第5章半导体光电导器件

数码相机NIKON5

数码相机为什么能实现自动曝光？

第

第五章半导体光电导器件

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

第五章半导体光电导器件5.1 光敏电阻的工作原理

51光敏电阻的工作原理

5.2 光敏电阻的主要特性参数52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

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

子浓度低得多ΔE d E c E d E g 子浓度低得多。

E c

2. 常温--杂质原子束缚电子

或空穴已被热激发成自由态E d E g

ΔE d

作为暗电导率的贡献量。长E v

波光照,已无束缚电子或束缚空穴供光激发用，即光电导为零或很微弱

Δσ为零或很微弱。

任务：1.导出电流表达式任务1

微变等效电路

(2)光电导探测器(2). 光电导探测器

光敏面做成蛇形－－光电流光电流I p 与长度l z 的平方成反比

第五章半导体光电导器件5.1 光敏电阻的工作原理

51光敏电阻的工作原理

5.2 光敏电阻的主要特性参数52光敏电阻的主要特性参数5.4 光敏电阻的基本偏置电路54光敏电阻的基本偏置电路5.5 应用举例

5.5应用举例

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

h q

I τ

λΦη?=)(dr

p t hv

q I S p ?==η

λλλ)

()(hv

Φ)(

A R R log log ?＝

B E E log log ?γ

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。

暗态前历效应亮态前历效应

暗放钟

1-黑暗放置3分钟后

2-黑暗放置60分钟后

5.2 主要特性参数

在一定的光照下，光电导探测器两端电压与流六、伏安特性

过光电导探测器的电流之间的关系。

(完整版)光电材料

目录目录 ------------------------------------------------------------------------------------------- 1 1前言----------------------------------------------------------------------------------------- 2 2 有机光电材料 ------------------------------------------------------------------------------ 2 2.1光电材料的分类 --------------------------------------------------------------------- 2 2.2有机光电材料的应用 ---------------------------------------------------------------- 3 2.2.1有机太阳能电池材料--------------------------------------------------------- 3 2.2.2有机电致发光二极管和发光电化学池 --------------------------------------- 4 2.2.3有机生物化学传感器--------------------------------------------------------- 4 2.2.4有机光泵浦激光器 ----------------------------------------------------------- 4 2.2.5有机非线性光学材料--------------------------------------------------------- 5 2.2.6光折变聚合物材料与聚合物信息存储材料 ---------------------------------- 5 2.2.7聚合物光纤------------------------------------------------------------------- 6 2.2.8光敏高分子材料与有机激光敏化体系 --------------------------------------- 6 2.2.9 有机光电导材料 ------------------------------------------------------------- 6 2.2.10 能量转换材料 -------------------------------------------------------------- 7 2.2.11 染料激光器----------------------------------------------------------------- 7 2.2.12 纳米光电材料 -------------------------------------------------------------- 7 3 光电转化性能原理 ------------------------------------------------------------------------- 7 4 光电材料制备方法 ------------------------------------------------------------------------- 8 4.1 激光加热蒸发法 ------------------------------------------------------------------- 8 4.2 溶胶-凝胶法 ---------------------------------------------------------------------- 8 4.3 等离子体化学气相沉积技术（PVCD）------------------------------------------ 9 4.4 激光气相合成法 ------------------------------------------------------------------ 9 5 光电材料的发展前景---------------------------------------------------------------------- 10

半导体光电探测器(精)

半导体光电探测器摘要：本文介绍了光电与系统的组成、一些半导体光电探测器的结构和工作原理，最后阐述了光电导探测器与光伏探测器的区别。关键词：半导体光电探测器，光电系统，光电导探测器，光伏探测器 Semiconductor photoelectric detector Abstract：This paper introduces the composition of photoelectric and system, the structure and working principle of some semiconductor photoelectric detector，finally describes the distinction of photoconductive detector and photovoltaic detector. Key words：semiconductor photoelectric detector，photoelectric system，photoconductive detector，photovoltaic detector 引言光电探测器是一种受光器件，具有光电变换功能。光敏器件的种类繁多，有光敏电阻、光电二极管、光电三极管、光晶闸管、集成光敏器件等；有雪崩型的及非雪崩型的；有PN结型、PIN结型及异质结型的等。由于光电探测器的响应速度快，体积小，暗电流小，使之在光纤通讯系统、光纤测试系统、光纤传感器、光隔离器、彩电光纤传输、电视图象传输、快速光源的光探测器、微弱光信号的探测、激光测距仪的接收器件、高压电路中的光电测量及光电互感器、计算机数据传输、光电自动控制及光测量等方面得到了广泛应用。半导体光电探测器是用半导体材料制作的能接收和探测光辐射的器件。光照射到器件的光敏区时，它就能将光信号转变成电信号，是一种光电转换功能的测光元件。它在国防和工农业生产中有着重要和广泛的应用。半导体光电探测器可分为光电导型和光伏型两种。光电导型是指各种半导体光电导管，即光敏电阻；光伏型包括光电池、P-N结光电二极管、PIN光电二级管、雪崩光电二极管、光电三级管等。本文首先介绍了光电系统的组成，然后分别介绍了各元件的结构和工作原理，最后将这两类探测器进行比较。一、光电子系统的组成现代光电子系统非常复杂，但它的基本组成可用图1-1-1来说明：待传送信号经过编码器编码后加到调制器上去调制光源发出的光，被调制后的光由发射光学系统发送出去。发射光学系统又称为发射天线，因为光波是一种电磁波，发射光学系统所起的作用和无线电发射天线所起的作用完全相同。发送出去的光信号经过传输介质，如大气等，到达接收端，由接收光学系统或接收天线将光聚焦到

-纳米光电材料

纳米光电材料 1.定义：纳米材料是一种粒子尺寸在1到100nm的材料。纳米光电材料是指能够将光能转化为电能或化学能等其它能量的一种纳米材料。其中最重要的一点就是实现光电转化。其原理如下：光作用下的电化学过程即分子、离子及固体物质因吸收光使电子处于激发态而产生的电荷传递过程。当一束能量等于或大于半导体带隙( Eg) 的光照射在半导体光电材料上时，电子(e-) 受激发由价带跃迁到导带，并在价带上留下空穴(h + )，电子与孔穴有效分离，便实现了光电转化[1]。 2.分类：纳米光电材料的分类纳米光电材料按照不同的划分标准有不同的分类，目前主要有以下几种： 1. 按用途分类：光电转换材料：根据光生伏特原理，将太阳能直接转换成电能的一种半导体光电材料。目前，小面积多结GaAs太阳能电池的效率超过40 %[2]。光电催化材料：在光催化下将吸收的光能直接转变为化学能的半导体光电材料，它使许多通常情况下难以实现或不可能实现的反应在比较温和的条件下能够顺利进行。例如，水的分解反应，该反应的ΔrGm﹥﹥0在光电材料催化下，反应可以在常温常压下进行[3] 2. 按组成分类：有机光电材料：由有机化合物构成的半导体光电材料。主要包括酞青及其衍生物、卟啉及其衍生物、聚苯胺、噬菌调理素等；无机光电材料：由无机化合物构成的半导体光电材料。主要包括Si、TiO2、ZnS、LaFeO3、KCuPO4·6H2O、CuInSe2等；有机与无机光电配合物：由中心金属离子和有机配体形成的光电功能配合物。主要有2，2-联吡啶合钌类配合物等[4]。 3. 按形状分类纳米材料大致可分为纳米粉末、一维纳米材料、纳米膜等。纳米粉：又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原

光电倍增管和半导体光电器件新应用举例

光电倍增管（PMT）研究进展及应用 ——记2004年北京HAMAMATSU技术交流会前言 “2004年北京HAMAMATSU技术交流会”于2004年10月27日～2004年10月29日在浙江杭州召开的。北京HAMAMATSU技术交流会是由北京滨松光子技术有限公司承办的技术交流活动，每年举办一次，邀请各个科研机构和生产单位的专家和技术人员参加，主要介绍滨松公司的产品和研究进展，解答用户的技术问题，交流讨论光电器件在科研和生产中的应用问题。我代表西安交通大学生物医学与分子光子学研究室和西安天隆科技有限公司有幸参加了这次交流活动。 HAMAMATSU（滨松）是总部设在日本的一家主要生产光器件的跨国公司。它在亚洲、欧洲和北美设有七家分支机构。日本滨松下设四个生产部门：电子管事业部，主要生产以光电倍增管为主的各种真空探测器,真空光源等相关仪器设备。半导体事业部，主要生产以光电二极管为主的各种半导体光电器件。系统事业部，主要生产以滨松公司自产器件为中心的各种分析和测量仪器,应用在半导体芯片,生物工程和医疗等各种领域。激光器事业部，主要生产科研和产业用的大功率半导体激光器。北京滨松光子技术有限公司是1988年由中国核工业总公司北京核仪器厂与日本滨松光子学株式会社共同投资成立的。在2004年交流会中来自日本滨松总部、电子管事业部、半导体事业部的五位专家做了五场专题报告，分别是大冢副社长做的“HPK(滨松)与光产业的现状和未来”，夸田敏一先生做的“PMT新产品介绍”，久米英浩先生做的“PMT应用技术产品及应用领域”，伊藤先生做的“半导体光检测新产品介绍”和石原繁树做的“光源产品介绍”。会议过程中还穿插有技术交流活动，为来自各个科研院所和生产单位的技术人员提供了一个交流的平台。光电倍增管技术的进展图1 滨松生产的PMT

半导体光电催化技术.

半导体光电催化第一章 1.原子轨道相互交迭情况原子钟的电子分布在内外层电子轨道上，每一层轨道对应确定的能量。当原子相互接近并形成晶体时，不同原子的内外壳层。电子轨道之间就有一定的交迭，相邻原子最外层轨道交迭最多，内层轨道交迭最少。当原子组成晶体后，由于原子轨道的交迭，电子不再完全局限在某一个原子钟，它可以转移到相邻原子上去，而且可以从邻近的原子轨移到更远的原子上去，以致任何一个电子可以在整个晶体中以一个原子转移到另一个原子，不再属于某个原子所有，这即晶体中的电子共有化运动。 2.用能级的形式解释能带禁带：在相邻两个能带之间的区域中，不存在电子占有的能级，将这两个能带间的区域称为禁带。每个能带和禁带的宽度是由各种晶体的具体原子结构和晶体结构所决定的。禁带宽度为零点几到几个电子伏。由于可得出①同一晶体的某个能带，其宽度一定，这是因为能带宽度主要取决于电子轨道的交迭程度。对同一晶体，原子间距是常数，所以各轨道的交迭程度一定。②同一晶体的不同能带，上面的宽，下面的窄。这是因为上面的能带与原子的外层轨道相对应，外层轨道交迭多，能带就宽，内层轨道交迭少，能带就窄。由此可见，能带的宽窄实际上反映了电子共有化的自由程度。 3.满带：能带全部被电子填满。内层电子轨道对应的能带。零带：能带中可占据能级全部是空的。价带：价电子所处的能带，最高电子占有能带。（HDMO），可能是全部填满或部分填满。导带：最低空能带（LLIMO） 4.能带对不同材料的解释（对导体，半导体电导率的差别）按电阻来分：金属导体p<10-6Ω·m绝缘体p>107Ω·m半导体10-6

半导体光电效应及其应用

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

纳米光电材料

纳米光电材料 Document serial number【KK89K-LLS98YT-SS8CB-SSUT-SST108】

纳米光电材料 1.定义：纳米材料是一种粒子尺寸在1到100nm的材料。纳米光电材料是指能够将光能转化为电能或化学能等其它能量的一种纳米材料。其中最重要的一点就是实现光电转化。其原理如下：光作用下的电化学过程即分子、离子及固体物质因吸收光使电子处于激发态而产生的电荷传递过程。当一束能量等于或大于半导体带隙(Eg)的光照射在半导体光电材料上时，电子(e-)受激发由价带跃迁到导带，并在价带上留下空穴(h+)，电子与孔穴有效分离，便实现了光电转化[1]。 2.分类：纳米光电材料的分类纳米光电材料按照不同的划分标准有不同的分类，目前主要有以下几种：1.按用途分类：光电转换材料：根据光生伏特原理，将太阳能直接转换成电能的一种半导体光电材料。目前，小面积多结GaAs太阳能电池的效率超过40%[2]。光电催化材料：在光催化下将吸收的光能直接转变为化学能的半导体光电材料，它使许多通常情况下难以实现或不可能实现的反应在比较温和的条件下能够顺利进行。例如，水的分解反应，该反应的ΔrGm﹥﹥0在光电材料催化下，反应可以在常温常压下进行[3] 2.按组成分类：有机光电材料：由有机化合物构成的半导体光电材料。主要包括酞青及其衍生物、卟啉及其衍生物、聚苯胺、噬菌调理素等；无机光电材料：由无机化合物构成的半导体光电材料。主要包括Si、TiO2、ZnS、LaFeO3、KCuPO4·6H2O、CuInSe2等；有机与无机光电配合物：由中心金属离子和有机配体形成的光电功能配合物。主要有2，2-联吡啶合钌类配合物等[4]。 3.按形状分类纳米材料大致可分为纳米粉末、一维纳米材料、纳米膜等。纳米粉：又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中问物态的固体颗粒材料。一维纳米材料：指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。分为纳米线和纳米管。纳米膜：纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜[5]。纳米光电材料具有纳米材料的四种特性（量子、.....) 3.纳米光电材料的制备方法制备纳米材料的方法有很多，根据不同的纳米光电材料及其用途有不同的制备方法。 1.化学沉淀法：通过在原料溶液中添加适当的沉淀剂，让原料溶液中的阳离子形成相应的沉淀物(沉淀颗粒的大小和形状由反应条件来控制)，然后再经过滤、洗涤、干燥、

宽禁带半导体光电材料研究进展

宽禁带半导体光电材料的研究及其应用宽禁带半导体材料(Eg大于或等于3.2ev)被称为第三代半导体材料。主要包括金刚石、SiC、GaN等。和第一代、第二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有禁带宽度大,电子漂移饱和速度高、介电常数小、导电性能好,具有更高的击穿电场、更高的抗辐射能力的特点,其本身具有的优越性质及其在微波功率器件领域应用中潜在的巨大前景,非常适用于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件。以氮化镓(GaN)为代表的Ⅲ族氮化物作为第三代半导体材料,是一种良好的直接宽隙半导体光电材料,其室温禁带宽度为3.4eV,它可以实现从红外到紫外全可见光范围的光辐射。近年来已相继制造出了蓝、绿色发光二极管和蓝色激光器等光电子器,这为实现红、黄、蓝三原色全光固体显示,制备大功率、耐高温、抗腐蚀器件,外空间紫外探测,雷达,光盘存储精细化、高密度,微波器件高速化等奠定了基础。氮化镓和砷化镓同属III-V族半导体化合物,但氮化镓是III-V族半导体化合物中少有的宽禁带材料。利用宽禁带这一特点制备的氮化镓激光器可以发出蓝色激光,其波长比砷化镓激光器发出的近红外波长的一半还要短,这样就可以大大降低激光束聚焦斑点的面积,从而提高光纪录的密度。与目前常用的砷化镓激光器相比,它不仅可以将光盘纪录的信息量提高四倍以上,而且可以大大提高光信息的存取速度。这一优点不仅在光纪录方面具有明显的实用价值,同时在光电子领域的其他方面也可以得到广泛应用。虽然人们早就认识到氮化镓的这一优点,但由于氮化镓单晶材料制备上的困难以及难于生长出氮化镓PN结,氮化镓发光器件的研究很长时间一直没有获得突破。经过近20年的努力,1985年通过先进的分子束外延方法大大改善了氮化镓材

Ch8半导体光电子器件

8. Semiconductor lasers 8Semiconductor lasers yp A typical semiconductor laser is formed from a semiconductor diode and a pair of plane-parallel mirrors. In operation, the diode is forward biased In operation the diode is forward biased The populations are so large that f e+ f h> 1 for some photon energy (above the bandgap energy), thereby giving gain in the semiconductor material. If the gain per pass exceeds the mirror transmission loss and any other losses experienced by the beam (e.g, diffraction, absorption loss in nominally transparent parts of the structure, loss from scattering off material, or structure imperfections) the structure will lase.

Semiconductor laser structures There are two basic configurations edge-emitting edge emitting surface emitting.

半导体光电探测器的新进展

半导体光电探测器的新进展摘要半导体光电探测是半导体光电子学的重要部分，半导体光电探测器在光纤通信，红外遥感等领域有广泛的应用。本文介绍了几种最新的半导体光电探测器结构，旨在探讨国内外当前半导体光电探测器的研究现状及发展趋势。关键词：光电探测器，位敏探测器，红外探测器 Abstract Semiconductor photoelectric detection is an important part of the semiconductor optoelectronics, semiconductor photodetectorare widely used in the field of optical fiber communications, infrared remote sensing. This article describes several new semiconductor photodetector structure, aims to explore the current status and development trends of the semiconductor photodetector. Keywords: Photodetector , Position sensitive detector, Infrared detectors 一、引言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，易于与其他半导体器件集成，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。随着现代科学技术的发展，特别是光电子技术的发展，现代武器装备的精度和性能有了很大的提高，使现代战争具备了新的特点。半导体光电探测器是军用光电子设备和系统的关键器件，已广泛用于军事领域。军用光电子设备是指利用半导体光电探测器探测、变换、传输、存储、处理光和辐射的各种军事装置，半导体光电探测器技术在军事上的应用，大大扩展了作战的时域、空域和频域，影响和改变了传统的作战方式和效率，并在许多方面提高了武器的威力、作战指挥、战场管理能力。半导体光电探测器器件在新型武器系统中起着不可替代的作用。目前，半导体光电探测器已有很大进展，这将大大提高军用光电子装备的性能和竞争力。在军事领域中，最为广泛应用的半导体光电探测器是光电探测器（PD）、位敏探测器（PSD)和红外探测器。二、光电探测器最新进展近年来光电探测器的研究引起人们的重视，在标准CMOS工艺下的Si光电探测器的发展更是取得了瞩目的结果。2005是CMOS发表的量较大的时期，同时在这一阶段的光电探测器的发展也呈现逐年上升趋势，光电探测器的的应用范围也在逐步的扩大，为我们以后的研究开发奠定了一定的发展空间。在现在这个注重创新与节能的时代，光电探测器的有着不可替代的作用，在工业及军事等各个领域都有着广阔的发展前景。 2.1硅基光电探测器]1[

Ch6半导体光电子器件

6Semiconductor Detectors 6. Semiconductor Detectors A large variety of semiconductor materials, structures and devices are used as photodetectors in optical receivers. The most important for communications are: pn p i n and Schottk Barrier Photodiodes ?pn, p-i-n and Schottky Barrier Photodiodes ?Avalanche Photodiodes ?Metal-Semiconductor-Metal(MSM)Photodiodes Metal Semiconductor Metal (MSM) Photodiodes ?Photoconductors Equally important optical devices, but structurally completely q y p p,y p y different and not used for optical communications include: ?Charge-Coupled Devices (CCDs) ?CMOS Imagers ?Photocathodes ?Solar Cells Solar Cells

Optical Absorption Optical Absorption

Optical Absorption in Semiconductors p p g g The photon flux passing through an absorbing medium is Since the carrier collection regions are ≤1 μm, the absorption coefficient needs to b101hi hi h be ~104cm-1to achieve high efficiency, which only occurs for direct bandgap materials near di t b d t i l the bandgap. Basically want identical thermal and photon identical thermal and photon energies for generation.

《半导体光电学》课后习题

《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（，，）和P型半导体（，，）结构，并有，，，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 异质结结电容与所加正向偏压的关系，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、用半导体作为激射波长为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，当时, 能与很好的晶格匹配，试求出激射擅长为时的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 ,相对折射率2/n n ?(2n 为有源层的折射率)为，试设计的可见光半导体激光器，即求出有源层和限制层的合理组分. 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n 2=3.501. 两边限制层折射率n 1=n 3=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n 2=2.234 、n 1=2.214 、d=1um 和0λ=0.6328m μ. 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。

半导体光电子器件制作

《半导体光电子器件制作技术》课程编号：****** 课程名称：半导体光电子器件制作技术学分：1.5 学时:24 (其中实验学时：0) 先修课程：半导体物理一、目的与任务本课程是一门专业教育选修课，适合于光信息科学技术、电子科学与技术、测控技术与仪器等专业。本课程的目的是为光电信息工程，电子科学与技术，测控技术与仪器等专业的学生进入半导体制造和研究领域打下坚实的理论和实践基础。本课程的任务是通过半导体光电子芯片、器件及系统制造的工艺方法、工艺原理以及半导体制造新技术及发展趋势的学习，使学生掌握半导体光电子器件与系统的通用制备方法和过程以及相关基础理论知识。二、教学内容及学时分配第一章绪论(2学时) 1.光电子材料 2.光电子器件 3.工艺技术概述第二章晶体材料生长(3学时) 1.单晶硅的生长及氧化技术 2.砷化镓晶体的生长技术

3.氮化稼基晶体的生长技术第三章薄膜沉积技术(8学时) 1.薄膜技术概述 2.蒸发技术 3.溅射技术 4.外延生长技术 5.CVD技术 6.典型介质及金属制备技术第四章光刻和刻蚀(2学时) 1.光刻工艺原理 2.光学光刻工艺介绍 3.新一代光刻方法 4.湿法刻蚀 5.干法刻蚀第五章掺杂技术(2学时) 1.扩散工艺原理 2.基本扩散工艺 3.离子注入原理 4.注入相关工艺第六章典型光电子器件制作工艺(7学时) 1.CMOS工艺流程及制作步骤(2学时) 2.光电探测器的结构和制作(1学时) 3.发光二极管的结构和制作(1学时)

4.太阳能电池的结构与制作(1学时) 5.电致发光显示的结构和制作(2学时) 三、考核与成绩评定考核：统一命题，开卷成绩评定：考试占80%，平时作业及日常考核等占20%，按百分制给出最终成绩。四、大纲说明 1. 本大纲是根据我校电子科学与技术（光电子）、光电信息科学与工程、光电信息工程专业培养计划及其知识结构要求，并适当考虑专业特色而制定的。 2. 在保证基本教学要求的前提下，教师可以根据实际情况，对内容进行适当的调整和删节。 3. 本大纲适合光电类相关专业。五、教材、参考书：教材： [1](美)施敏, 梅凯瑞著，《半导体制造工艺基础》，合肥，安徽大学出版社，2007 参考书： [1](美)Michael Quirk, Julian Serda著，《半导体制造技术》，北京，电子工业出版社2004 [2]夏海良等编，《半导体器件制造工艺》，上海，上海科学技术出版社1986

半导体光电器件(科普)

半导体光电器件—信息时代的基石张永刚你知道什么是半导体光电器件吗？当你提起电话与远在天边的朋友侃侃而谈，交换着许多重要的和不重要的消息时，当你打开电脑去网上冲浪，贪婪地吸吮着各种有价值和没价值的信息时，半导体激光器、探测器、调制器、和光放大器等正默默地为你充当着忠实的信使；当你把光盘放进各种五花八门的机器中时，半导体激光器和探测器正作为你勤劳的仆人不厌其烦地取出那张塑料片上的信息，把它变成你想欣赏的电影、音乐和其他你想要的东西。人造卫星遨游在太空中，半导体红外探测器是它的千里眼，半导体太阳能电池为它提供着用之不竭的能源；我们眼前的五颜六色的世界也有半导体发光二极管的一份功劳。半导体光电器件的大家族中包含许多成员，他们有的能把电变成光，也有的能把光变成电，还有的能对光和电的信号进行各种处理和放大。半导体光电器件的工作波长是和制作器件所用的半导体材料的种类相关的。半导体材料中存在着导带和价带，导带上面可以让电子自由运动，而价带下面可以让空穴自由运动，导带和价带之间隔着一条禁带，当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时，就把光的能量变成了电，而带有电能的电子从导带跳回价带，又可以把电的能量变成光，这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。材料科学的发展使我们能采用能带工程对半导体材料的能带进行各种精巧的裁剪，使之能满足我们的各种需要并为我们做更多的事情，也能使半导体光电器件的工作波长突破材料禁带宽度的限制扩展到更宽的范围。半导体光电器件已经为我们做了很多，它还能为我们做些什么呢？光通信的发展需要新型的半导体光电器件随着信息时代的来到，人们对信息的追求已进入了如痴如醉的境地，而传输如此海量的信息，必然要占用越来越大的通信带宽。根据预测，未来25年中人们对通信带宽的需求将以每年增加三倍的速度增长，近年来网络通信需求的急剧膨胀，未来几年中对通信带宽的需求将每年增加十倍，靠什么样的技术才能支撑起增长如此迅速的通信带宽呢？

半导体光电探测器

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: [ 字体选择：大中小] 1148 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！ 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

半导体光电子材料

异质结构在能带结构和折射率上具有独特之处。前者为我们提供了能带结构上的各种势垒、势阱，从而能对半导体中的载流子产生电学限制作用；后者为我们提供折射率差，可以构成各种光波导波结构，从而能对半导体中的光波产生光学作用。正是几乎完全的载流子限制作用和几乎完全的光学限制作用，构成了半导体光电子器件的物理作用。异质结构为我们提供了一个新的可变参量——带隙，通过改变材料组分可以改变带隙的大小，再通过带隙的差别来裁剪能带结构，从而设计半导体的物理特性，进而研制出新型的半导体器件结构，最终实现我们所需要的电学或光学的特性。禁带宽度大、折射率小是半导体光电材料的特征。禁带大的材料能对禁带小的材料提供载流子限制作用，折射率小的材料能对折射率大的材料提供光学限制半导体——位于导带的电子同位于价带的空穴复合而发光。光的增益——载流子注入，电子-空穴对辐射复合，产生光光的损耗——载流子跃迁，自由载流子吸收在激光物质中，要想实现受激辐射的光放大，必须其内部增益足够大，足以克服激射物质的内部损耗和端面损耗。发光二极管是利用少数载流子流入PN结直接将电能转换为光能的半导体发光元件。发光二极管是一种把电能转换成光能的特殊半导体器件，它具有一个PN结。发光二极管发光（工作）原理：当加正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，和P区里的空穴复合；空穴则由P区注入到N区，和N区里的电子复合，这种电子空穴对的复合同时伴随着光子的放出，因而发光。电子和空穴复合，所释放的能量等于PN结的禁带宽度（即能量间隙）E g。所放出的光子能量用hν表示发光二极管基本结构：为了获得高辐射度，发光二极管常采用双异质结构。按光输出的位置不同，发光二极管可以分为边发射型和面发射型超辐射发光二极管：介于激光二极管和发光二极管之间，光功率大且相干长度短。超辐射发光是一种很接近激射、但还不是激光的光源。其结构类似激光器，但没有谐振腔，或尽量破坏掉激光器的谐振腔；其发射逼近收集振荡，但始终还未共振；其相位不一致，因而是一飞相干光源，或称相干长度短的光源。发光二极管的工作特性:（1）发射谱线和发散角：由于发光二极管没有谐振腔，所以它的发射光谱就是半导体材料导带和价带的自发发射谱线。由于导带和价带都包含有许多能级，使复合发光的光子能量有一个较宽的能量范围，形成较宽的自发发射谱线。同时，又由于自发发射的光的方向是杂乱无章的，所以LED输出光束的发散角也较大。（2）响应速度：发光二极管的响应速度依赖于载流子的自发复合寿命时间。通常在复合区采用高掺杂或使LED工作在高注入电流密度下，以减小载流子的寿命时间，从而提高LED的响应速度。（3）热特性：发光二极管的输出功率随结温的升高而减小。但由于它不是阈值器件，所以输出功率随结温呈缓慢的变化趋势。有源区里实现了粒子数反转以后，受激辐射占据主导地位，但是，激光器初始的光场来源于导带和价带的自发发射，频谱较宽，方向也杂乱无章。为了得到单色性和方向性好的激光输出，必须构成光学谐振腔，使满足横向谐振条件的频率成分得到加强，而其它的频率成分被消耗掉，从而形成稳定的激光振荡输出。在半导体激光器中，光学谐振腔通常采用两种方式形成：一种是用晶体天然的解理面形成法布里—珀罗谐振腔（F—P腔），当光在谐振腔中满足一定的相位条件和振幅条件时，建立起稳定的光振荡。这种激光器称为F—P腔激光器。另一种是利用有源区一侧的周期性波纹结构提供光耦合来形成光振荡，如分布反馈（DFB）激光器和分布布拉格反射（DBR）激光器。纵模频率是指在自发辐射谱内满足谐振条件，且损耗小于增益的频率。 F—P腔半导体激光器的结构：在F—P腔半导体激光器中，F—P腔的作用，首先使输出光的方向得到选择，使不能被反射镜面截获的、方向杂乱的光逸出腔外而损耗掉，能在谐振腔内建立起稳定振荡的光基本上是与反射镜面垂直方向的光。另外，要使光在谐振腔内建立起稳定的振荡，必须满足一定的相位条件和振幅条件，相位条件使发射光谱得到选择，振幅条件使激光器成为一个阈值器件。按照垂直于PN结方向的结构的不同，F—P腔激光器可分为同质结激光器、单异质结激光器、双异质结激光器和量子阱激光器同质结半导体激光器并不够理想。它的主要缺点是：1）激活区域宽，约为1个微米，所需要的工作偏压高；2）激活区域与两侧临近区的折射率近似相等，光波导效应不明显，光损耗大；这使得同质结激光器的阈值工作电流密度高，一般在2～4×104A/cm2范围。室温下只能以脉冲形式运转。为克服上述缺点，人们发明了双异质结半导体激光器 AlGaAs/GaAs双异质结（DH）激光器。窄带隙的有源区（GaAs）材料被夹在宽带隙的GaAlAs之间，带隙差形成的势垒对载流子有限制作用，它阻止了有源区里的载流子逃离出去。另一方面，双异质结构中的折射率差是由带隙差决定的，基本上不受掺杂的影响，有源区可以是重掺杂的，也可以是轻掺杂的。有源区里粒子数反转的条件靠注入电流来实现。由于带隙差所决定的折射率差较大（可达到5%左右），这使光场能很好的被限制。有源区为窄直接带隙的半导体材料，它夹在两层掺杂型号相反的宽带隙半导体限制层之间。有源层的带隙比限制层的带隙小，折射率比前者大，由此引起的禁带宽度不连续性和折射率不连续性，分别起着载流子限制和光限制的作用，将注入的自由载流子有效的限制在很薄的有源区中，从而为有效的受激辐射放大提供了有利的条件。载流子的限制作用和光子的限制作用使激光器的阈值电流密度大大下降，从而实现了室温下连续工作。目前光纤通信中使用的F—P腔激光器，均采用双异质结构异质结有源区厚度的减小是有利于降低阈值电流密度的。但是由于在太小的有源区厚度下，光波模式会发生截止，所以限制了有源区厚度的减小。为了进一步减小有源区厚度，同时又避免光波模式的截止，研究人员发明了分别限制异质结，以分别实现对光和载流子的限制。在整个PN结面积上均有电流通过的结构是宽面结构，只有PN结中部与解理面垂直的条形面积上有电流通过的结构是条形结构。条形结构提供了平行于PN结方向的电流限制，因而大大降低了激光器的阈值电流，改善了热特性。隐埋条形半导体激光器，这种结构不仅具有低阈值电流、高输出光功率、高可靠性等优点，而且能得到稳定的基横模特性，从而受到广泛的重视。分布布拉格反射DBR的结构及工作机理DBR激光器的腔体结构与F—P腔激光器不同，其基本原理是基于布拉格发射，布拉格发射是指在两种不同介质的交界面上，具有周期性的反射点，当光入射时，将产生周期性的反射，这种反射即称为布拉格发射。交界面本身可以取不同的形状：正弦波形或非正弦（如：方波、三角波等）分布反馈DFB激光器的结构及工作机理：DFB激光器的激光振荡不是靠F—P腔来实现，而是依靠沿纵向等间隔分布的光栅所形成的光耦合 DFB激光器的特点：（1）动态单纵模窄线宽输出：由于DFB激光器中光栅的栅距（A）很小，形成一个微型谐振腔，对波长具有良好的选择性，使主模和边模的阈值增益相对较大，从而得到比F—P腔激光器窄很多的线宽，并能保持动态单纵模输出。（2）波长稳定性好：由于DFB激光器内的光栅有助于锁定给定的波长，其温度漂移约为0.8?/℃，比F—P腔激光器要好得多。 DFB激光器工作特点：DFB-LD或DBR-LD 的高性能工作可归纳为以下的方面：窄线宽单模、动态单模且低啁啾、高功率输出、尽可能宽的波长可调谐范围垂直腔面发射激光器：它具有发散角小，单纵模工作，低阈值，动态调制频率高通常用于半导体量子阱的QW结构主要有三种类型，即多量子阱（MQW）、渐变折射率波导限制型单量子阱（GRIN—SCH—SQW）和带有超晶格缓冲层的渐变折射率波导限制型单量子阱（SLB—GRIN—SQW）。 QW激光器与一般的双异质结激光器相比，有一系列优越的特性：1）阈值电流很低2）谱线宽度窄，频率啁啾改善3）调制速率高由于有源区为量子阱结构，量子阱激光器具有新特点：（1）光子能量大于材料的禁带宽度（2）光谱的线宽明显变窄（3）高的注入效率，易于实现粒子束反转，增益大为提高。（4）温度稳定性大为改善。温度变化将改变激光器的输出光功率，有两个原因：一是激光器的阈值电流随温度升高而增大，二是外微分量子效率随温度升高而减小近场是指激光器反射镜面上的光强分布，远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。由于激光腔为矩形光波导结构，因此近场分布表征其横模特性，在平行于结平面的方向，光强呈现周期性的空间分布，称为多横模；在垂直于结平面的方向，由于谐振腔很薄，这个方向的场图总是单横模。光纤激光器与半导体激光器从原理上说，没有本质的区别。它一般也由三部分组成：激励源（泵浦源）、有源区（工作物质）、激光谐振腔。在光纤激光器中，工作物质根据激光器输出波长的要求，由不同的掺稀土杂质的特种光纤构成光照下改变自身的电阻率（当入射光子使电子由价带跃升到导带时，导带中的电子和价带中的空穴二者均参与导电，因此电阻显著减小，称为光敏电阻。光电二极管的频率特性响应主要由三个因素决定：(a)光生载流子在耗尽层附近的扩散时间；(b)光生载流子在耗尽层内的漂移时间；(c)与负载电阻R L并联的结电容C i所决定的电路时间常数。 PIN光电二极管结构P型层、I型层、n型层构成的半导体二极管 PIN光电二极管结构在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，生成一层掺杂极低的本征材料，称为I层。在外加反向偏置电压作用下，I层中形成很宽的耗尽层。CCD——电荷耦合器件，集光电转换、存储、自扫描转移、输出于一体的半导体非平衡态功能器件。