半导体光电子器件

功能器件

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）。光器件的设计原理是依据外场对导波光传播方式的改变，它也有别于早期人们袭用的光电器件。后者只是着眼于光能量的接收和转换（如光敏电阻、光电池等）。早期的光电器件只限于被动式的应用，60年代作为相干光载波源的半导体激光器的问世，则使它进入主动式应用阶段，光电子器件组合应用的功能在某些方面（如光通信、光信息处理等）正在扩展电子学难以执行的功能。

原理简介

早在19世纪末就已经开始研究半导体硒中的光电现象，后来硒光电池得到应用，这几乎比晶体管的发明早80年，但当时人们对半导体还缺乏了解，进展缓慢。30年代开始的对半导体基本物理特性（如能带结构、电子跃迁过程等）的研究，特别是对半导体光学性质的研究为半导体光电子器件的发展奠定了物理基础。1962年，R.N.霍耳和M.I.内森研制成功注入型半导体激光器，解决了高效率的光信息载波源，扩展了光电子学的应用范围，光电子器件因而得到迅速发展。

分类

分为三大类：

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概述图,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。半导体光电子器件

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。

外光电效应

半导体中电子吸收较高能量的光子而被激发成为热电子，有可能克服晶格场的束缚逸出体外成为自由电子，这又称光电子发射效应。图2是一个具有理想表面的半导体的能带图，EC、EV分别表示导带底和价带顶，E0为体外真空能级，x为电子亲和势 (表示导带底的电子逸出体外所需克服的晶体束缚能）,EF为费米能级位置，φ为逸出功，ET=x+EV为光电子发射阈能。半导体表面对环境气氛和接触材料很敏感。表面层对外来电荷（正的或负的电荷）的吸附引起表面能带的弯曲（向上或向下），剧烈地影响半导体中光电子发射的特性。图3中的墹E表示表面能带向下弯曲的势能，实际有效电子亲和势xeff=x-墹E。如果墹E>x，则xeff就成为负值。负电子亲和势(NEA)材料（如GaAs、InGaAsP与Cs2O的接触）的光电子发射的量子产额相当可观，是发展半导体光阴极的重要基础。半导体光电子器件

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（图4），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（图5）。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。

器件分类

光电子器件可分为体光电子器件、正反向结光电子器件、异质结和多结光电子器件。

体光电子器件

它是结构上最简单的一类光电子器件。半导体材料吸收能量大于禁带宽度的入射光子，激发出非平衡电子－空穴对（称为本征激发)。它们在外场下参与导电，产生光电导。如属不均匀的表面激发，则光生载流子在有浓度梯度下的扩散将导致内场的建立，即光生伏电效应。扩散电流受磁场的作用而偏转，产生光磁电效应。依据这些物理效应已经制出各种波段（特别是红外波段）光电探测器，如InSb、HgCdTe光电探测器，在军事上已获得广泛应用。

体光电探测器也可以用掺入深能级杂质的方法制成。如掺Au、Hg的Ge探测器，是一种很灵敏的红外探测器。光生载流子是由深能级杂质中心激发的，称为非本征激发。这类探测器大多在很低温度下工作（如液氦温度4.2K）。

正向结光电子器件

在正向大偏置下半导体PN结结区附近将注入大量非平衡载流子，利用复合发光效应可制成各种颜色发光二极管。电子仪表上普遍使用的红、绿色半导体指示灯、数码管，就是用GaAsP、GaP、AlGaAs等材料制成的。固态发光管功耗低、体积小、寿命长，已逐步取代真空管。用GaAs制成的发光管，发光效率很高，发射波长约9000埃，属人眼不灵敏的近红外波段，广泛用作光电控制和早期光通信的光源。第一只半导体激光器就是用高掺杂GaAs的PN结制成的，虽然现代半导体激光器已被异质结器件所取代，但基本上仍属正向结结构。

反向结光电子器件

PN结中由于两侧电荷的转移在结区建立很强的内场（达104伏/厘米以上），导致能带弯曲，形成PN结势垒。光生载流子一旦扩散入结区即被内场扫向两侧构成光生电流。硅光电池和光敏二极管就是利用反向结特性工作的器件。硅光电池作为太阳能电源在人造卫星上已得到应用，中国“东方红”2号人造卫星就使用了硅光电池。硅光电池能量转换效率已接近15%的理论值。光敏二极管是广泛使用的光检测器件，为了提高量子效率和响应速度，必须尽量扩大耗尽区（即电场区），因此实用的半导体光电二极管都施加反向偏置，量子效率可达到80%以上，响应时间可小于纳秒，光纤通信系统使用的Si-PIN检测器就是典型的一种。

如果施加足够大的反向偏置，光生载流子在结附近某区域的强电场下加速，其能量可达到引起晶格碰撞电离的阈值。这种电离过程呈雪崩式链锁反应，因而可得到内部增益。利用这种过程可制出快速灵敏的光检测器，称半导体雪崩光电二极管(APD)。它在长距离、大容量光纤通信系统中得到应用。

异质结光电子器件

60年代以来，半导体外延生长技术迅速发展。利用外延生长技术可以把不同半导体单晶薄膜控制生长在一起，形成异质结或异质结构。适当选择异质结构可以获得一些新的电学特性，如单向注入特性、载流子定域限制效应、负电子亲和势等，在光学上具有窗口效应、光波导特性等。异质结的新特性不仅使原有的光电子器件性能得到很大改善，同时还借以研制成许多新功能器件（如量子阱激光器、双稳态光器件等）。双异质结激光器的发明是异质结研究方面的一个重大成就。采用异质结构以后，激光器有源区可精确控制在 0.1微米量级。把注入载流子和光都局限在这个薄层中，使激光器阈值电流密度降低2～3个量级，达到103安/厘米2以下，从而实现低功耗（毫瓦），长命寿（外推百万小时）、室温连续波工作等目的。异质结在光电子学中的另一成就是70年代出现的半导体光阴极。以前采用的光阴极材料属正电子亲和势材料 (如Cs3Sb-CsO等），量子产额很低，且基本上由热电子弛豫时间决定（10-12秒量级）。利用半导体异质结（如GaAs、InGaAsP－CsO等）负电子亲和势，使量子产额提高3个数量级以上，量子产额由非平衡载流子寿命（10-8秒量级）决定；适当选择材料可使响应波长扩展到红外波段。这类负电子亲和势光阴极特别适用于军事夜视。　利用异质结窗口效应改善了太阳电池的能量转换效率。与硅光电池的理论极限相比，能量转换效率得到成倍提高。在研制成的20种以上异质结光电池中转换效率最高的是AlGaAs/GaAs,达到23%。异质结太阳电池虽成本较高，但适用于特殊用途（如空间应用）。

多结光电子器件

根据器件功能设计的需要，可以连续生长两个以上多层异质结。这种多结光电子器件可以是二端工作的，也可以是三端或多端的。AlGaAs/GaAsPNPN负阻激光器就是一种多结二端器件，它是将普通的PNPN闸流管和双异质激光器组合成一体的复合功能器件。为了兼顾电学上的全导通和激光器低阈值要求，通常制成NpPpnP结构。其中大写字母表示宽带隙材料，小写字母表示窄带隙材料。这种负阻激光器适用于光电自动控制方面。

光晶体管是一种多层双结三端器件，它也是一种有内部电流增益的光电探测器。它不受碰撞电离噪声的限制，因此在长波长低噪声探测器应用方面可与半导体雪崩光电二极管相媲美。

最典型的多结器件是量子阱激光器。量子阱激光器的有源区由多层超晶格材料构成，在超晶格结构中窄带隙材料形成极薄二维电子（或空穴，或二者兼有）势阱，导带中的准连续的电子态变成量子化，电子空穴的复合发光发生在这些量子化的分立状态之间，所以能在相当程度上克服半导体激光器能带工作的弱点。谱线变窄，温度系数变小，而且还可以通过注入电流密度的改变，对发射波长进行调谐。它将扩展半导体激光器的应用领域。

展望

半导体激光器特别是室温连续波工作的双异质结激光器出现后，进入了光电子器件范畴，其应用领域也从被动式应用时期进入主动式应用阶段。光通信是光电子学取得的第一个重大成就。光通信具有损耗低、容量大、保密性强和抗电磁干扰的优点，因此它将成为社会生活不可缺少的重要部分。计算机中的相干光存储和激光读出技术是光电子器件另一重要应用。相干光全息存储技术可以提高计算机存储系统的容量。激光读出则可提高信息取出速度。双稳态光学器件的研究引起人们对光计算机的关注。人们有可能在计算机中首先采用信息的光传输技术来提高运算速度，全光计算机也是人们探索的一个方向。

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