第五章光器件-课件

第五章 光器件5.1 5.1 光学吸收光学吸收 5.1.1 光子概念 5.1.2 光子吸收系数 5.1.3 电子-空穴对的产生率5.2 5.2 太阳能电池太阳能电池 5.2.1 PN结太阳能电池 5.2.2 转换效率与太阳光集中 5.2.3 非均匀吸收的影响 5.2.4 异质结太阳能电池 5.2.5 非晶硅太阳能电池5.3 5.3 光电探测器光电探测器 5.3.1 光电导 5.3.2 光电二极管 5.3.3 PIN光电二极管 5.3.4 雪崩光电二极管 5.3.5 光电晶体管5.4 5.4 光致发光和电致发光光致发光和电致发光 5.4.1 基本跃迁 5.4.2 发光效率 5.4.3 材料5.5 5.5 发光二极管发光二极管 5.5.1 光的产生 5.5.2 内量子效率 5.5.3 外量子效率 5.5.4 LED器件5.6 5.6 激光二极管激光二极管*5.6.1 受激辐射和分布反转 5.6.2 光学空腔谐振器 5.6.3 阈值电流 5.6.4 器件结构与特性5 5.1.1 光学吸收光学吸收5.1.1 光子概念能量动量频率波长5.1.2 光子吸收系数5.1.2 光子吸收系数不同半导体材料的吸收限：光波长范围（大气窗口）：5.1.3 电子-空穴对的产生率1、单位体积吸收的能量：2、电子-空穴对的产生率：3、过剩载流子浓度：单位体积N5.2 5.2 太阳能电池太阳能电池5.2.1 PN结太阳能电池1、PN结总电流：2、光产生电流：3、理想PN结电流：P电场5.2.1 PN结太阳能电池1、PN结电流：2、短路电流：3、开路电压：5.2.1 PN结太阳能电池PN结输出功率：最大功率点：迭代求解5.2.2 转换效率与太阳光集中太阳能电池的转换效率：理想硅太阳能电池的转换效率：实际硅太阳能电池的转换效率：影响因素：串联电阻、表面反射改进方法：聚光（增大短路电流）砷化镓太阳能电池：注意：串联电阻与光透过率是矛盾的表面减反和纳米结构可以增强光吸收5.2.2 非均匀吸收的影响1、光子通量的衰减：2、电子-空穴对的产生率：3、光产生电流：单位体积5.2.3 异质结太阳能电池 优点：双能隙，光谱范围宽，转换效率高5.2.4 非晶硅太阳能电池 材料：非晶态薄膜，大面积化学气相沉积。氢化：减少悬挂键，提高载流子迁移率。迁移率边带隙状态导带价带状态密度N(E)玻璃铟锡氧化层5 5.3 3 光电探测器光电探测器5.3.1 光电导（光电阻）平衡电导率：面积A 非平衡电导率：光电导率（电导率的变化量）：光电电流：5.3.1 光电导（光电阻）产生 光电电流：电子漂移时间 光电导增益：电荷收集速率与电荷产生速率的比值收集收集5.3.2 光电二极管NP电场电场均匀产生率GL11空间电荷区：产生电流：光电导增益：响应频率：5.3.2 光电二极管双极输运方程过剩载流子电场扩散电流33中性区（p区）：22中性区（n区）：5.3.2 光电二极管扩散电流：p区：n区：电场光电流：耗尽区：5.3.3 PIN光电二极管电场 特点特点：扩大空间电荷区，大大增强光电流。5.3.4 雪崩光电二极管特点特点：u反偏电压足够高，电子空穴可以产生雪崩倍增；u电流增益大，响应频率快。电场5.3.5 光电晶体管特点特点：u光电流得到放大；u响应频率降低（B-C结电容的弥勒效应）；u非雪崩放大，噪声低。5.4 5.4 光致发光和电致发光光致发光和电致发光5.4.1 基本跃迁（1）直接带隙复合）直接带隙复合（不通过中间能级）（2）间接带隙复合）间接带隙复合（通过中间能级）（3）俄歇复合）俄歇复合（通过粒子的传递）5.4.1 基本跃迁注意：自发辐射的光子能量并非单一能量，而是一个能量范围，其发射率满足下面的公式：GaAs二极管在不同温度的发射光谱5.4.2 发光效率辐射复合只是所有复合中的一部分：量子效率是辐射复合率与总复合率的比值：辐射复合对应直接带隙复合：5.4.3 几种材料（1）AlxGa1-xAs复合半导体（2）GaAs1-xPx复合半导体禁带宽度变化禁带宽度变化E-K曲线5.5 5.5 发光二极管发光二极管5.5.1 光的产生（1）正偏二极管（2）二极管发光P区N区|+Va-EcEvEFiEFpEFn发光波长：发光光强：5.5.2 内量子效率内量子效率：半导体内电子转换为光子的效率取决于注入效率和辐射效率注入效率：提高注入效率：采用n+p结二极管加一定的正偏电压辐射效率：提高辐射效率：减小禁带中陷阱密度提高p型掺杂浓度5.5.3 外量子效率外量子效率：出射光子与产生光子的比率取决于辐射角分布和反射损耗提高外量子效率：正面减少反射背面增加反射反射层减反层入射波透射波反射波全反射正入射反射率全反射临界角5.5.4 LED器件材料选择及结构设计：直接带隙半导体提高内量子效率异质结二极管提高外量子效率接触电极接触电极5.6 5.6 激光二极管激光二极管5.6.1 受激辐射和分布反转感应吸收自发发射自发发射5.6.1 受激辐射和分布反转 平衡粒子数分布：粒子数反转（非平衡）：光放大/产生激光5.6.1 受激辐射和分布反转 光放大理论：光放大：光衰减：5.6.1 受激辐射和分布反转 二极管激光器：光放大条件：激光二极管pn结必须是简并重掺杂5.6.2 光学谐振腔 谐振条件：激光输出活性区5.6.3 阈值电流 光增益：激光输出 光损耗：材料吸收：镜面反射：阈值条件：阈值电流：5.6.3 器件结构与特性 光波导提高外量子效率；双异质结结构激光输出5.6.3 器件结构与特性小电流时，宽光谱自发辐射；大于阈值电流时，多模共振发射；更大的电流，窄带的单一频率基波。激光输出37谢谢！谢谢！