半导体物理及器件工艺PPT ch5_光电器件

1第一部分半导体器件第五章光电器件郑新和2半导体光电器件，主要分为三类器件作为光源，将电能转换成光能的器件，如发光二极管和二极管激光器；探测光信号的器件，如光电探测器；将光辐射转换成电能的器件，如光生伏特器件或太阳能电池。第五章光电器件5.1光学吸收5.2光电探测器5.3太阳能电池5.4光致发光和电致发光5.5发光二极管5.6激光二极管35.1光学吸收(1)电磁波谱和能量4对半导体光电器件，可见光区和近红外区(光纤通讯)最为重要。现在正在拓展其它波段的器件。光通信的成功：不只得益于光纤的发展，还得益于半导体光源和探测器的发展。5•Terahertz(THz)radiation1THz4.1meVTechnologyforitsgenerationandmanipulationisinitsinfancy.Thegenerationandmodulationofcoherentelectromagneticsignalsinrequiresthedevelopmentofnewdevicesandtechniques,suchasgyrotrons,backwardwaveoscillators,andresonant-tunnelingdiodes.Theearth'satmosphereisastrongabsorberofterahertzradiationinspecificwatervaporabsorptionbands,leadingtoindoorcommunicationsystems.(2)光子吸收系数不同波长的光与半导体吸收之间的关系hEg，被吸收但产生焦耳热；hEg，被吸收，产生一对电子-空穴对；hEg，透射，使半导体表现为光学透明状。6•光学吸收方程或theBeer–Lambert–Bouguerlaw假设半导体的厚度为dx，x处的光强或照度为Iv(x)，量纲为能量/cm2s或功率/cm2，通过距离dx后的光强为Iv(x+dx)，求解光强与吸收距离的关系方程。在距离dx内，每单位时间(和单位面积)吸收的能量或光强为)(xIdxv其中，为吸收系数，即单位距离所吸收的相对光子数，单位为cm-1于是，经过dx厚度后，光强变化为dxxIdxdxxdIxIdxxIvvvv)()()()(假设初始位置的光强为Iv(0)=Iv0，则方程的解为x0e)(vvIxI7xx+dx)()(xIdxxdIvvx0e)(vvIxI问题：吸收系数大的半导体材料，则意味着光照射到半导体后发生什么现象？数值上，为光强衰减为表面处1/e时的距离，试理解？8•半导体的光学吸收系数问题：Si和Ge的吸收特点？非晶Si或无定形Si的吸收特点？GaAs、GaP和InP的吸收特点？吸收系数与入射光的波长有什么关系？910举例11Si和GaAs半导体完全吸收可见光；GaP可以透过红光；SiC、GaN和ZnS完全可以透过可见光。•半导体带隙和光谱间的关系(3)电子-空穴对产生率假设吸收一个能量为hv的光子产生一对电子-空穴对，同时也意味着光子的能量完全转换为电子-空穴对能量，则电子-空穴对的所有能量为12hvg其中g为电子-空穴对产生率，单位为数量/cm3s。又半导体单位体积内所吸收的光子总能量为)(xIv于是，)(xIhvgvhvxIgv)(13举例：对GaAs半导体，在温度T=300K，入射的光波长为0.75m，并假设半导体某处的光强为Iv(x)=0.05W/cm2，试求电子-空穴对产生率和数量。eVhvE65.175.024.1对光子波长为0.75m的光子能量为13211941070.165.1106.105.0109.0)(scmhvxIgv代入产生率表达式相应的吸收系数为14109.0cm于是，在少子寿命期间(=10-7s)产生的过剩载流子浓度n为3147211070.1101070.1cmgn说明：光强的衰减直接影响电子-空穴对的产生数量，即随着进入半导体中的距离增加，光强度下降，产生率也下降。14(4)光电导增益对n型半导体，当光照吸收产生电子-空穴对后，使电导率发生变化，大小为nqpqpnpn)()(此时，如果在半导体两边加上电压，则总的电流密度为EJJJL00其中，J0为光激发前的电流密度，JL是光电流密度，即JL=E假设A为半导体的横截面积，于是，光电流为AEqGAEAJIpnpLLL其中，pLGgnpGL：过剩载流子产生率，p过剩空穴寿命IL与产生率成GL正比。15由于电场强度E主要与多子有关，因此，根据电子漂移速度与电场、迁移率的关系有EttLnnnnntLE代入AEqGAEAJIpnpLLLALtqGInpnpLL1光电导增益ph：吸收区光生载流子电荷被收集的速率(实则是光电流IL)与光激发产生电荷的速率之比，于是ALGqILLphnpnppht116举例：对n型Si半导体，长度L=100m，横截面积A=10-7cm2，少子寿命p=10-6s。当外加电压V=10V时，试求光电导增益。sVLELtnnn92421041.7101350)10100(电子的输运时间183135048011041.710196npnppht该例说明：在少子寿命期间内，由于非常短的输运时间，光激发产生的电子-空穴对引起的光电流增益为183。思考：输运时间如何影响增益？载流子寿命如何影响增益？虽然，这种单一掺杂的光电导体的光电增益随大的p增加，但开关速度需要较小的少子寿命，因此增益和速度要折中，需要设计光电器件。175.2光电探测器(1)pn结光电二极管(Photodiode)概念：当光照发生时，施加反偏电压的pn结二极管的反向电流急剧增加，即光电二极管。这种模式称为Photoconductivemode。假设光照下在整个pn结的产生率处处相等，即为GL。此时，产生光电流密度包括：空间电荷区和中性区光照之前的反偏np结和少子分布18①空间电荷区wqGdxGqJLLL1其中，w为空间电荷区宽度。在这个区域产生的光电流对光照反应很快，因此称为瞬时光电流。为什么？比起光电导体，光电二极管的增益为1。但速度如何？此时，饱和漂移速度为107cm/s，耗尽区宽度为2微米，则频率响应约为多少？输运时间为20ps，调制频率的周期为2x20ps=40ps，则频率为25GHz，显然要比光电导体高很多(约0.1GHz)。19②中性区0022npLpnnGxnDtp对p区，此时忽略电场，且稳态下光生载流子不随时间变化，根据连续性方程可得02nD又nnLnLnppDGLndxnd222该方程的解由通解和特解组成。通解0222nphphLndxndnnLxLxphBeAen//x0对于长二极管，nph应有限，因此B0nLxphAen/20特解nLnppDGLn2002)(nLnnnLnnLppGDDGDLGn于是，p区中光生过剩少子电子浓度的总稳态解为0/nLLxppphpGAennnn此时，尽管存在光生载流子，但由于反偏，在x=0处的少子浓度仍为0，即np=0。00)0(ppppnnnxn)(00pnLnGA综上，可得出p型中性区光生过剩电子浓度为nLxpnLnLpenGGxn/000)()(同理，可得出n型中性区光生过剩空穴浓度为nLxnpLpLnepGGxp/000)()(2101)(xpnndxxndqDJnLxnpLpLnepGGxp/000)()(在x=0处，光生过剩少子电子产生的扩散电流密度为nLxpnLnLpenGGxn/000)()(nLxpnLnLpenGGxn/000)()()(001pnLnnnnGLDqJ或npnnLnLnqDLqGJ01问题：第一项和第二项分别代表什么电流密度？稳态光电流、反向饱和方向如何？在远离空间电荷区，上述得出的少子浓度与求出的特解一致，它们分别为0nLpGn0pLnGp22同理，光生过剩少子空穴在x=0处产生的扩散电流密度为pnppLpLpqDLqGJ01于是，对长二极管，稳态时总的二极管光电流密度为pnpnpnpLnLLpnLLLpDLnDqLqGLqGwqGJJJJ00111一般反向饱和电流很小，可忽略，即)(pnLpLnLLLLLwqGLqGLqGwqGJ由于该部分光生载流子的电流是由扩散产生的，相对比较慢，即对光的变化响应速度受到限制，因此称为延迟光电流。23举例：例子说明：比反偏饱和电流密度大好几个数量级。对这种长二极管，由于Ln和Lp太长，并不实用(需要强吸收且较薄)。而且，不同波长的光的吸收也不一致。需重新设计探测器结构！24(2)PIN光电二极管为提高光通信中探测器的响应速度，需增加瞬时光电流，即增加耗尽区的宽度。假设p+区非常薄，可以忽略吸收。因此，入射到本征i区的光通量(量纲：数量/cm2s)仍为0，此时由于吸收，进入本征区后的光通量与距离的关系为xex0)(光通量与产生率GL(量纲：数量/cm3s)的关系？LG25于是光电流密度JL为(假设无复合))1()(00000wx举例：设w=20微米，光子通量0为1017/cm2s，吸收系数=103/cm，试求光电流密度。scmGL3201730/101010)0(x=0处的电子-空穴对产生率GL(0)为scmeewGwL3201020101730/10135.01010)(43x=w处的电子-空穴对产生率GL(w)为由此，x=0和x=w处的产生率不一致。20/8.13)1(cmmAeqJwL26问题：加反偏电压后，能带图将发生什么变化？27实际pin结构的光电探测器要求：电极做成环形，增加光的照射面积表面层p+应足够薄，减少这部分的光吸收；但为了减小电阻，需要重掺杂。轻掺杂保护环，防止拐角处高掺杂引起大电场对i层的击穿。28(3)雪崩光电二极管(APD)PM11在上述PIN结构基础上，继续增加反向偏压(200V量级)，使之发生碰撞电离，此时的光电流增益约在20-50，称为雪崩光电二极管，是通信中另一类常用的光电二极管。根据雪崩原理，噪声也会被放大，主要由什么引起？热产生和碰撞电离过程的随机性29假设本征i区的宽度约为10m，饱和速度为107cm/s•APD的工作频率此时的输运时间t为pst10010101047调制信号的周期一般要大一倍，因此工作频率为GHzft521若电流增益为20，则频率带宽增益为100GHz，意即APD能够响应调制在微波频率的光波。然而雪崩本身需要时间，因此响应速度会受影响，达不到PIN的速度。30(4)光电晶体管(phototransistor)以npn晶体管为例，工作在正向有源模式，且基极开路，光照晶体管将引起集电极电流IC增益。发射极面积很小光照在较大面积的BC结，且反偏，光生空穴将产生光电流IL；空穴注入到B区，使EB结产生正偏，晶体管具有正常的电流增益效应，假设发射极提供的电流为IE，则集电极具有IE，于是LEEIII又基极开路，则有ECIILCCIII31LCCIII