,起

使光和互电转化相的型半导体新件器。(

)

2

利半导体的用电效光制成应的件器

(。3)

一种用光子利电与子的互相作所具有用特性的 来实现某种能的功导体器件。半

9

.21半 导光体器电的件分类

电光件器主有利要用导体半敏特光性作的工光电导器件, 利用导半光伏打效应工体的光作电以池及导体半发器光等。 件(1 )导半发体器光 利用件半体PN导正向通电结时载子流注入合复光发的 器件称为半导体发光器。 发件二极光管

半导

体激器

光10

(2

)

光电

测器探 通过件电子过程探光测信的器件号,将射到它表即面上

光信转换号为电号。 光信电阻敏 制作敏电阻的光材主料要硅、有、锗硫化镉锑化铟、 、化铅硫、硒镉、化硒化等。

光测探

1器1

二极电管

反电压下工向作在,光线射照 产下的电生子—穴对空加导参 会电增反向大和电饱。把流信号 光变的化为电流及电转的压化。

变电三光管

极2

1

3)

(阳电池太半导体P N结受到光照射时在能生电产动的势应,效叫

伏打效应光。池就电利用是伏光效应将打光能直接换成转电能 的导半体件。器

多晶硅

阳太电池件组1 3

1.3半导体光电 器件的发展1

970年Rund在o 化硅碳中察到 观电致发现象

19光5年Braunste5n i现发化砷的镓光 发169年砷2镓化发光极 二和管光激研器制成功现象

190

01

950

169

01

97

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161年G9ershneon z观察磷到化镓PN结发光 1

4

197年0砷镓-化镓铝砷激光器 现室实连温续

ELD的展

发20世7纪0年,代LED开始用点于

阵文字显示 。7年0中代期黄光,和绿光LDE世。 面0世280纪代年,高亮LD面世E。2 世纪900代,随年氮着物化EDL发明,的LED始在开部国分 和家区广地泛取传统代光和源代交替信号通。1灯99年2,色蓝LE 在DicNhai功成走实验室,1出997,年白LE光D生。白诞 光LE面D世开启,照了明光和显电示领域的新界。境 效:光.050LmW/ .01m/W 数LLmW/ 数十mL/ W约09m/WL1 5

L

的发D

1展70年,美国贝9实尔验室、本日气电公(司ENC和前)苏先后联研制成 室温下功续振荡连镓铝砷(Ga的Als)A双异结质导体半激 光(短波长)。器然寿虽命有只几个小时但,为半它体激光器导 的发展定奠了础基 197。3 年,导体半激器光寿命达7000小时到。1 97年6,日N本TT制出波研长为1. 3m铟的镓磷砷(I GaAsP) 激n器。光 917 7,年贝尔验实研制的室半导激体光器命达到1寿0万 小。时1 97年9,美国报电话电A(&T)公T和日司NT本T制成功研波 长为.55 1m半导体的激光。器 16 

激输光出功:毫率-百瓦瓦毫--瓦百(瓦瓦、千瓦)

在万光上谱谱,宽度可窄至0线.1nm0

方向性,上研开究出发侧向射、面发发、阵列射射等 多种发件器结构,发散由4角5×°51°至几度或降更。小

频调频率:几兆制兹- 几百兆赫赫兹- 4G0Hz8,0HzG更或高

。1

7

光电技术的

展概图发

18

半导体光

器件电正材以多样化、波长覆料宽、盖谱更精线 细功、率更、高用应广更泛以及不器同件集成化为的特征发。展 球半全导光体器件产电: 2值030 90亿美元年用 半于体器导的件材料市产值:场 023年 805亿美元. 9116 .3%的平均年增率 2008年 长8亿1元美 2%的0平年增均长率2008年 232亿美元

1.

4半体导电光器的应用件①

信息领域 ② 明照能源领域 ③ 军事与领域④ 光学 仪器域领激:光密测精、距光传纤感、谱光仪多长 波源光等 ⑤加领工域:激打孔、激光光割切、光激焊、接激退火光、激光改 等 ⑥性医疗领域

2

0

①息信域

光通信领 “息高信速路”席公全球卷 现世界以200在km/0h 铺光设纤 205 00万k6 m底光海缆人类 快很进入太“纪元 ” 传输• Tits/s • 处b 理Tibs/t • s储存T bytse

几近年 光:宽带9个 月存器1储2个 月 摩定尔律1 个月8第三

第年四 年五第年

一年第

第二年

性能格比翻价番度速

1

2

20世7纪0年,我代敷国了设一条光第通信线路纤, 目已达数百前公里万 。这些在光纤信通系统中,使要大用量半导的光 电器件,半导体体激光器、探测器半导、光波体耦合导 、光开关等器

通信系统

的重要成组分

部22

光纤通的信两个要重窗口:1 55µ. m.3µm1

.1µ3的mnIaAGsPGa nAIs激光P和 I器naAs光G探测器 的激电光器I和GnAsa或 eG光电测探

器构成了光纤

信通光中信学息发的

射、传、放大、接收播功 等,能从形成而性高能高、速、率高量容新的代一信系统。

2

3

显光

大规示模导半体集电路成术技和源光 术的技完美结。合亮度 高工作、压低电、功小、耗小型 化、命寿、长耐击和性冲能定

稳L

E全D显示彩屏泛广应在用体 场育、馆市政场、银广、行券 证所、车场站机场等、所。场

LD室外E全彩显屏

示24

国主要全市城由已传交通灯统替换LE为D交通灯 ,ELD交灯市场在通205年市0规场模到1达.52亿元。 ED交通灯

LLED

为汽车车作主灯要益得低于功、 长寿命和耗应响度速快的特。 2点05年中国0ELD车汽 车灯市规模场为021亿 .元,还处萌于芽状态

。ED刹车L

25

存光 光储上盘信的息入和读写出是利用都导半体激 器、光测探器完成来。 的a)

声像等(原信息始刻制 光盘取 样码 光盘光敏材料编 导半激体光器 制激光调号

信(b)

盘存光储a()与应用()原b理 图26

Al

Gxa-1Axs激光器

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(GxyaA1ly-)1xP激光- 器InGxa1xN-激光器

盘光外 形

27

② 照明与能领域源 半导体照

LE明D将望发展成第可代四光源即,半导照明体 L。D光源E比白灯节炽电78%、比光灯节荧电50%而, 寿命白比灯炽2长~30倍、0荧比灯光10倍。L长D光E源因 具节能、环有保长寿、、安全命、应快、体积小、响色 丰彩富、控可等列系独优点特,被认是节为电降耗能最佳 实的途现径

。82

用于

城市明的照功型率LDE现段阶大主两要应用:

•道路明照等其(他众场公所 – )速公高 路– 主干 道 次–道 干 小–;区区厂校区;… ;

中外大公司期 近市场拓展点 重

•! 办室公区相关的域明照(作工所) 场–室 内待区接 –域室内办公区 – 域内停车区室 –域 茶歇;区议会;区 ……– 半室内、半 室的空外区域;特间定饰照明装;…区… 9

实2施L“E CityD”计划的要主目的– 节能( 示例场中合,照明用电平节省均44) – %保护环 –境 少维护成减本 –提供 高品质的光源更质量 (安全、效等)

高城建市装饰灯筑光工程3 0

ED路L灯

能阳换转电能

成阳电太池工作理原

图哈勃望远镜

太用阳能板

3帆1

事军域领

军事领,域制可成激光打靶、激夜视光、激制导、光激武器。

光用光电应测探成和像器材 将,肉不眼可视标目换转或 (增强成可视影像的信息采)集 处理,和显。 俄罗斯示用夜视仪军

32

光激导制是利激光获用制导信得或息传制输导指令使 弹按一导导定引规飞向律标的目制方法导。 光激束的向性方好而极且散 角极发小,因,激光制导武器此命 精度极高中

。宝石系路列激制光导炸 弹中精命度已到达1.5 3米

3

.4学仪器光领 域工波作为长05纳米和9540纳米的1导半体激光

用脉激冲光器向标发射单目次激脉光冲激或脉冲串,光计 器测量激光数冲到脉目标并达目标由回返到接收的 往机时返间由,此算运目标距离。的已 广应用于泛力电,水利,通讯航,海,路铁,反/恐 事,农业军林,业等域领

。43

5医疗.领域

激光开做刀手 利术用激束进光针行

静脉激光光凝35

谢!谢

3

6

范文二:半导体的光电导 投稿:彭擧擨

半导体的光电导

半导体的光吸收在半导体材料中产生非平衡载流子。载流子的增加必然使材料电导率增大。这种由光照引起半导体电导率增加的现象称为光电导。本征吸收引起的光电导称为本征光电导。

现在讨论均匀半导体材料的光电导效应

1. 附加电导率

2.

无光照时,半导体样品的暗电导率为电子和空穴的迁移率。

设光注入的非平衡载流子浓度分别为n和p,当电子刚被激发

oq(n0np0p)

式中q为电子电量,n0、p0为平衡载流子浓度;n和p分别为到导带时,同导带中热平衡电子相比较可能会有较大的能量,但通过与晶格的碰撞,在极短的时间内就以发射声子的形式释放多余的能量变成热平衡电子。因此在整个光电导过程中可以认为光生电子与热平衡电子具有相等的迁移率,则光照情况下样品的电导率变为

q(nnpp)

式中nn0n;pp0p附加光电导为

q(nnpp) 光电导的相对值

n p

(1b)n bn0p00nnppn0np0p 对本征光电导np0 令b则0

可以看出要得到相高的光电导,应使n0和p0有较小的数

值,

对半导体本征吸收,pn;但是并不是光生电子和光生空穴都对光电导有贡献。

对p型Cu2O其本征光电导主要来自光生空穴的贡献

对n型CdS,其本征光电导主要来自于光生电子的贡献 就是说,在本征光电导中,光激发的电子和空穴数是相等的,但是在它们复合消失以前,只有其中一种光生载流子(一般为多载流子)有较长的时间存在于自由状态,而另一种则往往被一些能级(陷阱)来缚住,这样,np或pn附加电导率应为

nnq或ppq

除了本征光电导外,杂质能级上的电子或空穴受光照激发也能产生光电导,但比本征光电导弱得多。

2.定态光电导及其弛豫过程

定态光电导是指在恒定光照下产生的光电导。

因为n和p在一定条件是一定的,所以光电导的变化反映

了光生载流子的变化。

设工表示以光子数计算的光强度即单位时间通过单位面积的光子数,为样品的吸收录数,则单位时间单位体积内吸收的光能量(以光子数计)与光强成正比。

dII dx

I为单位体积内光子的吸收率,从而电子空穴对的产生率为

QI

代表每吸收一个光子产生的电子空穴对数,称为量子产额,每吸收一个光子产生一个电子空穴对,则21 一般1,

设在某一时刻开始以强度为I的光照射半导体表面,假设除激发过程外,不存在其他任何过程,经t秒时间后光生载流子浓度为

npIt

如光强保持不变,光生载流子浓度将随t线性增大,如图虚线所示。但由于光激发同时,还存在复合过程,因此n和p不可能直线上升,光生载流子浓度随时间的变化如图中曲线所示,n最后达到稳定值ns,这时附加电导率也达到稳定值s。这就是定态光电导。显然,达到定态光电导时,电子空穴

的复合率等于产生率,即RQ。

设光生电子和空穴的寿命分别为n和p,则定态光生载流

子浓度为

nsIn

psIp

从而定态光电导率为sqI(nnpp)

定态光电导率与,,和四个参数有关,其中和表征光和物质的相互作用,决定着光生载流子的激发过程。而和表征载流子与物质之间的相互作用,决定着载流子运动和非平衡载流子的复合过程。

光照经过一定的时间后才能达到定态光电导s;同样,当

光照停止后,光电流也是逐渐消失,如图所示,这种在光照下光电导率逐渐上升和光照停止后光电导率逐渐下降的现象,称为光电导的弛豫现象。

在讨论弛豫过程中,采用一种载流子起作用的情况,即设p0

(A)小注入情况

设t0时开始光照,光强度为I,在小注入时,光生载流子寿命是定值,复合率R等于n/在光照过程中,n的增加率应为

d(n)n QRIdt

分离变量升积分,利用起始条件,t0,n0得到

nI(1e

)

在小注入情况下,光生载流子浓度即光电导率按指数规律上升,即图中曲线上升级,当t时,

nIns

这就是光生载流子的空态值

当光照停止后,Q0,决定光生载流子的方程为

dnn dt

t0时,停止光照。这时光生载流子浓度已达到定态,即 t0时,nns解方程得

nIensett

指数规律下降,即为曲线的下降积,

小注入情况下,光电导的上升和下降函数为

s(1e)上升

se下降

两式为具有相同时间常数的指数曲线,称为弛豫时间

(B)强注入情况

注入光强很强情况,nn0和p0情况下,载流子寿命不

再是固定值,而方程应改为 tt

dnIr(n)2上升段dt dnr(n)2下降段dt

利用起始条件:上升时t0,n0

下降时

t0,nns(I/r)

解上述方程得出强注入情况下,n的弛豫曲线方程: 上升n(

下降n

(Irr)tgh[(Ir)t] 11 ()rrt1(Ir)tII)在强注入情况下,光生载流子寿命I1是光强和时间rn

的函数

(C)光电导灵敏度及光电导增益

定义:单位光照度所引起的光电导致s称为光电导灵

敏度

一定光照下,s(ns)越大,灵敏度越高

而nsI,弛豫时间大,灵敏度提高。 另一方面,大,光电导上升缓慢,即对光仪号反应慢

小,光电导上升快,对光仪导反应灵敏

光电导灵敏度s和弛豫时间是光敏电阻的两个重要参

数,实际应用中即要求灵敏度高(ns大),又要求弛豫时间短

(小,反应快)。两者相互矛盾。

同一种材料组成的光敏电阻,由于结构不同,可以产生不同的光电导效果,通常用光电导增益表示光电导效应的增强。

如图10-19设光敏电阻两端接电源V,在外场的作用下,光生载流子(设为电子)在两电极间的定向运动形成电路中的光电流。在一定条件下,光生电子的寿命n可以大大超过电子

从一个电极漂移到另一个电极所需要的时间t(渡越时间),

这样当电子在电场作用下到达正电极时,负电极必须同时释放出一个电子,以保持样品的电中性。这种过程一直继续到光生载流子复合的发生,因此,在nt情况下,光敏电阻每吸收一

个光子就能使许多个电子相继通过两个电极,这样电极靠近时的光电流将大于电极远离时的光电流。通常用光电导增益因子G表示这种光电导效应的增强。

Gn t

外加电压为V,电子迁移率为n,电极间距离为L,则

渡越时间 tl2

nv

nnv

l2 光电导增益因子G

n大,n大,l小,则G 大。

第二章 光电二极管与太阳能电池

利用半导体光电效应制造的半导体器件统称为光电器件,本章主要介绍半导体光生伏持效应,光电二极管和太阳能电池的基本原理。

一、光生伏特效应:

1、定义

光生伏特效应:半导体吸收光能后在PN结上产生光生电动势的效应称为光生伏特效应。

2 吸收光子产生非平衡电子空穴对,hEg(见图 电子空穴对在空间分离并分别堆集产生电势差

3、P-N结能带图

如图为天光照时平衡时PN结能带图,设入射光垂直于PN结面,结较浅,光子射入PN结区,甚至深入到半导体材料内部,入射光子能量大于禁带宽度,由本征吸收在结的两边产生电子空穴对在光激发作用下,半导体多数载流子浓度一般变化不大,而少数载流子浓度变化却相当大,因此主要研究少数载流子运动。

由于PN结势垒区内存在较强的自建电场,方向由N区指向P区,结两边的光生少子受到自建场的作用,各自向相反的方向运动:P区的电子穿过PN结进入n区;n区的空穴进入P区,从而使得P区电势升高,n区电势降低,于是在PN结两端形成了光生电动势,这就是PN结的光生伏特效应。

积累的光生载流子部份地补偿了平衡PN结的空向电荷,引起PN结势垒高度的降低,如图所示。如果PN结处于开路状态,光生载流子在PN结两端产生光生电动势。这时PN结两端测得的电位差时开路电压,用Voc表示,从能带图上看PN结势垒由q。降低到q(0V0c)。势垒降低的部份正好是P区和N区费米能极分开的距离。

如果把PN结从外部短路,则PN结附近的光生载流子将通过这个途径流通。这时流过PN结的电流叫短路电流,用Il表示,其方向从PN结内部看是从N区指向P区,这时非平衡载流子不再积累在PN结两侧,光电压降为零。

一般情况下,PN结材料和引线总有一定电阻,用Rs表示这

种等效电阻。这时光生载流子只有一部份积累在PN结上,使势垒降低qv,v是电流流过Rs时产生的压降。其情况如图所示。

二、光电二极管

光电二极管是利用光生伏特效应原理进行工作的一种器件,它工作在反向偏置状态。将光光仪号转换成电仪号达到探测光仪号的目的。

1、物理原理

如图给光电二极管加上反向偏置电压,天光照时,二极管处于关闭状态,没有电流流过,只有很小的反向电流(图)。

有光照时,在半导体材料中产生大量的电子空穴对,对P区而言,空穴是多子,电子是少子,而PN结势垒区的作用是帮助少子漂移越过耗尽层到达N区,被电源正极抽走,而P的多子空穴被电源负极抽走,同样N区的多子电子被电源正极抽走而少子空穴则渡过耗尽层达到P区从而形成光电流。

入射光强强,激发的电子空穴对多,光电流大。

入射光强弱,激发的电子空穴对少,光电流小。

从而将光仪号的强弱转变成为电仪号的强弱

2、典型光电=极管结构

(1)P=I-N光电=极管

在P层和N层之间夹入一层本征成低掺杂的工层材料就构成了P-I-N结构的光电=极管,如图示出其基本结构。

半导体吸收光子后产生电子空穴对。对于产生在耗尽层和耗尽层外载流子扩散长度以内的电子空穴对,最后将被耗尽区的电场分开,漂移通过耗尽层,在外电路产生电流,P层和N层之间的I层也是耗尽层,它增加了耗尽层的宽度。在足够高的反向偏压下,I层完全变成耗尽层。在I层中产生的电子空

穴对立刻被电场分离而形成光电流在I层之外产生的电子空穴对以扩散方式向耗尽层边缘扩散然后被耗尽层收集,形成扩散电流。I层的目的是为了使光电二极管获得最佳的量子效率和频率响应。

(2)雪崩光电=极管

雪崩=极管是一种常用光电探测器,它利用器件内部的雪崩倍增过程使光吸收产生的电流得到放大,如图是它的基本结构。当反向偏压VR足够大时,NP结的强电场将引起载流子的雪崩倍增,形成倍增区,使光电流得到放大。I层厚度做得比较大。直接带隙材料为微米数量级,间接带隙材料为几十个微米量极,是光的吸收区域,其间的电场不足以发生碰撞电离,但通常能使载流子以饱和漂移速度Vs运动,N型保护环的作用是

防止NP结的边缘击穿。中间的NP结的击穿将光于保护环击穿。

设计雪崩光电二极管的一个重要考虑是如何减少雪崩噪声。雪崩噪声是由雪崩过程的随机产生的,在耗尽层中每一给定距离所产生的每一个电子空穴对 并不经历相同的倍增过程。雪崩噪声和电离率比(pn)有关,pn越小,雪崩噪声也越小。

III-V族化合物半导体是制造光电器件的重要材料,原则上,在直接带隙半导体情况下,光电探测器的吸收区不必很长,雪崩光电二极管可以由宽的吸收区和倍增区构成。但对于窄带隙材料,碰撞电离所需要的强电场会会引起很大的来自带间隧道效应的漏电流。为了避免这种现象,通常采用分别吸收和倍增的雪崩光电二极管结构,如图所示,光吸收发生在窄禁带材料内,雪崩倍增过程发生在宽禁带材料内。

如图表示1.5~1.65m波长的光通信用InGaAs光电二极管的典型结构,在NInP衬底上外延生长NInGaAs光吸收层和NInP倍增层,并在这两层中间夹入NInGaAsP层。夹入NInGaAs层是用来缓和PInGaAsP和InP层的禁带宽度Eg(分别为0.75ev和0.35ev)的差异所产生的价带不连续,使光吸

收产生的空穴迅速流入倍增层,作为倍增层的InP材料的空穴电离率大于电子电离率(pn),这种光电二极管的倍增过程是由空穴碰撞电离而在N型InP中形成的。

(3)金属-半导体光电二极管

金属半导体光电二极管的结构如图所示,入射光穿过金属层进入半导体。为了避免大量的反射和吸收损耗,金属接触层通常做得很薄(约10nm)而且定力 反射涂层。

金属半导体光电二极管在紫外光和可见光区域特别有用在这些波长区域,大多数半导体的吸收录数都很高,数量级在410cm或更大,相应的有效吸收长度1/为1.0m或更短,就有可能选择一种金属和一种抗反射涂层,使入射光的大部份在半导体表面附近被吸收,产生的电子空穴对由肖特基势垒电场分开,例如,金硅光电探测器,有厚度为10nm的金的厚度为50nm的的硫化锌抗反射涂层。对于632.8nm的入射光,95%以上将透射击列硅衬底。

金属半导体光电二极管具有很高的响应速度,故称为高速光电二极管。

范文三:半导体激光电源_ 投稿:汪鄧鄨

第37卷 第11期               激光与红外 2007年11月              LASER & INFRARED

Vol.37,No.11November,2007

  文章编号:100125078(2007)1121178203

一种小功率高稳定半导体激光器可调驱动电源

闫战强,梁 勇

(河南大学物理与电子学院,河南开封475000)

摘 要:光器的时候有许多需要改进的地方。关键词:A

SmallScaleMedicinalPowerSemiconductorLasers

DrivenPowerDesign

YANZhan2qiang,LIANGYong

(SchoolofPhysicsandInformationOptielichonics,HenanUniversity,Kaifeng475000,China)

Abstract:Semiconductorlasersmoredependentonthestabilityofcurrentcontrols.Actualsourcesinthecurrentsem2iconductorlasersusedinthecourse,muchneedsimprovement.Thispaperdescribesonefordrivinginmedicalequip2mentusedinsmallpowersemiconductorlasersinthedesignofthenewpower.Keywords:semiconductorlasers;drivingsource;slow2start

1 引 言

半导体激光器不仅具有体积小、质量轻、转换效

率高、省电、能直接调制等优点,而且半导体激光器的制造工艺与半导体电子器件和集成电路的生产工艺兼容,便于与其他器件实现单片光电子集成,因此已经在科研、工业、军事、医疗等领域得到了日益广泛的应用。在正常条件下使用的半导体激光器有很长的工作寿命,然而,半导体激光器如果在不适当的工作或存放条件下,会造成性能的急剧恶化乃至失效。在医疗器械中使用的半导体激光器,由于对输出功率更是有着比较严格的要求,为其设计一款精度较高、性能可靠、经济、耐用的驱动电源就显得尤为重要。2 半导体激光器转移特性  半导体激光二极管的结构如图1所示。从原理上来讲,在工作物质一定的情况下,半导体激光器输出的激光频率应当与谐振腔长度和激励源的强度有关,换句话说,半导体激光器的输出频率取决于PN结的温度和注入电流的大小。另外,由于半导体PN

结相当脆弱,稍有电流冲击就会造成损害。所以在具体使用半导体激光器时,我们对其供电电路和调制电路的要求相当严格。半导体激光器的发光特性如图2所示。从图中可以看出,在一定温度下,当驱动电流低于阈值电流时,激光器输出光功率P近似为零,半导体激光器只能发荧光,驱动电流高于阈值时输出激光,并且光输出功率随着驱动电流的增大而迅速增加并呈线性关系。在实际应用中必须对激光二极管提出两个要求,一是较低的门限电流;二是稳定的P-I曲线。我们用异质结来代替同质结就可以将门限电流降低两个数量级,而对于稳定性问题目前只有通过外加恒温和光反馈等来加以改善。对一般的半导体激光器来说,激光二极管是正向结法,光电二极管是反向结法。受光后转换的光电流在电阻上以电压形式反映出射光功率的大小,添加

  作者简介:闫战强(1975-),男,硕士,河南大学物理与信息光电子学院讲师,主要从事应用电子技术方面的教学与研究工作。

E2mail:yzqyyf@163.com

  收稿日期:2007204226;修订日期:2007206223

激光与红外 No.11 2007      闫战强 梁 勇 一种小功率高稳定半导体激光器可调驱动电源1179

控制电路就可以达到控制发光功率的目的

图1 

半导体激光器结构

图3图2 发光特性

3 电路设计

3.1 半导体二极管参数

图4 恒流源电路

实验中选用的是重庆航伟光电科技有限公司的AL650T30激光器二极管。其具体技术指标如表1

所示。

表1 AL650T30激光二极管技术指标

参数名称寿命光功率工作温度发光波长输出光功率(CW)

阈值电流工作电流工作电压监视电流

极限值(Tc=25℃)

>5000

单位

hmW

  整个网络构造使用了滞后-超前校正。我们可

以直接用其化简的PID表达式来证明它满足我们的要求。

首先考虑系统的稳定性。仍然设定系统为一阶线性惯性系统:

H0(s)=

s+a

≥30

-10~+50650±10

得到:

a(Kds+KsF(s)=

22

nmmW

mA

mAVmA

)

T

≥30≤45≤100≤2.2≥0.1

(1+aKd)s+(a+aK)st→∞

由于上式中的各个参数均为正实数,系统稳定。然后,考虑我们对有效性描述的定义:

lime(t)=0,仍然考虑阶跃响应(X(s)=),可以

s

3.2 恒定的电流源

电流源电路我们采用的是电流-串联式的负反馈组态电路,原因是为了保证在成本较低的情况下实现较高的精度。如前文所述,考虑到对半导体激光器的保护,需要使用慢启动电路,使得电流输出再开始时不至较大,半导体顺利过渡到正常工作区。

另外,开始设计电路时,考虑到外观等因素,我们计划选用数控方式,但后来考虑到数控电路在运行过程中会产生很大的噪声,要消除噪声还需要专门电路,数控电路加上去噪电路,会使电路成本大大增加,所以我们舍弃了数控方式而选用传统的模拟控制方式。电流源基本设计框图如图3所示,具体电路如图4所示。

证明该系统满足这个条件。

本电路所选用的基准源是MC1403,该基准源是美国摩托罗拉公司生产的高精度带隙基准电压

-6

源。电压温度系数可达10×10/℃。实验所验证其输出电压为稳定的2.49V。集成运放选用OP07。R8为精密多圈电位器,用以精确调整输出的基准电压,达到输出电流可调的目的。3.3 纹波调零电路

纹波电压的大小是衡量稳定电源的重要参数之一。为了减小上述稳流电源的纹波电压,需要为电路增设纹波调零电路。电路如图5所示。在电路中,纹波成分通过电容耦合至运放的反相输入端,纹波电压经放大后加至调整管的基极,因此,在正常工作中,调

1180激光与红外                    第37卷

节纹波调零电位器可使输出纹波电压非常小。

图5 

纹波调零电路

  除了在电路中加入了慢启动、温控电路以外,为

更好地保护激光器,我们可以在电压源的制作过程中可选用2SA1015和2SC1815等类型的吸流管,将电路制作成简单的限流型保护电路。加上电压源中电网滤波器的作用,基本可保护激光器的安全运行。4 实验结果

本文所设计的驱动电源,通过慢启动、纹波调零等电路,3.4 慢启动电路

由于在电源开关开启瞬间会产生一个冲击电流,为避免此电流对于半导体激光器的破坏,示,电压,,功率稳定输出提供工作电压,图中V1,V2,R1,C4,C5构成电压缓升电路,电源启动后,电流经R1向C4,C5充电,直到电容两端电压达到1.3V才使晶体管V1,V2逐渐导通。L1,C2,C3与L2,C7,C8分别构成两个π型滤波电路,主要作用是防止电流突变。采用这样的电源电路后,半导体激光器的电压是逐渐增加的,不会产生电冲击破坏

图7 温控电路

图6 慢启动电路

3.5 温度控制电路

根据半导体激光器工作环境的特点,传感器的

测温范围设为0~60℃。温度控制电路如图7所示。A10,A11构成PID控制电路。它的输入是表示设定温度与测量温度之差的电压值,其传递函数W1(S)等于比例系数KP,调电位器RPP可改变比例增益。A8为温度设定电路,调节RP3可改变设定温度的大小。温度设定信号和温度检出信号送入A10,因为前者为正电压,后者为负电压,当温度检出电压和温度设定电压相等时,温度控制信号输出U0为0V,否则,温度控制信号输出为与其差值大小相对应的正或负电压。该电压送入热电微型组件驱动电路,以进行温度调节。

功率不稳定的问题,在实验室中的应用效果良好,测量结果如下:

电压源

电压输出10~15V:-10~-15V(双路对称)纹波:≤0.01mV

输出最大功率:≥25W,即输出电流大于1.0A电流源

调整范围:0~500mA

μA电流纹波及噪声:≤0.5

考虑示波器的带宽限制,修正为:电压源:

纹波:≤0.01mV电流源:

μA电流纹波及噪声:≤0.1参考文献:

[1] 汪礼兵.半导体激光器驱动电源的设计[J].华侨大学

学报(自然科学版),1992(7):322-327.

[2] 刘澄.半导体激光器稳功率脉冲电源设计[J].半导体

光电,2004,25(3):235-237.

范文四:半导体的光电效应 投稿:沈蠠蠡

半导体的光电效应

发布日期:2008-04-25 我也要投稿! 作者:网络 阅读: 787

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一、半导体的能带结构

按照量子力学理论,由于物质内原子间靠得很近,彼此的能级会互相影响,而使原子能级展宽成一个个能带。又由于电子是费米子,遵从泡利不相容原理。电子以能量大小为序,从基态开始,每个量子态上一个电子向上填充,直填到费米能εF为止。再上面的能级都是空的。被电子填满的能带叫满带。满带中的电子如同很多人挤在一个狭小的空间,谁也动不了。所以,虽然有许多电子,但是不能形成定向移动,因而满带中的电子不是载流子,是不能导电的。全部空着的能带称为空带。能带间的间隔叫带隙(用Eg表示)或禁带,禁带不允许有电子存在。图1所示的是导体、绝缘体、半导体的能带结构示意图。如图1(a)所示,导体的费米能级εF在一个能带的中央,该能带被部分填充。由于能带的亚结构之间的能量相差很小,因此这时只需很少的能量(如一外加电场),就能把电子激发到空的能级上,形成定向移动的电流。这正是具有这种能带结构的物质被称为导体的原因。如果某一能带刚好被填满,它与上面的空带间隔着一个禁带,此时大于带隙间隔的能量才能把电子激发到空带上去。一般带隙较大(大于10eV数量级)的物质,被称为绝缘体,如图1(b)所示;而带隙较小(小于1eV数量级)的物质,被称为半导体,如图1(c)所示。半导体的费米能级位于满带与空带之间的禁带内,此时紧邻着禁带的满带称为价带,而上面的空带称为导带。如果由于某种原因将价带顶部的一些电子激发到导带底部,在价带顶部就相应地留下一些空穴,从而使导带和价带都变得可以导电了。所以半导体的载流子有电子和空穴两种。可见,半导体介于导体与绝缘体之间的特殊的导电性是由它的能带结构决定的。

二、半导体的内光电效应

当光照射到半导体表面时,由于半导体中的电子吸收了光子的能量,使电子从半导体表面逸出至周围空间的现象叫外光电效应。利用这种现象可以制成阴极射线管、光电倍增管和摄像管的光阴极等。半导体材料的价带与导带间有一个带隙,其能量间隔为Eg。一般情况下,价带中的电子不会自发地跃迁到导带,所以半导体材料的导电性远不如导体。但如果通过某种方式给价带中的电子提供能量,就可以将其激发到导带中,形成载流子,增加导电性。光照就是一种激励方式。当入射光的能量hν≥E(g Eg为带隙间隔)时,价带中的电子就会吸收光子的能量,跃迁到导带,而在价带中留下一个空穴,形成一对可以导电的电子——空穴对。这里的电子并未逸出形成光电子,但显然存在着由于光照而产生的电效应。因此,这种光电效应就是一种内光电效应。从理论和实验结果分析,要使价带中的电子跃迁到导带,也存在一个入射光的极限能量,即E入=hν0=Eg,其中ν0是低频限(即极限频率ν0=Egh)。这个关系也可以用长波限表示,即λ0=hcEg。入射光的频率大于ν0或波长小于λ0时,才会发生电子的带间跃迁。当入射光能量较小,不能使电子由价带跃迁到导带时,有可能使电子吸收光能后,在一个能带内的亚能级结构间(即图1中每个能带的细线间)跃迁。广义地说,这也是一种光电效应。这些效应,可以由半导体材料对光波的吸收谱线来观察和分析。

三、半导体材料的掺杂与PN结的形成

半导体材料硅(Si)和锗(Ge)都是第Ⅳ主族元素,每个电子的4个价电子与近邻的4个原子的一个价电子形成共价键。如图2(a)所示。这些价电子就是处在价带中的电子。纯净的半导体材料结构比较稳定,在室温下只有极少数电子能被激发到禁带以上的导带中去,形成电子——空穴对的载流子。但如果将纯净的半导体材料中掺入微量的杂质,就可以使半导体的导电性能大大改观。同时还可以通过掺杂来控制和改变半导体的导电性和其它性能,丰富半导体的应用。半导体掺杂主要有两种类型。一种是在纯净的半导体中掺入微量的第Ⅴ主族杂质,如磷(P)、砷(As)、锑(Sb)等。当它们在晶格中替代硅原子后,它的五个价电子除了四个与近邻的硅原子形成共价键外,还多出一个电子吸附在已成为带正电的杂质离导带εF禁带周围,如图2(b)所示。这种提供电子的杂质叫施主杂质。量子理论分析的结果表明,此时将在靠近半导体导

带下边缘的禁带中产生一个施主能级,如图所示。此能级与导带底能隙很小,室温下其上的电子也可大量激发到导带上去,形成载流子。这种主要依靠施主杂质提供电子导电的半导体,叫N型半导体。它的多数载流子(简称多子)是电子,少数载流子(简称少子)是空穴。另一种掺杂是在纯净半导体中掺入微量第Ⅲ主族杂质,如硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)等。此时会形成如图2(c)所示的接受电子的受主杂质。这也相当于提供了一个空穴。这种掺杂产生的受主能级在靠近价带上边缘的禁带中。室温下价带中的电子可以大量激发到受主能级上去,而在价带中留下正载流子——空穴,如图3(b)所示。这种主要依靠受主杂质提供的空穴导电的半导体叫P型半导体。其多子是空穴,少子是电子。如果一块半导体材料中,一部分P型区紧邻着另一部分N型区,如图4(a)所示,由于两个区域的多子类型不同,某区域内浓度高的载流子

要向另一个区域扩散。即P区的多子空穴向N区扩散,而N区的多子电子向P区扩散。直至在接触面附近形成一个由N区指向P区的内建场阻止电荷的继续扩散,达到动态平衡。如图4(b)所示。此时在两区交界处就形成了PN结。

四、PN结光伏效应的光电转换机制

半导体PN结的光生伏特效应是指半导体吸收光能在PN结区产生电动势的效应。它的主要光电转换过程如下:当用光子能量hν≥E(g Eg为带隙间隔)的入射光照射半导体PN结时,半导体内的电子吸收能量,可激发出电子——空穴对。这些非平衡载流子如果运动到PN结附近,就会在PN结内建电场E内的作用下分离。电子逆着E内的方向向N区运动,而空穴沿着E内的方向向P区移动,如图5(a)所示。结果在N区边界积累了电子,在P区边界积累了空穴,如图5(b)所示。这样就产生了一个与平衡态PN结内建场方向(由N区指向P区)相反的光生电场(由P区指向N区),即在P区与N区间建立了光生电动势。这样就把光能转化成了电能。若在两极间接上负载,则会有光生电流通过负载。

五、PN结光伏效应的应用

(一)太阳电池。

PN结光伏效应的一个重要的应用是利用光照射时,PN结产生的光生电压制造把太阳光能转化成电能的器件——太阳电池。制造太阳电池的材料主要有硅(Si)、硫化镉(CdS)和砷化镓(GaAs)等。现在仍有很多新型高效材料正在研究实验中。目前,太阳电池的应用已十分广泛。它已成为宇宙飞船、人造卫星、空间站的重要长期电源。在其它方面的应用也十分普遍。关于目前国内外太阳电池电源设备应用的情形简介如下:

宇宙开发——观测用人造卫星、宇宙飞船、通讯用人造卫星…

航空运输——飞机、机场灯标、航空障碍灯、地对空无线电通讯…

气象观测——无人气象站、积雪测量计、水位观测计、地震遥测仪…

航线识别——航标灯、浮子障碍灯、灯塔、潮流计…

通讯设备——无线电通讯机、步谈机、电视广播中继站…

农畜牧业——电围栏、水泵、温室、黑光灯、喷雾器、割胶灯…

公路铁路——无人信号灯、公路导向板、障碍闪光灯、备急电话…

日常生活——照相机、手表、野营车、游艇、手提式电视机、闪光灯

太阳电池的基本结构是:把一个大面积PN结做好上下电极的接触引线就构成一个太阳电池。为更好地接受日光照射,正面电极不能遮光,常做成栅状。为了减少入射光的反射,一般在表面层上再做一层减反射膜,表面层下是PN结,底电极一般做成大面积的金属板。如图6所示。图7为两种实际应用的太阳电池板。

例如2002年春季普通高中毕业会考的物理试题中有这样一个选择题:例:许多人造卫星都用太阳能电池供电。太阳能电池由许多片电池板组成。当太阳光照射某电池板时,该电池板的开路电压是600mV,短路电流是30mA,那么,这块电池板的内电阻是()。

A.10Ω B.20Ω C.40Ω D.60Ω

由闭合电路欧姆定律不难得出,内电阻为600mV/30mA=20Ω.即选项B正确。

(二)光电探测器。

光电探测器也是对半导体光电效应的重要应用。光电探测器是指对各种光辐射进行接收和探测的器件。其中光敏管(包括各种光敏二极管、光敏三极管和一些光敏晶体管)是此类光电器件的重要组成部分。它与我们高中教材传感器实验中研究的光敏电阻都是实行光电信号转化的装置。光电探测器在科技、生活、生产和国防建设中都有着重要的应用。例如数码照相机、数码摄像机、天文显微镜、GPS全球定位系统、气象卫星拍摄的气象云图、巡航导弹目标定位等等。这些应用中最基本的是有一个非常灵敏的光电探测器。图8所示是一些实际应用中的光电探测器件的图片。

范文五:半导体光电探测器 投稿:郑釈釉

半导体光电探测器是利用半导体材料的光电效应来接收和探测光信号的器件,它通过吸收光子产生电子-空穴对,从而在外电路产生与入射光强度成正比的光电流以方便测量入射光。半导体光电探测器由于体积小,重量轻,响应速度快,灵敏度高,易于与其它半导体器件集成,是光源 的最理想探测器,可广泛用于光通信、信号处理、传感系统和测量系统。

半导体光电探测器的主要参数:

a.响应率:光电探测器的相应率用以表征探测器将入射光信号转换为电信号的能力。

b.量子效率:光电探测器的量子效率 定义为一个入射光子照在器件上并产生一个对探测器电流有贡献的光电载流子对的几率。探测器的效率越高越好。

c.噪声等效功率:在实际的光电探测系统中,即使在探测器不加任何辐射信号时,探测器仍有一定的输出,这就时探测器本身存在的噪声。这种噪声的存在限制了探测器对微弱光信号的探测能力,即探测器能探测到的最小入射光功率受到限制。定义,探测器输出的信号功率与噪声功率之比为1时,入射到探测器上的信号功率就称为噪声等效功率(NEP)或最小可探测功率。NEP越小,探?测性能越好。

d.光谱响应:探测器的光谱响应是指不同波长的光辐射照射到探测器光敏面时,探测器的响应率等特征参量随光辐射波长变化而变化的特性。通常将响应率下降到峰值的50%处所对应的波长定义为截止波长 。有时也采用响应率降到10%处的波长作为截至波长。

e.响应时间:响应速度是描述探测器对入射辐射响应快慢的一个特性参量。探测器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需的时间叫做探测器的响应时间(时间常量τ)。

范文六:《半导体光电学》课后习题 投稿:任迱迲

《半导体光电学》课后习题

第一章 半导体中光子-电子的相互作用

思考与习题

1、在半导体中有哪几种与光有关的跃迁,利用这些光跃迁可制造出哪些类型的半导体光电子学期间。

2、为什么半导体锗、硅不能用作为半导体激光器的有源介质,面却是常用的光探测器材料?

3、用量子力学理论证明直接带隙跃迁与间接带隙跃迁半导体相比其跃迁几率大。

4、什么叫跃迁的K选择定则?它对电子在能带间的跃迁速率产生什么影响?

5、影响光跃迁速率的因素有哪些?

6、推导伯纳德-杜拉福格条件,并说明其物理意义。

7、比较求电子态密度与光子态密度的方法与步骤的异同点。

8、在半导体中重掺杂对能带结构、电子态密度、带隙、跃迁几率等带来什么影响?

9、什么叫俄歇复合?俄歇复合速率与哪些因素有关?为什么在GaInAsP/InP等长波长激光器中,俄歇复合是影响其阀值电流密度、温度稳定性与可靠性的重要原因?

10、比较严格k选择定则与其受到松弛情况下增益-电流特性的区别。

11、带尾的存在对半导体有源介质增益特性产生哪些影响?

12、证明式(1.7-20)。

13、说明图1.7-5和图1.7-6所依据的假设有何不同?并说明它们各自的局限性。

第二章 异质结

思考与习题

1、什么是半导体异质结?异质结在半导体光电子器件中有哪些作用?

2、若异质结由n型(E∅1,χ1,ϕ1)和P型半导体(E∅2,χ2,ϕ2)结构,并有E∅1χ2,ϕ1<ϕ2,试画出np 能带图。

3、同型异质结的空间电荷区是怎么形成的?它与异质结的空间电荷形成机理有何区别?

4、推导出pn异质结结电容Cj与所加正向偏压的关系,Cj的大小时半导体光电子器件的应用产生什么影响?

5、用弗伽定律计算Ga1−xAlxAs半导体当x=0.4时的晶格常数,并求出GaAs 的晶格失配率。

6、探讨在Si衬底上生GaAs异质结的可能性。

7、用Ga1−xAlxAs半导体作为激射波长为0.78μm可且光激光器的有源材料,计算其中AlAs的含量。

8、由经验得出,当y=2.16(1−x)时,InxGa1−xAsyP1−y能与InP很好的晶格匹配,试求出激射擅长为1.3μm时的x,y值.

9、为了减少载流子激光器有源区中泄漏,能否无限制地增加异质结势垒高度,为什么?

10、如取有源层与限制层带隙差∆Rf=0.25∼0.45eV,相对折射率n/n2(n2为有源层

的折射率)为3∼7%,试设计λ=0.78μm的可见光半导体激光器,即求出有源层Ga1−xAlxAs和限制层Ga1−yAlyAs的合理组分.

第三章 平板介质光波导理论

思考与习题

1、论述光波导致应在异质结激光器中的作用,在垂直于异质结平而方向上的光波导是怎样形成的?

2、要想在激射波长为1.3um的双异质结激光器中得到基横模。已知中心层折射率为n2=3.501. 两边限制层折射率n1=n3=3.220. 试求中心层厚度d 应满足的取值条件。

3、在图3. 2.1 所示的平板介质波导中,已知n2=2.234 、n1=2.214 、d=1um 和0=0.6328m. 求该波导的数值孔径和特征圆方程的R 值。

4、反射相移与吉斯-亨森位移在物理概念上有何联系和差别?

5、如何理解反射相移对波导模式的影响?为什么在对称平板介质波导中基模永不截止.而在非对称平板介质波导中存在基模截止条件。

6、从理论上证明在双异质结激先器中的光偏振方向平行于结平面。

7、什么叫有效折射率方法?在分析光波导中有何作用?

8、有哪些方法能在半导体激光器的侧向形成光波导?

9、为什么在讨论TE或TM 模式中均未考虑其z 分量?

第四章 异质结半导体激光器

思考与习题

1、为什么同质结激光器不能在室温下连续工作?为什么其光场分布相对于结平面不对称分布?

2、条形半导体激光器有哪些优点?为什么?

3、在条形半导体激光器中侧向电流扩展和侧向载流子扩散在物理概念上有何不同?如何减少这两种影响?

4、增益波导的物理本质是什么?与折射率波导相比,在限制光场扩展能力上有何差别?

5、说明增益波导与折射率波导束腰位置在何差别?

6、说明散射因于(K 因子)的物理意义,证明增益波导与折射率波导的K 因子在数值上的差别?

7、制造可见光激光器所遇到的困难是什么?如何克服?

8、分布反馈激光器与通常的法布里-柏洛激光器在原理、结构和性能上有哪些差别?

9. DFB激光器中λ/4相移区有何作用?为什么能起到这种作用?

第五章 半导体激光器的性能

思考与习题

1、结合式(5.1-4),解释图5.1-5 所表示的阈值电流密度Ja与双异质结激光器有源层厚度的关系。

2、半导体激光器的特征温度T0有何物理意义?为什么GaAIAs/GaAs激光器与InGaAsP /lnP激光器相比有高的特征温度?

3、有哪些具体措施能提高半导体激光器的微分量子效率?

4、结合式(5.3-12)和图5.3-3说明半导体激光器的O 与有源层厚度的关系。

品与x 的关系为n=3. 5、在以Ga1xAlxAs为有源层的半导体激光器中.其折射率n

59-0.71x+0.09x2,若激射波长为0.83m,取n/n2 (n2为有源层折射率〉为3∼7%。为得到单侧模,求所允许的有源层宽度w.

6、从理论上分析,如何使半导体激光器得到单纵模?

7、半导体激光器的光谱线宽为什么比气体、固体激光器的线宽宽得多?

8、造成与功率无关的线宽原因是什么?如何减少这种线宽?

9、半导体激光器在高速调制下出现调制畸变的原因是什么? 有哪些方法可以消除它?

10、论述半导体激光器中张弛振荡与自持脉冲在形成机理上的区别。

11、设一半导体激光器的注入电流密度为J2000A/cm2,在pn结上的压降为

1. 8V ,其微分量子效率为30 % ,求在结区所产生的热功率密度。

12、造成半导体激光器退化的机理有哪些?

第六章 半导体发光二极管

思考与习题

1、比较边发光管、面发光管和超辐射发光二极管在结构与性能上的差别。

2、设有源层材料增益与电流密度之间的关系为G0.042J180cm1, 有源条宽W2.5m有源区长度Lz200m,在图6.2-3 所示的结构中,需加多大电流才能产生超辐射?

3、若在GaAlAs/GaAs 发光二极管中p1010cm3/s.,有源层厚度d0.2m ,求注入电流密度J1104A/cm2情况下的调制带宽。

第七章 半导体中的光吸收和光探测

思考与习题

1、叙述半导体光电探测器的基本工作原理,它有哪些突出的特点?

2、直接带隙跃迁、间按带隙跃迁、允许跃迁与禁戒跃迁在物理概念上有哪些区?

3、如果对PIN 光电探测器如上反向偏压,对探测器性能将产生哪些影响?

4、半导体雪崩二极管与PIN 在工作原理和性能上有什么不同?

5、电子与空穴的离化率之比对APD 性能产生哪些影响?

6、影响PIN 和APD 对光脉冲响应速度的因素有哪些?

7、什么叫过剩噪声?为什么过剩噪声因子能说明这种噪声的大小?

8、SAM-APD 与SAGM-APD 在结构和性能上有哪些特点和差别?

第八章 发展中的半导体光电子

思考与习题

1、论述超晶格、量子尺寸效应和量于阱的物理概念有何联系和区别?

2、量于阱有哪些特点?这些特点在半导体光电子学器件中得到了哪些应用?

3、什么叫调制掺杂?调制掺杂对量于阱激光器将产生什么影响?

4、量于阱激光器和探测器有哪些特点,为什么?

5、半导体激光放大器的原理是什么?它在光纤通信中有哪些应用前景?比较FP-SLA 与TW-SLA 在性能上的差别?

6、入射光的偏振特性时半导体激光放大器的性能将产生哪些影响。如何进行偏振控制?

7、叙述半导体光学双稳态的原理?说明光学双稳态的应用前景。

8、比较主动式和被动式光学双稳态; 提高光学双稳态翻转速度的途径有哪些?

9、证明K-K 关系。

10、半导体光电子集成有什么优点?在光电子集成中有哪些关键问题,解决这些关键问题的技术途径有哪些?

11、试设想如果将半导体中的空穴有效质量降低一个数量级,对半导体光电子学的发展将会产生哪些积极的影响?

12、调研有关文献,列举五个以上正在发展中的半导体光电子学的前沿课题,并就其中的一个课题说明您的见解。

范文七:半导体光电薄膜的分析和检测 投稿:阎愬愭

第21卷增刊

2000年3月

半 导 体 光 电

SemiconductorOptoelectronics

Vol.21Supplement

March2000

文章编号:1001-5868(2000)01S-0081-03

半导体光电薄膜的分析和检测

罗江财

(重庆光电技术研究所,重庆400060)

摘 要: 半导体光电薄膜的制备,是半导体光电器件最重要和最基本的工艺过程。半导体光

电薄膜的分析和检测是器件开发中必须首先要解决的重要问题之一。文章介绍了半导体光电薄膜的分析和检测以及分析技术和仪器设备的发展现状。

关键词: 半导体薄膜;分析和检测;仪器

中图分类号: TN304.07   文献标识码: A

AnalysisandInspectionofFilms

L2(RI,Chongqing400060,China)

ofsemiconductoroptoelectronicfilmsisthemostimportantandbasicprocessingforoptoelectronicdevices.Thesubjectofanalysisandinspectionofsemicon2ductoroptoelectronicfilmisoneofthemostimportantproblemsfordevicedevelopment.Inthispaper,recentadvancesinanalysisandinspectionofthefilmsarebrieflydescribedaswellasthecorrespondinginstrumentsofthefilms.

Keywords: semiconductorfilms;analysisandinspection;instrument

1 引言

由于半导体光电薄膜制备技术的迅速发展,早

期的液相外延(LPE)生长技术正在被分子束外延(MBE)、金属有机化学汽相淀积(MOCVD)及其派生出的各种改进技术、原子层外延(ALE)、化学束外延(CBE)等更先进的生长技术所取代,出现了超晶格薄膜、纳米薄膜等低维光电子薄膜材料。如二维的量子阱,它在某一维度上的尺寸是纳米量级;一维的量子线,其线的粗细为纳米量级;零维的量子点,它是尺寸为纳米量级的超细微粒,即纳米微粒。由此开发出许多有着巨大应用前景的光电子器件,如半导体激光器家族中的大功率激光器、微腔激光器、纳米激光器,甚至单原子激光器等。在半导体光电器件的制作中,最关键的是制备具有特定功能的光

收稿日期:1999-11-20

电薄膜。而对薄膜的表面和界面形貌、结构、组分、杂质及其分布,以及电学、光学、磁学和声学等特性进行测试分析,则是器件制作中必须首先解决的重要问题之一。

2 薄膜的测试分析

半导体光电器件的制备,往往要求使用高纯度、高精度的基体材料和源材料。这就要求它的在线检测和离线分析测试要快速、高灵敏度、高精度、高可靠性和自动化。离线分析包括基体材料和源材料的质量检测和控制、工艺样品的分析、工艺和器件的可靠性测试等,它们是在线检测的基础。

半导体光电器件的在线检测和分析,实质上是对工艺过程中的薄膜表面和界面进行分析测试。不同光电器件具有不同的材料和结构,以及不同的工艺过程,即有不同的检测项目。一般的在线检测内

半 导 体 光 电                 2000年3月8                 2

容如表1所示。表1中重点列出表面和薄膜的检测

项目,并未列出器件封装前后的参数测试和老化筛选等检测项目。

表1 光电器件工艺基本的在线检测项目

Tab.1 In-lineinspectionitemsforsemiconductoroptoelec2

tronicdevices

3.1 显微分析

薄膜材料的显微分析测试,是光电器件制备中

最常规、最普遍的分析测试。在巨大的市场需求的刺激下,各种显微分析技术发展很快,特别是光学显微镜(OM)。普通光学显微镜因其分辨率的限制,很难适应当前光电子器件和大规模集成电路中的测试要求。目前开发的共焦技术用于普通光学显微镜上,可得到更清晰的图像,使其极限分辨率由原来的约0.26μm,提高到约0.12μm,而且焦深浅,特别适用于多层结构的观察测试。聚焦显微镜的基本原理如图1所示,其核心部件是采用尼普科圆盘(Nip2kowdisk)的光学扫描系统。尼普科圆盘处于一次成像面上,其上制作有按螺旋线轨迹分布的小孔。从处于焦平面样品某一点反射的光线能透过小孔在二次成像面上成像,而在该点或焦平面以外部分反射的光线不能透过小孔成像,,,。共聚焦显微镜系统0.5

μm的细微尺寸、多层结构、微缺陷和颗粒的在线和离线观测中。

工 艺清 洗 薄膜外延生长

  光 刻 

离子注入(扩散)

 刻 蚀

检 测 项 目 晶片、薄膜和源材料的类别、 杂质沾污、划痕、缺陷和分布  形貌和结构、晶体学特性和质量、 组分和分布、浓度、缺陷、电学和 光学特性、超晶格特性    

CD、套刻精度、光刻胶厚度、

光刻图形质量     结深、掺杂浓度和分布、 载流子浓度、迁移率  结构和形貌、CD、沾污  

随着光电器件研制的发展,离线分析和在线检

测常常是互相补充,相互交替的,截然分开的。线检测项目中;,长特性、,往往是离线进行的;同时,容。

应特别说明的是,在半导体光电器件的研制中,除了对各种源材料的严格分析检测之外,对其环境媒介和涉及到的各种试剂、管道、工具等,都有严格要求,亦要进行必要的监测。

3 主要测试分析技术

半导体光电薄膜主要特性的常用分析技术如表2所示。另外,常用的测试分析技术还有各种分光光度计、激光干涉、石英晶振等手段。

表2 半导体光电薄膜主要特性的常用分析技术

Tab.2 Theanalysistechniquesofthemainspecificationsfor

semiconductoroptoelectronicfilms

图1 共聚焦显微镜光学原理图

Fig.1 Schematicofconfocalopticmicrospcope

如徕卡(Leica)INN100型和300型显微镜系统,加共聚焦组件后放大倍数可达10000以上。它

(透射)和8″(反射)的大样品,可以观察6″×6″×8″可编程设置调焦面。视场及孔径光栏和各种照明方式,如明场、暗场、偏光、荧光、微分干涉、共焦等。并配有扫描台、VISCON软件、自动晶片传送台,以及

缺陷鉴别软件(ADC),成为一全自动晶片控制检测工作站。若主机用SESC/GEM软件包控制,可接ETHERNET网络接口,可作图像取样和归档。

特 性特征尺寸结构和形貌薄膜厚度

 薄膜组分注入(扩散)浓度

 表面沾污分析技术

OM、AFM、SEM、TEM、EL     OM、AFM、SEM、TEM、AES、XRD、FIBOM、OP、EL、TEM、XRD、XPS、AES、 电子衍射            XRF、XPS、AES、PL、XRD、EPM、SIMS四探针、TW、Hall测量、C-V测量、 扩展电阻            OM、SEM、SCA          

新近开发的原子力显微镜(AFM),是显微检测技术的又一重大成果。它可以进行台阶高度、表面

第21卷增刊              罗江财: 半导体光电薄膜的分析和检测                83

粗度等表面形貌的测量,测量无接触,对样品无损伤,具有纳米级的高精度,适用于半导体、绝缘体、光刻胶等多种材料。它不需真空环境,对样品无特殊的制备要求,它必将在半导体光电器件和大规模集成电路的离线分析中得以应用。

为满足薄膜表面和界面观测的需要,还开发了将扫描电子显微镜与光学显微镜相结合的系统,它将光学显微镜的高景深、全色特性定位能力与高分辨率的扫描电子显微镜结合在一起,大大开拓了扫描电子显微镜的应用范围。3.2 结构观测

图3 七晶X射线衍射仪示意图

Fig.3 Schematicof7-crystalX-raydiffractometer

3.3 组分和浓度测定

半导体光电薄膜常常要求具有特定的结构,而且是多层结构,其层数可达数十层,许多情况下层厚往往为纳米级,甚至原子量级。除要求这些超薄层具有特定的结构外,还要求它们具有特定尺寸、组分、周期等。正因如此,观测其结构的仪器通常都是如SEM、TEM、AFM和XRD等大型的高精尖的仪器,由于X射线衍射仪(XRD)在观测薄膜的结构、形貌、厚度、组分等方面具有独特特性,晶和双晶X,晶和七晶XX射线衍射光学原理如图2和图3所示,它们是半导体外延薄膜,特别是超晶格量子阱材料分析的有力工具。目前X射线衍射仪在传统的配置上已有不少重大的革新:一是用高频变换高压发生器取代高压变压器系统,使其高压的稳定性可达0.0005%;二是用光学编码定位测角仪取代机械齿轮传动的测角仪,不但体积减小,θ或2θ角的定位精度可达±0.0001°;三是用陶瓷X光管取代玻璃管,体积小,寿

半导体光电薄膜的组分、掺杂(注入)浓度和分

布测量,是最普遍的测量项目。常用的仪器有二次离子质谱(SIMS)、扫描电子显微镜(SEM)、电子探针微分析(EPM)、俄歇能谱(AES)、X光电子能谱(XPS)、X射线光荧光(XRF)、X射线衍射仪(XRD),以及四探针、、热波仪(TW)、霍尔()、C通常这些测量是,或在样,所以通常都是测量陪XRF和XRD对样品无损伤,特别是现在开发的全反射X射线荧光(TXRF)仪,它具有广泛的元素检测范围(Na—U)和高的灵敏度(1×109at/cm2),目前已有改进的TXRF在线检测设备面市。

4 结束语

随着半导体光电子器件的理论和工艺的发展,与之相应的薄膜制备技术和测试分析技术也在不断发展中。本文涉及的内容远非能概括这一大领域的主要技术亮点。

作者简介:

罗江财(1940-),男,高级工程师。从事半导体光电器件工艺和测试工作多年,已发表论文数十篇。

命长,而且可以方便地安装在旋转的θ-θ或θ-2θ测角仪上。至今,X射线衍射仍是各种薄膜材料分析中不可取代的一种主要技术

图2 五晶X射线衍射仪示意图

Fig.2 Schematicof5-crystalX-ray

diffractometer

范文八:半导体光电探测器 投稿:郝眘眙

Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体光电探测器的新进展

发布日期:2009-01-07 我也要投稿! 作者:陈良惠院士 阅读:

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1 引言

光电探测器是一种把光辐射信号转变为电信号的器件,其工作原理是基于光辐射与物质的相互作用所产生的光电效应。由于光电探测器种类多,发展迅速,我们仅聚焦于应用需求迫切而进展飞速的研究热点——Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体光电探测器的研究进展。

众所周知,经济社会信息化和武器装备信息化的重要基础是核心器件。核心器件是电子元器件中技术含量最高,投入最多,采购风险最大的核心部分,它是信息化的基础,不管对国民经济信息化的影响,还是对信息化武器装备的有无、性能指标的高低、质量可靠性的好坏起着至关重要的作用,是国家综合实力和科技水平的具体体现。

2 基于Ⅲ-Ⅴ族半导体的焦平面探测器的重要优势

可见光谱区探测是基于硅材料的CCD,在其两侧,长波侧处于红外区,包括短波红外、中波红外、长波红外以及超长波红外等,短波侧为紫外区,该两区的探测都可为Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体光电探测器所覆盖,如下图所示。

探测器吸收光谱图

Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体是由元素周期表中Ⅲ族和Ⅴ族元素合成的化合物半导体的总称,包括二元的GaAs、InP、GaSb等,三元的AlGaAs、InGaAs、GaAsSb等和四元InGaAsP、AlGaInP、GaInNAs、GaInAsSb等,而作为第三代半导体的GaN、AlGaN、InGaN和AlGaInN等应该也属于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体。

传统的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体由于衬底材料、器件结构的外延技术以及器件工艺技术的成熟、大面积均匀和价廉,成为全光谱探测器的首选材料。

3 GaAs基量子阱红外探测器

(1)量子阱红外探测器简介

量子阱红外焦平面(QWIP)利用MBE、MOCVD薄膜生长技术,交替生长作为势阱层的GaAs(或InGaAs)材料和作为势垒层的A1GaAs(或GaAs)材料,通过改变量子阱宽度和势垒高度对带隙宽度进行人工剪裁,从而可用于大气窗口3-5m和8-14m红外的探测。

其探测机理是利用半导体材料的子带跃迁,实现红外光的吸收,量子阱导带内基态电子(或空穴)对红外辐射作用下,向高能带跃迁,并在外电场作用下作定向运动,从而形成与入射光强成正比的光电流。

在当前以大面阵、多色等定义的第三代红外焦平面器件中,GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器得到了重要应用,与传统的HgCdTe红外探测器相比,它具有以下的优越性:

⑴ 由于III-V半导体研究的历史较长,目前已有优质的大尺寸的单晶衬底材料和晶片,其外[ 字体选择:大 中 小 ] 以下为陈良惠院士在我协会主办的2008中国光电产业发展论坛上的发言,略图。感谢陈院士!

延生长具有很高的均匀性,完美的可重复性,器件工艺比较成熟,所以易于做成低成本、大面积、高性能的探测器阵列。

⑵ 通过能带结构设计,可调节探测波长,可以覆盖作为大气窗口的中波(3-5mm)和长波(8-14mm)波段;并有利于制备双色或多色探测器,可望实现与其他功能器件的集成。 ⑶Ⅲ-Ⅴ族半导体材料键合力比HgCdTe红外探测器强,所以QWIP的抗高能粒子辐照能力强,特别适于天基红外探测及其应用。

⑷利用Ⅱ型超晶格能带结构(InAs/InGaSb等),可实现截止波长长达30 um的超长波红外焦平面,从而将使用波长延拓到用于太空的超长波段。

⑸QWIP光谱半宽较小,不同波段之间的光学串音小。

因此,尽管基于碲镉汞(HgCdTe,MCT)材料的红外探测技术国内外从六十年代发展至今,已有四十多年的历史,技术上取得不断突破,目前已成为红外探测器的主流技术;但由于HgCdTe碲镉汞材料的衬底和外延技术的难度高,因而,实现低盲元率的大面阵焦平面探测器遇到很大困难。相比之下,从八十年代中期才起步的基于Ⅲ-Ⅴ族半导体砷化镓GaAs的量子阱红外探测器(QWIP)发展更加迅速,近年来已成为国际上研究的热点,在短短的二十年时间里,已发展成10241024的大面阵和多波长探测,并在军事(预警探测、情报侦察、精确制导、探雷、火控等)及民用方面(工业检测、医疗卫生、安全防范等)都已成功的进行了实际应用。下面分别就其发展进程和实际应用给予简单介绍。

(2) 量子阱红外焦平面列阵国内外发展概况

量子阱红外探测器是上世纪八十年代中期才发展起来的红外探测器领域的新秀,1985年斯坦福大学和惠普公司的L. C. West等人首次发现GaAs/GaA1As超晶格量子阱结构的红外吸收现象,从而掀起了对量子阱红外探测器研究的热潮。至1988年,AT&T Bell Lab的B.F.Levine等人报道了第一个高探测率、高响应度的GaAs/AlGaAs MQW IRPD,波长8.3µm(77K)[3]。1999年德国AIM 研制成的QWIP焦平面组件,光电导元的尺寸是24µm ×24µm,电荷存储容量为7×106e- [4]。2003年,JPL已研制成10-16 µm 的640×512元QWIP FPA。

双色和双波段红外焦平面列阵是QWIP可以充分发挥其优势的领域。ASA/JPL研制的640×512四色焦平面器件为当前多色器件的最高水平[6],响应波段为4~5.5 µm,8.5~10µm,10~12µm,13~15.5µ m, 由4个128器件构成,300 K 背景温度下,45K的工作温度,各探测器的探测率均在1× 1011 cmHz 1/2w-1上下,可操作像元数99.9%。

2004年美国哥达德空间飞行中心、陆军研究实验室及喷气推进实验室合作研制出一种

1024×1024元8.4 9.0µm 红外焦平面列阵。76K下,达到了背景限制红外光电探测器(BLIP)的性能。2007年他们又报道了宽波段的1024×1024元8.4 12µm红外焦平面列阵。57K下,该列阵(f/2摄像机系统)达到了背景限制红外光电探测器(BLIP)的性能。

国内有中国科学院半导体研究所、物理所、上海技术物理所、中国电子科技集团第11研究所、第13研究所和昆明物理所等单位,都开展了QWIP的研究,取得了很大进展。

(3) 量子阱红外探测器的应用

量子阱红外探测器在民用方面,可以用于工业生产中的设备故障探测,材料和部件的无损探测,起火点的红外寻的,人体病变的病灶寻找以及非接触探雷等,此外,在军事应用方面,以下列出几种应用实例:

a.美国海军航母上的舰载战斗机F-14D装备了两波段FLIR系统。采用 GaAlAs/GaAs量子阱红外传感器.其响应波段为8~12μm或3~5μm,据说图像质量优于碲镉汞探测器 。

b.美国对双色中长波256×256 GaAlAs/GaAs量子阱红外光电探测器(QWIP)焦平面阵列在作战坦克、轻型作战车辆、黑鹰直升飞机等进行野外测试,结果表明明显地提高了系统的目标探测和识别能力。

c.美国喷气式推进实验室(JPL)研制的STVR-1D QWIP热像仪已成为第一个进入太空的GaAlAs /GaAs量子阱红外焦平面热像仪,其核心组件是320×240 GaAlAs /GaAs量子阱红外探测器。

(4)、量子阱红外焦平面器件的主要问题和发展方向

量子阱红外探测器探测率低,主要受其物理机理的限制。首先由于量子阱探测器无法接收垂直入射的光,不得不采用光栅耦合方法解决,这就带来光电转换效率的降低。另外应用子带跃迁机理的量子阱探测器,利用阱内掺杂提供光激发的载流子,其数目远远小于利用带间跃迁的HgCdTe体材料的载流子数目。以上两个原因导致了量子阱红外探测器的量子效率比HgCdTe探测器为低。

量子阱红外探测器还存在器件工作温度低,暗电流比较大的弱点。温度对器件的影响很大,温度升高,暗电流和噪声迅速增加,器件性能受到限制。

如何降低暗电流,提高量子效率和器件工作温度,充分发挥量子阱焦平面器件的优势,以满足现代军用和民用的大量需求,是未来量子阱红外焦平面实用化的主要问题。对应于第三代红外焦平面的发展要求,克服量子阱红外探测器的弱点、发挥自身优势,今后,量子阱焦平面器件应从如下几个方面发展:

1) 发展更大像元的量子阱红外探测器。

2) 发展双(多)色红外焦平面探测器和红外/紫外双(多)色焦平面探测器。

3) 提高工作温度,降低器件暗电流和噪声。

4) 发展甚长波和超长波量子阱红外探测器。

5) 发展更低维结构(量子点或量子线)的红外探测器件。

6) 发展隧道补偿的量子阱红外探测器。

7) 通过波长变换发展无读出电路的量子阱红外焦平面探测器。

(5) 量子点红外探测器(QDIP)

量子点红外探测器的研究主要集中于DWELL结构,是在量子阱中嵌入量子点,DWELL结构的红外探测器兼备了传统QWIP和QDIP的特点:量子点红外探测器一样,在正入射时不需要光栅或光耦合;又象量子阱探测器在控制工作波长时具有可重复性(通过控制QD尺寸或QW尺寸)。在DWELL异质结中可观察到载流子寿命比较长,表明其可以在更高温度下工作。另外还具有偏压可调,在中红外波段(MWIR, 3–5 um)、长红外波段 (LWIR, 8–12 um) 甚长红外波段(VLWIR, >14 um)可多色操作的优点。

4 GaN基紫外探测器

紫外探测器在导弹预警、飞行制导、秘密通信、生化武器等军事领域中占有重要的地位。国外90年代研制的新型导弹临近报警系统中,紫外型系统几乎占到一半,可以与红外型系统并

驾齐驱。

(1)、GaN基紫外探测器简介

目前,已投入商用的紫外探测器主要有紫外真空二极管、紫外光电倍增管、紫外增强器、紫外摄像管和固体紫外探测器等,其中传统常用的是光电倍增管和硅基紫外光电二极管。紫外光电倍增管探测有灵敏度高,对长于截止波长的光波没有响应等优点。但也存在易碎、需要大功率源、系统体积大和价格昂贵等严重缺点。硅基的紫外探测器克服了光电倍增管的诸多弱点,却也存在本征量子效率低、对紫外、可见和红外同样灵敏,紫外探测系统中不得不使用滤光片等弱点。因此,上世纪末本世纪初,宽禁带半导体紫外探测器成为人们关注的热点,特别是AlGaN紫外焦平面探测器发展尤为迅速。

紫外探测器探测的中紫外和近紫外光谱区为200~400nm。这类应用包括:天文学、燃烧工程、水净化处理、火焰探测、生物效应、天际通信及环境污染监测、火箭早期发射预警和紫外空间光通信等领域。紫外探测技术的关键是研制高灵敏度、低噪声的紫外探测器。在这些应用中,很重要的一点是可以探测紫外光而不同时探测红外和可见光,特别是从太阳来的光线,以最大限度的降低失效几率或降低背景光。因此,近年来,短波紫外探测的研究集中在短波―太阳盲‖探测上。可以给予短波―太阳盲‖探测这样的定义:这种紫外探测器对波长长于280nm的光是―盲‖的。之所以这么选择,是因为经过大气气体吸收,很少波长在280nm以下的紫外光可以到达地球表面,因此,人们通常把紫外-C区(200-280 nm)称为太阳盲紫外 (Solar Blind)。目前用于太阳盲的新型固态紫外探测器材料主要有:AlGaN、ZnO和SiC等.

(2)、GaN基紫外探测器国内外发展概况

与Si基紫外探测器、光电倍增管相比,GaN基紫外探测器的禁带宽度大(3.4 eV-6.2 eV)、耐高温性和耐腐蚀性好,具有太阳盲、量子效率高、能在高温和苛刻环境下工作的优点。九十年代末发展起来的紫外焦平面探测器发展极为迅速。

1999年美国Nitronex公司与北卡罗来那大学、Honeywell技术中心以及美国

夜视实验室成功地实现了基于GaN/A1GaN p-i-n型背照射32×32列阵焦平面探测器数字照相机。响应波段为320-365 nm,峰值响应率达到0.2 A/W(358 nm),

内部量子效率达到80% ,RoA为1.5x109•cm2,计算得到的峰值探测率达到6.1

×l013cmHz1/2W-1。2002年该研究小组又成功制成了320×256的日盲紫外探测器,但其中只有部分像元能够有效成像,且质量不如可见光盲探测器清晰,主要原因可能是高质量的高铝组分的AIGaN材料制备困难。2005年美国西北大学也报道了日盲型320×256紫外焦平面探测器.给出了较清晰的图像,但是没有器件性能的详细描述。

目前国内开展紫外探测器研究的研究小组有上海技术物理所、南京大学、西安电子科大、中国空空导弹研究院、北京大学和半导体研究所等,这些研究组开展了大量物理、材料和器件研究,并取得可喜的进展。

(3) 紫外探测器的重要应用

GaN紫外探测器在导弹预警、飞行器制导、秘密通信、生化武器探测等军事领域中有重要的应用价值。盲阳的GaN基紫外探测器对可见光没有响应,可以避免太阳光对探测器的干扰,用盲阳GaN紫外探测器装备的导弹告警系统,能有效的对导弹的状态进行预警;火箭发射时,

会喷出大量的羽烟,这些羽烟中有大量的紫外成分,如果采用GaN紫外探测器进行探测,能避免周围的环境对探测器的干扰,能够有效的跟踪导弹的火箭发射;目前飞行器制导多采用红外制导技术,但是随着抗红外制导技术的日趋成熟,常规的红外制导技在导弹预警、飞行器制导、秘密通信、生化武器探测等军事领域中有重要的应用价值术经常受到干扰,但是如果采用红外-紫外双色制导系统,就能够在红外制导系统失灵的同时,能够启动紫外制导系统,从而有效的将敌机击落;紫外通信具有抗干扰性好、保密性好、能够全天候工作等优点,能够用于飞机与飞机之间、飞机与舰载机之间、舰载机与舰载机之间的秘密通信联络,GaN紫外探测器能够紫外通信系统发挥作用;有些生化武器也能发射紫外线,采用GaN紫外探测器进行监测,能够有效的避免周围环境的干扰,对生物武器进行有效的监测和跟踪。 5 室温InGaAs近红外探测器

基于Ⅲ-Ⅴ族 InP衬底的InGaAs探测器,在晶格匹配生长的情况下,可以覆盖1.1-1.7m近红外波段,并可以室温使用,这是目前光纤低色散和低损耗窗口1.31和1.55μm的长波光电探测器,InGaAs PIN和APD已广泛用作 光纤通信的接收器,这些探测器与前置放大电路的集成,或者再与光发射器件集成,是目前光通信中应用面最广的光接收模块或光收发模块。 室温InGaAs pin近红外探测器阵列也可在成像方面得到的应用,包括夜视;隐蔽监视;伪装探测;荧光成像;雾中成像;由于这类探测器具有室温应用和廉价的特点,可望装备更基层的部队。

由于InGaAs量子阱红外探测器的本征光电流反应速度快,所以它有很大的应用前景,倍受人们关注。InGaAs量子阱焦平面可用于中长波红外成像。2005年S. Ozer等人报道的 (640 512) InP/In0.53Ga0.47As长波红外QWIP FPA,在77K时NETD~40 mK ,其性能与AlGaAs/GaAs QWIP FPAs相当[28]。

6 Sb化物近红外半导体探测器

基于Ⅲ-Ⅴ族 GaSb衬底的Sb化物探测器,可以填补目前探测波段的难点覆盖2-3m近红外波段,提供急需的2.7m焦平面探测器,并可以近室温使用。

不过由于GaSb衬底材料价格非常昂贵,缺少半绝缘衬底,使得目前以含Sb化合物为核心的红外光电器件的成本居高不下,从而极大的限制了含Sb化合物材料在红外器件中的应用。为了降低这类器件成本,国际上通行的方法是在目前已经成熟的半导体衬底材料,如Si、GaAs上生长晶格失配很大的低位错密度GaSb厚体材料,然后在其上生长和制造含Sb化合物半导体器件。这种外延材料的生长难度大。

中科院微系统所在MBE锑化物材料和器件方面做了大量研究工作,他们的主要研究方向有2微米波长激光器。中科院半导体研究所基于面向中红外第三代焦平面多色探测器的要求,对InAs/GaSb超晶格的生长技术进行了研究。2006年成功地在GaAs衬底上生长出高质量GaSb厚膜材料和2~3微米红外波段InAs/GaSb短周期超晶格材料。这类材料是目前国际上的研究热点,是制造GaSb热光伏电池新能源材料、和第三代大面阵焦平面红外探测器新一代光电功能材料最重要的研究方向之一。加拿大的H. Luo等人研制出GaAs衬底的GaNAsSb光电二极管,在1.55um处响应度为0.016 A/W 。

7 结束语

从以上分析可以看出,我们发展的探测器是基于成熟的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料和工艺技术

基础,各种波段Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体探测器所共同覆盖的波段,正是全光谱探测技术的主光谱群。各波段光电探测器在军事和民用方面都有重要的应用需求。特别对于要掌握核心器件的发展中国家来说,发展Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体全(多)光谱焦平面探测器是我们的一次难得的机遇。随着红外隐身技术的日趋成熟,单波段的红外探测器已经不能满足实际的需要,这时就需要多波段探测器(红外/红外、紫外/红外)同时工作,以大大提高对目标的识别能力和抗红外干扰能力,因此着力发展Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体全(多)光谱焦平面探测器是国际发展的共识,也是提高我国综合国力的重要举措。

范文九:半导体光电效应及其应用 投稿:廖鑅鑆

半导体光电效应及其应用

量子力学无疑是20世纪最伟大的科学成就之一,它的诞生是人类对自然界,尤其对微观世界的认识有了质的飞跃,对许多造福人类的高新技术的发展起了奠基、催生和巨大的推动作用。

自20世纪中期开始,电子工业取得了长足的进步,目前已成为世界上最大的产业,而其基础为半导体材料。为了适应电子工业的巨大需求,从第一代半导体材料:硅、锗(1822年,瑞典化学家白则里用金属钾还原氟化硅得到了单质硅。)发展到第二代半导体材料:Ⅲ——Ⅴ族化合物,再到现在的第三代半导体材料:宽带隙半导体。半导体领域取得了突飞猛进的发展。

一、光电效应

光照射到某些物质上,引起物质的电性

质发生变化,也就是光能量转换成电能。这

类光致电变的现象被人们统称为光电效应

(Photoelectric effect)。这一现象是

1887年赫兹在实验研究麦克斯韦电磁理论

时偶然发现的。1905年,爱因斯坦在《关于光的产生和转化的一个启发性观点》一文中,用光量子理论对光电效应进行了全面的解释。1916年,美国科学家密立根通过精密的定量实验证明了爱因斯坦的理论解释,从而也证明了光量子理论。 光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。前一种现象

发生在物体表面,物体在光的照射下光电子飞到物体外部的现象,又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部,物体受光照射后,其内部的原子释放出电子并不溢出物体表面,而是仍留在内部,称为内光电效应。内、外光电效应在光电器件和光电子技术中具有重要的作用,根据这些效应可制成不同的光电转换器件(光敏器件)。

通过大量的实验总结出光电效应具有如下实验规律:

1、每一种金属在产生光电效应是都存在一极限频率(或称截止频率),即照射光的频率不能低于某一临界值。相应的波长被称做极限波长

(或称红限波长)。当入射光的频率低于极限频率时,无论多强的光都无光电子逸出。

2、光电效应中产生的光电子的速度与光的频率有关,而与光强无关。

3、光电效应的瞬时性。实验发现,只要光的频率高于金属的极限频率,光的亮度无论强弱,光子的产生都几乎是瞬时的,响应时间不超过十的负九次方秒(1ns)。

4、入射光的强度只影响光电流的强弱,即只影响在单位时间内由单位面积是逸出的光电子数目。

1、外光电效应

不言而喻,就是物体在光的照射下光电子飞到物体外部的现象,光电效应的发现与最初的研究就是主要通过外光电效应来进行的。

2.光电导效应

光吸收使半导体中形成非平衡载流子(光生载流子),载流子浓度的增大使其电导率σ增大,所引起的附加电导率称为光电导。光电导效应是光电子器件的基础。半导体材料对光的吸收系数随光的波长而变化,所以光电导具有一定的光谱分布。

3.光生伏特效应

如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收,具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发,以致产生电子-空穴对。界面层附近的电子和空穴在复合之前,将通过空间电荷的电场作用被相互分离。非平衡的载流子从产生处向势垒区(结区)运动;非平衡的电子和空穴在结区势场的作用下向相反的方向运动而分离。P区的非平衡电子穿过p-n结进入n区,而n区的非平衡空穴进入p区,从而在p型和n型区有电荷积累。由于p区边界积累非平衡空穴,n区边界积累非平衡电子,产生一个与平衡p-n结内电场方向相反的光生电场,于是在p区和n区建立了光生电动势。

此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。对晶体硅太阳能电池来说,开路电压的典型数值为0.5~0.6V。通过光照在界面层产生的电子-空

穴对越多,电流越大。界面层吸收的光能越多,界面层即电池面积越大,在太阳能电池中形成的电流也越大。

二、光电效应的应用

1.光电探测器

光电探测器是通过电过程探测光信号的半导体器件。伴随着相干和非相干光源相远红外波段及紫外波段的扩展,对高速、高灵敏光电探测器的需求迅速增加,通常来讲,光电探测器包括三个基本过程:1)入射光产生载流子;2)通过某种电流增益机制形成载流子的输入和倍增;3)载流子形成端电流,提供输出信号。

在红外波段(0.8~1.6um)的光纤通信系统中,光电探测器十分重要,它可对光信号进行解调,即将光的变化转化为电学量的变化,然后将电学量放大并进一步处理。对于此类应用,光电探测器必须满足若干要求,例如在工作波段上要有高的灵敏度、快速的响应速度和低噪声。另外,光电探测器的体积应该较小,工作偏置电压和电流低,并且在使用条件下可靠工作。

1983年至1985年间,人们首次研究了量子阱中导带内、价带内的非带间跃迁的红外吸收。第一个基于束缚态到束缚态子带间跃迁的功能性异质结量子阱红外光电探测器有Levine等人在1987年实现。

本例中gaas为量子阱。其厚度约为5nm,通常是掺杂浓度为10^17cm^(-3)量级的n型半导体。势垒层不掺杂,其厚度约为30~50nm之间。典型周期数在20~50之间。

对于由直接黛西材料形成的量子阱,因为子带间跃迁要求电磁波的电场有与量子阱的生长面垂直的分量,所以入射光垂直于表面时,吸收为零。这种计划选择规则需要某种技术使光与光敏感区耦合。

Qwip基于由子带间激发产生的光电导。跃迁的三种类型。在束缚态到束缚态的跃迁中,两个量子化的能量状态是被限定的,并且低于势垒能量。一个光子激发一个电子从基态跃迁到第一激发态上,随后电子隧穿出势阱;在束缚态到连续态(或束缚态到扩展态)激发中,基态上面的第一激发态能量高于势垒,受激电子可以更容易地逃离势阱,这种束缚态到连续态的激发对于具有高吸收、宽波长响应、低暗电流、高探测率和低压应用的探测器更有保障;对于束缚态到微带之间的跃迁,由于超晶格结构提出了微带的概念,基于此跃迁的qwip很适合于

焦点平面阵列成像传感器系统的应用。

Qwip的暗电流是由于越过量子阱势垒的热电子发射和势垒尖峰附近的热电子场发射造成的。由于此类光探测器针对约3~20um的波长范围,因此形成量子阱的势垒必须小,约为0.2eV。为了限制暗电流,qwip必须在4~77K的低温下工作。

Qwip对于用HgCdTe材料制作的波长光电探测器是一个具有吸引力的替代结构。HgCdTe光电探测器的问题在于遂穿暗电流过大,以及需要准确的组分重复能力以获得精确的带隙。Qwip与GaAs单片集成电路工艺兼容,可根据量子阱的厚度调整检测波长范围。研究表明,已有接近20um的长波探测能力。Qwip可以用于两维成像的焦点平面阵列,其具体事例为热成像和陆地成像。Qwip具有高速和响应快等特性,这是由于在量子阱中,本征载流子寿命较短(数量级为5ps)。

2.太阳能电池

太阳光照在半导体p-n结上,形成新的空穴-电子对,在p-n结电场的作用下,空穴由n区流向p区,电子由p区流向n区,接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。

太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件,是一个半导体光电二极管,当太阳光照到光电二极管上时,光电二极管就会把太阳的光能变成电能,产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源,具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长,只要太阳存在,太阳能电池就可以一次投资而长期使用;与火力发电、核能发电相比,太阳能电池不会引起环境污染;太阳能电池可以大中小并举,大到百万千瓦的中型电站,小到只供一户用的太阳能电池组,这是其它电源无法比拟的。

从长远来看,随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光—电转换装置的发明,各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求,太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法,可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。

太阳能光伏发电在不远的将来会占据世

界能源消费的重要席位,不但要替代部分常

规能源,而且将成为世界能源供应的主体。

预计到2030年,可再生能源在总 能源结构

中将占到30%以上,而太阳能光伏发电在世

界总电力供应中的占比也将达到10%以上;到2040年,可再生能源将占总能耗的50%以上,太阳能光伏发电将占总电力的20%以上;到21世纪末,可再生能源在能源结构中将占到80%以上,太阳能发电将占到60%以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。由此可以看出,太阳能电池市场前景广阔。

范文十:第5章半导体光电导器件 投稿:阎赐赑

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第五章半导体光电导器件第

利用半导体光电导效应制成的器件称为光电导探测器,简称PC(Photoconductive)探测器--又称为光敏电阻。

特点:

①光谱响应:紫外--远红外①光谱响应:紫外远红外

②工作电流大,可达数毫安

③可测强光,可测弱光

④灵敏度高,光电导增益大于1

⑤无极性之分

51光敏电阻的工作原理5.1 光敏电阻的工作原理52光敏电阻的主要特性参数5.2 光敏电阻的主要特性参数光学与电子科技学院College Of Optical and Electronic Technology

杂质型光敏电阻:低温下工作??? 以N型为例:

1.杂质原子浓度远比基质原ΔE=E-E<< Edcdg子浓度低得多子浓度低得多。

2. 常温--杂质原子束缚电子

或空穴已被热激发成自由态作为暗电导率的贡献量。长波光照,已无束缚电子或束缚空穴供光激发用,即光电导Δσ为零或很微弱。为零或很微弱EgΔEdEcEdEv

5.1 结构和原理

(2)光电导探测器

光敏面做成蛇形(2). 光电导探测器

--光电流光电流Ip与长度lz的平方成反比

第五章半导体光电导器件51光敏电阻的工作原理5.1 光敏电阻的工作原理52光敏电阻的主要特性参数5.2 光敏电阻的主要特性参数

52主要特性参数5.2 主要特性参数•

•光电导增益光谱响应率时间常数光电特性和γ值前历效应噪声特性

5.2 主要特性参数

五、前历效应

测试前光敏电阻所处状态对光敏电阻特性的影响。

暗态前历效应

1-黑暗放置暗放3分钟后钟2-黑暗放置60分钟后3-黑暗放置24小时后

亮态前历效应

5.2 主要特性参数

六、伏安特性

在一定的光照下,光电导探测器两端电压与流过光电导探测器的电流之间的关系。

总结光敏电阻的特点总结:光敏电阻的特点•1、优点:

•灵敏度高,光电导增益大于1

•工作电流大,可达数毫安,无极性之分•光谱响应范围宽,尤其对红外有较高的灵敏度光谱响应范围宽尤其对红外有较高的灵敏度•所测光强范围宽,可测强光、弱光•2、不足:

•强光下线性差,频率响应低,光电弛豫时间长,受温度影响大。受温度影响大

a.硫化镉(CdS)

光谱响应:0.3μm~0.8μm,峰值波长0.52μm,响应时间为数百毫秒。常用于照相机测光。

b.硫化硫化铅(PbS)

光谱响应:1μm~3μm,λP=2.4μm,响应时间t=100~300μs。

致冷(195K干冰)条件下,光谱响应:1~4μm,λP=2.8μm。

c.锑化锢(InSb)

Eg=0.23eV,适用于3~5μm的大气红外窗口测量。

d.碲镉汞(Hg1-xCdxTe)系列

改变HgTe和CdTe化合物的组份,可以得到各种响应波段的红外探测器。化合物的组份可以得到各种响应波段的红外探测器如:1~3μm,3~5μm,8~14μm三种三气窗口。

Eg(eV)=1.59x-0.25+5.233×10-4T(1-2.08x)+0.327x3

e.掺杂型(锗掺杂)

Ge :Au (77K), 3~9μm, t=3ms

Ge :Hg (77K), 6~14μm, t=0.1ms

Ge :Zn (4.2K), 20~40μm, t=2×10-8s

第五章半导体光电导器件51光敏电阻的工作原理5.1 光敏电阻的工作原理

52光敏电阻的主要特性参数5.2 光敏电阻的主要特性参数54光敏电阻的基本偏置电路5.4 光敏电阻的基本偏置电路

5.5应用举例5.5 应用举例

一.基本偏置电路及直流参数的计算

二.几种典型的偏置电路

三.光敏电阻应用举例

一、基本偏置电路及直流参数的计算、基本偏置电路及直流参数的计算偏置电路:

为使器件正常工作,提供合适的电流或者电压。例如例如:

RbRc

T+VCC--偏置电压偏置电阻--偏置电阻

意义:1.提高探测灵敏度1提高探测灵敏度

2.降低噪声

3提高频率响应3.提高频率响应

一、基本偏置电路及直流参数的计算、基本偏置电路及直流参数的计算基本偏置电路:

直流参数计算:

1). 计算Ub, RL

2). 计算ΔΦ 对应的输出电压

恒流偏置电路

由于滤波电容C和稳压管Dz的作用,晶体管基极被稳压,基极电流Ib和集电极电流Ic恒定

恒压偏置电路

由于滤波电容C和稳压管Dz的作用,晶体管基

极被稳压

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应用电路举例

1.光敏电阻用于照相机自动曝光电路用曝:

光照强:曝光时间短光照弱光照弱:

曝光时间长P115 (5.39)

2路灯自动点熄控制P1162.

3.

火焰探测报警器

4.自动调光台灯

当开关S拨向位置2时,它是一个普通调光台灯。W、C和氖泡ND组成张弛振荡器,用来产生脉冲触发可控硅SCR。一般氖泡辉光导通电压为60-80V,当C充电到辉光电压时,ND辉光导通,SCR被触发导通。调节RP能改变C充电速率,从而能改变SCR导通角,达到调光的目的。R2、R3构成分压器通过D5也向C充电,改变R2、R3分压也能改变VS导通角,使灯的亮度发生变化。

当S拨向位置1时光敏电阻GR取代R3,当周围光线较弱时,RG呈现高电阻,D5右端电位升高,电容C充电速率加快,振荡频率变高,SCR导通角增大,电灯两端电压升高、高度增大。当周围光线增强时,GR电阻变小,与上述相反,电灯两端电压变低,高度减小。

5

光控开关5.

6激光棒制成的探测报警电路6.

模拟声音集成电路IC等元件构成接收电路,平时激光棒发射出的激光正好照射在光敏电阻RG上,RG呈低阻状态,三极管VT1因基极低电位而截止IC不工作,扬声器止,作扬声器Y不发声。一旦有人或物体进入警戒区域遮断光不发声一旦有人或物体进入警戒区域遮断光路,RG由于受不到光照而阻值变大,VT1因基极电位升高而饱和导通,IC得电工作,输出的音频信号经三极管VT2放大后推动扬声器发出报警声由于电路处于小电流长时间工作状态因此采用电容降压供电方式声。由于电路处于小电流长时间工作状态,因此采用电容降压供电方式,市电经电容C1降压、VD1~VD4桥式整流、C2滤波、VDW稳压后获得约4.7V电压,供电整个装置。

7台灯自动开关7.

8用光线控制电扇开关8.

9模拟打靶游戏电路9.

本章小结:

1.利用半导体光电导效应制成的器件称为光电导探测器:本征光电导探测器和杂质光电导探测器

光谱响应范围可从紫外--远红外波段

2.光电流光电流Ip=((θη/θ/hvh)Μ√,M-内增益,与器件材料、性质和内增益与器件材料性质和外加电场大小有关

3.光电导探测器噪声主要包括:

热噪声、gg-rr噪声和1/f f噪声

4.上限截止频率f3dB 3dB或响应时间τ ,与光电导探测器的光生载流子的平均寿命有关。响应频率仅在几兆赫的数量级。5.偏置电路:恒流电路、恒压电路

三极管

好,即光电二极管收到光照,此时,VD1处于低阻,三极管VT1导通,导致三极管VT2的基极电流比较小而截止,继电器由于没有工作电流断开,相应的灯泡就熄灭。VD2的作用:由于继电器是一个很大的电感,以磁场形式储能,断电时产生反向电动势,容易击穿三极管VT2,所以用二极管VD2泄流。

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