今天小编要和大家分享的是半导体光电子器件分类 半导体光电子器件基本物理过程,接下来我将从分类,基本物理过程,内光电效应,发光效应,这几个方面来介绍。
利用半导体光-电子(或电-光子)转换效应制成的各种功能器件。它不同于半导体光器件(如光波导开关、光调制器、光偏转器等)。
分类
①发光二极管(LED)和激光二极管(LD):将电能转换成光辐射的电致发光器件。发光管的发散角大,光谱范围宽,寿命长,可靠性高,调制电路简单,成本低,广泛用于速率不太高、传输距离不太远的通信系统,以及显示屏和自动控制等。激光管的光谱较窄、发散角小、方向性强、色散小,于1962年研制成功后,得到迅速发展,广泛用于大容量、长距离的光纤通信系统以及光电集成电路。缺点是温度特性差,寿命比LED短。
②光电探测器或光电接收器:通过电子过程探测光信号的器件。即将射到它表面上的光信号转换为电信号,如pIN光电二极管和雪崩光电二极管(ApD)等,现代广泛用于光纤通信系统。
③太阳电池。将光辐射能转换成电能的器件。1954年应用硅pN结首先研制成太阳电池。它能把阳光以高效率直接转换成电能,以低运行成本提供永久性的电力,并且没有污染,为最清洁的能源。根据其结构不同,其效率可达5%~20%。
基本物理过程
从能带论的观点出发,半导体中电子状态的分布如图1,常温下低能量的带(价带)中的状态基本上为价电子所填充,高能量的带(导带)中的状态则空着,二者之间被宽度为Eg的禁带所隔离。在此情况下半导体的导电特性很差,只有发生在导带中的电子或价带中的空态(空穴)才能在外场驱使下参与导电。
内光电效应
当价带中的电子吸收了能量大于禁带宽度的光子就能够跃迁到导带中,与此同时在价带中留下空穴,统称为光生载流子,由此产生的附加导电现象称为光电导。在外场驱使下光生载流子贡献的电流称为光电流。这种光电子效应因发生在半导体内,故称为内光电效应。内光电效应是一切光电子接收和能量转换器件的基础。
发光效应
1952年,发现了硅、锗半导体材料注入发光的现象。注入到半导体中的非平衡电子-空穴对以某种方式释放多余的能量而回到初始平衡状态。辐射光子是一种释放能量的方式,但是由于锗、硅都属间接带材料(导带底与价带顶不在动量空间的同一位置),为了满足跃迁过程的动量守恒原则,这就要求大量声子同时参与跃迁过程,属多体过程。因此带间复合发光的效率很低(小于0.01%)。许多化合物材料如GaAs、InGaAsp为直接带材料(导带底与价带顶在动量空间同一位置),带间辐射跃迁过程几乎无需声子参与。因此发光效率很高,大注入下内量子效率几乎达100%,高效率的电子-空穴对复合发光效应是一切半导体发光器件的物理基础。
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