半导体光电器件原理及参数简介

半导体光电器件原理及参数简介

半导体光电子器件包括将电能转换成光能的发光器件和将光能转换成电能的光电探测器件。光电器件种类很多，发光器件有发光二极管（ＬｉｇｈｔＥMｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ，简称ＬＥＤ）、半导体激光器（ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ，简称ＬＤ）等，光电探测器件有光电二极管或称光敏二极管（ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ or ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅｄｉｏｄｅ）、太阳电池（ｓｏｌａｒｃｅｌｌ）等。它们与集成电路的结合出现了各种光电耦合器件，智能显示器件，专用光传感器，电荷耦合摄像器件，各种光电子模块等等。半导体光电器件广泛地应用在光通信、激光、数字图像显示、自动控制、计算机、国防等领域，在２１世纪将获得更迅速的发展和更广泛的应用。

１．物理基础

● 电子、空穴与能带

半导体是由大量原子组成的晶体，由于原子之间距离很近，相邻原子上的电子轨道将发生一定程度的交迭，电子不再属于某个原子而可以穿行于整个晶体，由此导致了原子能级分裂为能带。以最常用的半导体硅为例，硅的最外层有４个价电子，每个硅原子近邻有４个硅原子，这样每两个相邻原子之间有一对电子，它们与两个原子核都有吸引作用，称为共价键。它们所处的能带为价带，比价带能量更高的能带是导带，它们中间隔着不允许存在的能量状态区域称为禁带。当共价键内的束缚电子获得足够能量（例如热能，光能），可以摆脱共价键的束缚成为自由电子，我们称此时价带中的电子跃迁到了导带。电子跃迁后，在原来的位置上留下了一个空位—“空穴”，邻键上的电子随时可以转移过来填补这个空位，共价键中这种束缚电子的移动用“空穴”的移动来表示。自由电子和空穴都能参与导电，统称为载流子。

● 电子跃迁与吸收波长、发光波长

电子的跃迁是和能量的交换分不开的。电子必须吸收能量才能从低能级跃迁到高能级，电子从高能级跃迁到低能级则必须放出多余的能量。电子跃迁过程中交换的能量若是热运动的能量，称为热跃迁，若是光的能量，称为光跃迁。半导体光电器件的原理就是基于光跃迁的。

电子作光跃迁的过程中，光的吸收和发射都是取光子的形式。光子的能量由光的频率ν或

波长λ决定：

光子能量＝ｈ=

其中普朗克常数ｈ＝４．１４×１0－15电子伏·秒（ｅＶ·ｓ），光速

ｃ＝２．９９８×１014微米／秒（μm／ｓ），电子由价带跃迁到导带需要吸收的光子能量必须等于或大于禁带宽度（或称带隙）Ｅｇ，所以可以从带隙换算出相应吸收光的光子波

长：

ｈ=≥Eg,∴λ≤

若以ｅＶ，μM作为能量和长度的单位，则吸收波长：

λ［μm］≤

光的发射与吸收实际上是逆过程，电子从导带跃迁到价带放出的光子能量必须等于或小

于

Ｅｇ，同样地可以推得发光波长：

λ［μm］≥

在半导体中，电子在导带和价带之间的跃迁为本征跃迁，也可以通过位于禁带之中的杂质能级跃迁。不同半导体材料的能带结构有差别，价带顶和导带底在自由电子波矢量ｋ空间中处于同一ｋ值的为直接带隙，不在同一ｋ值的为间隙带隙。对直接带隙半导体，电子在导带极小和价带极大之间的跃迁可以直接进行，这种跃迁几率大大于后者，因为后者的跃迁需要有声子的参与。直接带隙半导体材料有ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＮ，ＩｎＮ，ＧａＳｂ 等和所有Ⅱ—Ⅵ族化合物半导体，间接带隙半导体材料有Ｓｉ，Ｇｅ和Ⅲ—Ⅴ族化合物中 Ｇａ

Ｐ，ＡｌＰ，ＡｌＡs等。

● 光电器件对制备芯片材料的要求

光电器件工作的光波长通常在可见光、红外光、紫外光范围，它们对半导体材料主要有以下

要求：

①带隙合适。如果带隙不合适可采用多元合金（或称混晶），改变其元素组分值可将带隙调节到所需要的范围。例如可见光的波长限为３80ｎM（紫光）～７６0ｎM（红光），相对应的带隙为３．２６～１．６３ｅＶ，若选用ＧａＡｓ来制备红色ＬＥＤ是不行的，因其带隙Ｅｇ为１．４３ｅＶ，只能发近红外光，可用Ｇａ0．65Ａｌ0．35Ａｓ三元合金（Ｅｇ为

１．８８ｅＶ）来制备。

②晶体质量优良。晶体杂质、缺陷少，可以提高少数载流子寿命，从而提高发光或探测效

率。

③能通过掺杂形成高电导率的ｐ型和ｎ型，以便制成ｐｎ结。

④为了提高发光或探测效率，应尽量采用电子跃迁几率大的直接带隙半导体，如ＧａＡｓ。对间接带隙半导体要掺入等电子陷阱杂质，以形成发光几率大的高浓度发光中心，如ＧａＰ中掺入Ｎ，Ｚｎ-Ｏ对等，通过杂质的跃迁发光。

２．发光二极管的原理和参数

发光二极管用ＧａP，Ｇａ1-xＡｌxＡｓ，ＧａＡｓ1-xＰx，ＧａＡｓ等半导体材料制备，管芯通常采用ｐｎ结结构。发光二极管在正向偏置电压下工作。当ｐｎ结加上正压，将发生注入，注入的少数载流子与多数载流子发生复合，即电子从高能级跃迁到低能级，必将放出多余的能量——相应波长的光。图６．２-９是发光二极管在正偏ＶF工作时的能带示意图。

发光二极管的参数分为极限参数、电参数、光参数和效率参数等。

下面介绍经常用到的主要参数：

①极限参数

● 极限功耗ＰM：它表明发光二极管能承受的最大电功率。ＰM为最大正向工作电流ＩFM 与此时的正向压降ＶF的乘积，即ＰM＝ＩFM·ＶF。当ＬＥＤ工作时，ｐｎ结会发热，而ｐｎ结允许的结温通常为１00℃，ＰM就是以此为临界温度推算出来的。

● 反向电压ＶＲ：它是发光二极管两端能施加的最大反向电压值。在交流工作时，交流电压峰值应小于ＶＲ（一般为４～５Ｖ）。注意不能轻易测量反向击穿电压，因为此类材料的ｐｎ结一旦出现反向击穿就损坏或软性损坏。需要测时，反向电流一般控制为小于１0μＡ。

②电参数

● 正向工作电流ＩF：为正常工作时流过ｐｎ结的正向电流值。在实际使用中，根据需要选

择其大小，其上限不超过ＩFM的６0％。

● 正向工作电压ＶF：一定的正向电流（如ＩF＝１0mＡ）所对应的电压，不同的芯片材料

稍有差异，对可见光发光二极管，一般在１．４～３Ｖ范围。

● 反向漏电流ＩＲ：用以衡量ｐｎ结性能好坏，一般在反向电压４Ｖ时，ＩＲ小于１0μＡ。

③光参数

● 发光强度ＩＶ：指法向发光强度。单位为坎德拉（ｃｄ），ＬＥＤ发光强度一般为毫ｃｄ。（波长为５５５nm的单色光源在给定方向辐射强度为１／６８３瓦每球面度时，称此单色光源在该方向上的发光强度为１坎德拉。）

● 发光峰值波长λｐ：由材料的带隙或发光中心的能级位置决定，它决定了发光颜色。

● 光谱半宽度Δλ：标志光谱纯度，可以用来衡量材料中对发光有贡献的能量状态离

散程度。

④效率参数

● 发光效率（或称视感效率）η0：η0是器件在单位电功率Ｐｔ作用下输出的光通量Φ

η0=[ｌm／Ｗ］

● 外量子效率ηｅ：定义为器件发出的光子数与注入电子数之比，可以推出：

ηe=

式中，λp、Ｋ、Ｉ、Φ、ｃ、ｈ、ｑ分别为峰值波长、光视效能（Ｋ=,其中Ｐ0为发出的

光功率）、工作电流、输出的光通量、光速、普朗克常数和电子电荷。

几种常用ＬＥＤ的材料和效率参数见表Ⅰ。

两种ＬＥＤ（红、绿）的技术参数见表Ⅱ。

表Ⅰ几种LED的材料和效率参数

表Ⅱ两种可见光发光二极管技术参数

表Ⅲ几种光电二极管技术参数

３．光电二极管的原理和参数

光电探测器（ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ）的结构种类很多。最常用的有光电导型（光照产生的光生载流子改变半导体的电导率）和光伏型（光照产生的电子、空穴在内建电场的作用下产生光生电压）。光电二极管是光伏型中的一种，它是由ｐｎ结构成的。根据探测不同波长的光，选用不同带隙的半导体材料来制备。探测器在反向偏压（或零偏压）下工作。当光电二极管受光照射后，价带内的电子受到一定能量的光子激发进入导带，在价带中产生相同数量的空穴。这些光生电子—空穴对在ｐｎ结内建电场作用下移动到ｐｎ结两端，产生光生电压。若将ｐｎ结外接负载回路，则会形成光生电流。图６．２-１0是光电二极管反偏

工作时的能带示意图。

光电二极管的主要参数：

● 响应度Ｒ（或灵敏度Ｓｎ）：Ｒ（或Ｓｎ）＝ＩP／Ｐ0［μＡ／μＷ］，表示单位光功

率Ｐ0照射下产生的光生电流ＩP。

● 暗电流ＩD：无光照射时，在反向偏压下的漏电流。ＩD越大，器件的噪声越大。

● 响应时间Ｔ：反映光电二极管输出的电信号随光信号变化的快慢。它与材料、结构、工作电压及外电路负载ＲL有关。它决定了器件的工作频率范围。几种近红外（用于遥控器）

及光通信波长范围的光电二极管见表Ⅲ。