第3章半导体光电导器件

半导体光电器件的原理和性能分析半导体光电器件是一种将光信号转换成电信号或将电信号转换成光信号的器件。

随着光通信、激光雷达、激光制造等技术的快速发展，半导体光电器件也得到了广泛的应用。

本文将探讨半导体光电器件的原理和性能分析。

一、半导体光电器件原理半导体光电器件是基于半导体PN结、P-i-N结和MIS结构的器件。

其中，PN结是最简单、最常见的一种结构。

PN结是由P型半导体和N型半导体组成的结构。

P型半导体中存在大量的空穴，N型半导体中存在大量的自由电子。

在PN结中，因为P型半导体和N型半导体之间的电子互相扩散，形成了空间电荷区，即耗尽层。

这个耗尽层中，不仅不存在任何载流子，而且还存在一个内建电场，使得PN结的两侧产生电势差。

当光照射PN结时，能量被光子吸收，激发载流子。

如果光的能量大于材料的能隙，那么光就能产生免费电子和空穴对。

当这些免费电子和空穴穿过PN结的耗尽层时，就会因为内建电场的作用而分别向P型半导体和N型半导体移动。

这样，就形成了电流，即光电流。

除了PN结以外，P-i-N结和MIS结也被广泛应用于半导体光电器件中。

P-i-N结是在PN结的两端分别接了一个i型半导体的结构。

这样，相比于PN结，P-i-N结中的耗尽层更宽，响应速度更慢，但掺杂浓度更小，易于制作。

MIS结是将半导体与绝缘体摆放在一起，通过反漏电流来实现光电转换。

二、半导体光电器件性能分析半导体光电器件的性能取决于产品设计、材料选择、制造工艺等多个因素。

以下是对几个最为重要的性能参数的介绍。

1. 器件灵敏度器件灵敏度是指光电转换效率，即输入的光功率和输出的电流之间的比例关系。

灵敏度越高，光电转换效率越高，器件的性能越好。

灵敏度受到电子、空穴的寿命、载流子结合率、光衰等因素的影响。

通常，半导体光电器件的灵敏度随着光波长的增加而增强，随着工作温度的上升而降低。

因此，在进行器件选择时，需要根据实际应用的光源波长和工作温度，选择灵敏度较高的器件。

半导体光电器件的工作原理半导体光电器件是把光和电这两种物理量联系起来,使光和电互相转化的新型半导体器件。

光电器件主要有,利用半导体光敏特性工作的光电导器件,利用半导体光伏打效应工作的光电池和半导体发光器件等。

这一节中简略地向大家介绍一下这些光电器件的工作原理。

一、光电导器件本章第一节曾介绍过半导体材料的光敏特性,即当半导体材料受到一定波长光线的照射时,其电阻率明显减小,或说电导率增大的特性。

这个现象也叫半导体的光电导特性。

利用这个特性制作的半导体器件叫光电导器件。

半导体材料的电导率是由载流子浓度决定的。

载流子就是由半导体原子逸出来的电子及其留下的空位----- 空穴。

电从原子中逃逸出来,必须吉凶服原子的束缚而做功,而光照正是向电子提供能量,使它有能力逃逸出来的一种形式。

因此,光照可以改变载流子的浓度,从而必变半导体的电导率。

光电导器件主要有光敏电阻、光电二极管光电三极管等。

1.光敏电阻。

这是一种半导体电阻。

在没有光照时,电阻很大;在一定波长范围的光照下,电阻值明显变小。

制作光敏电阻的材料主要有硅、锗、硫化镉、锑化铟、硫化铅、硒化镉、硒化铅等。

硫化镉光敏电阻对可见光敏感,用硫化镉单晶制造的光敏电阻对X射线、Γ射线也敏感;硫化铅和锑化铟对红线外线光敏感。

利用这些光敏电阻可以制成各种光探测器。

感光面积大的光敏电阻,可以获得较大的明暗电阻差。

如国产625-A型硫化镉光敏电阻,其光照电阻小于50千欧,暗电阻大于50兆欧。

2.光电二极管光电二极管的管芯也是一个PN结,只是结面积比普通二极管大,便于接收光线。

但和普通二极管不同,光电二极管是在反向电压下工作的。

它的暗电流很小,只有0 1微安左右。

在光线照射下产生的电子----空穴对叫光生载流子,它们参加导电会增大反向饱和电流。

光生载流子的数量与光强度有关,因此,反向饱和电流会随着光强的变化而变化,从而可以把光信号的变化转为电流及电压的变化。

光电二极管主要用于近红外探测器及光电转换的自动控制仪器中,还可以作为光导纤维通信的接收器件。

半导体光电器件类别随着科技的飞速发展，半导体光电器件作为光电子技术的重要组成部分，已经在各个领域展现出了巨大的应用潜力。

本文将从半导体光电器件的基本原理、主要种类以及应用领域等方面进行介绍和分析。

一、基本原理半导体光电器件是利用半导体材料的光电效应将光信号转换为电信号或者将电信号转换为光信号的器件。

其基本原理是光子的能量被半导体材料吸收后，使得材料内的电子从价带跃迁到导带，形成电子空穴对。

通过适当的结构设计，可以将电子空穴对分离，并引导电子或空穴经过外部电路，从而产生电信号。

反之，当外部电信号通过器件时，也可以通过适当的结构将电信号转换为光信号的形式输出。

二、主要种类半导体光电器件的种类繁多，根据其工作原理和功能可以分为以下几类：1. 光电二极管：光电二极管是最简单的光电器件，其结构类似于常见的二极管。

当光照射到光电二极管上时，光子的能量被半导体材料吸收，产生电流。

光电二极管常用于光电转换、光电检测等应用中。

2. 光电导：光电导（Photocoductor）是一种能够在光照射下改变电阻的器件。

其基本原理是光照射到光电导材料上时，光子的能量被吸收，使得材料的电导率发生变化。

光电导器件广泛应用于光电传感、光电控制等领域。

3. 光电晶体管：光电晶体管是一种能够通过光照射控制电流放大的器件。

其结构类似于普通的晶体管，但在基极和发射极之间增加了一个光敏区域。

当光照射到光电晶体管的光敏区域时，光子的能量被吸收，使得光电晶体管的电流放大倍数发生变化。

光电晶体管常用于光电放大、光电开关等应用中。

4. 光电阻：光电阻是一种能够根据光照射强度改变电阻的器件。

其基本原理是光照射到光电阻材料上时，光子的能量被吸收，使得材料的电阻发生变化。

光电阻器件广泛应用于光敏电路、光敏控制等领域。

三、应用领域半导体光电器件在现代科技中的应用非常广泛，涉及到通信、传感、显示、能源等多个领域。

以下是一些典型的应用领域：1. 光通信：半导体光电器件在光纤通信中起着至关重要的作用。

光电⼦技术复习提纲（含标准答案）要点第1章绪论1.半导体光电器件是利⽤什么效应制作的器件？答：利⽤半导体光电效应制成的器件。

2.半导体光电器件是哪两种粒⼦相互作⽤的器件？答：是⼀种利⽤光⼦与电⼦相互作⽤所具有的特性来实现某种功能的半导体器件。

3.半导体发光器件主要包括哪两种？答：（1）发光⼆极管；（2）半导体激光器。

4.光电器件主要有利⽤哪些效应制作的器件？答：光电器件主要有利⽤半导体光敏特性⼯作的光电导器件，利⽤半导体光伏打效应⼯作的光电池和半导体发光器件等。

5.什么是半导体发光器件？答：利⽤半导体PN结正向通过电时载流⼦注⼊复合发光的器件称为半导体发光器件。

6.光电探测器件是如何转换信号的器件？答：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。

7.光电检测器⼯作在反向偏置状态。

8.光电池是利⽤什么效应制作的？答：光伏打效应。

9. 光纤通信的两个重要窗⼝是哪些？答：1.55um和1.3um。

第2章1. 光信号的频率在哪个频段？需要⽤什么器件检测？答：光信号的频率在1014 Hz以上，常⽤的电⼦器件⽆法对这⼀频率段产⽣良好的响应，必须使⽤光电⼦器件。

2. 常⽤的光电检测器：PIN、APD3. 光电检测器的⼯作过程？答：光电检测器件的⼯作过程：（1）光吸收——（2）电⼦-空⽳对产⽣——（3）载流⼦扩散和漂移——（4）检测4. 光信号（光束）⼊射到半导体材料后，如何产⽣电⼦空⽳对？答：光信号（光束）⼊射到半导体材料后，⾸先发⽣的过程就是半导体材料对光⼦的吸收，吸收光⼦以后才能产⽣价带电⼦的跃迁，从⽽产⽣电⼦空⽳对。

5. 半导体材料中的吸收过程可以分为哪两⼤类？答：本征吸收和⾮本征吸收6. 本征吸收⼜包括哪些？答：（1）直接吸收；（2）间接吸收7. ⾮本征吸收包括哪些？答：（1）激⼦吸收；（2）带内吸收；（3）杂质吸收8．本征吸收的必要条件？9.直接吸收中参与的粒⼦是什么？遵守哪两种守恒？答：只有电⼦和光⼦的参与，没有第3种粒⼦的参与。

半导体光电器件半导体光电器件是现代光电子科技领域中的重要技术基础，它涉及到半导体物理、光学、材料科学等多个交叉学科的研究，是导体电子技术发展的重要里程碑。

其中既有常用之如发光二极管、光电二极管等；也有新型的光电效应半导体设备如光伏电池、LED灯等，是现代信息传输和显示技术的核心。

一、发光二极管发光二极管（LED）是一种能将电能转化为光能的半导体电子器件。

其基本物理原理是通过半导体材料中的载流子复合，使得高能级的电子能级通过向低能级跃迁时发出光子（照明）。

LED具有效率高、体积小、寿命长和光色纯度高等优点。

在照明、显示、光电转换、温度测量等领域能广泛应用。

二、光电二极管光电二极管是应用了光电效应的一种半导体器件，它能够将光能转化为电能。

它的基本物理原理是由外部光束照射到半导体材料时，使得半导体中的电子从价带跃迁到导带形成电子-空穴对，从而使得半导体中产生电流。

光电二极管的主要应用领域包括照相机、光学传感、遥控器等等。

三、光伏电池光伏电池即太阳能电池，能够将光能直接转化为电能。

它的物理原理是通过两种或者多种异质型半导体材料的PN结接触面上形成的空间电荷区，在光照条件下产生出载流子，然后由于电场的存在，使得这些载流子产生了定向运动，从而产生了光生电流。

太阳能电池在环保能源、探索外太空、无线电源供给等领域得到了广泛应用。

四、光导纤维光导纤维是一种光电材料，具有将光与电信号无损传递的特性。

其基本原理是利用全反射的过程将光信号传输过度，可实现信号无衰减传输。

在通信领域，光纤是传输速率高、传播距离远、抗干扰性强、信息丰富等优点，被广泛应用于远程信息传输领域。

总结，半导体光电器件是一类利用半导体材料的光电效应，将光和电相互转换的器件。

它们不仅在科学实验、生产生活、国防建设等多个方面发挥巨大作用，更以其高效、环保、长寿命等优点得到了广泛认可和应用。