半导体的光、热、磁效应

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1、1半导体中的电子状态2半导体中载流子的统计分布3载流子输运与导电4非平衡载流子5p－n结6金属和半导体的接触7半导体表面与MIS结构8半导体半导体表面与异质结MIS结构9半导体的光、热、磁效应9半导体的光、热、磁效应本节内容提要半导体光电效应及典型器件半导体热电效应及典型器件半导体霍尔效应与磁阻效应49.1半导体光电效应及典型器件光电效应光电探测器、光伏光能电能发光、激光二极管•光电探测器(PD)：光敏电阻、pn结光电二极管（还有pin光电二极管、雪崩光电二极管、光电晶体管等）•光伏(PV)：太阳能电池（pn结，肖特基结，

2、异质结）•电致发光：发光二极管LED、激光二极管LD5光子与电子相互作用时的主要物理过程透明还是吸收？条件？PD和SolarCellLED(非相干过程)LD(相干过程)6光探测器主要材料的吸收特性71.半导体光电探测器1.1光电导与光敏电阻非平衡多数载流子△n=n－n0n0Ec光照产生非平衡载流子w≥Eg△n和△p电子空穴成对产生Evp0△p=p－p0非平衡少数载流子8光电导∆??——光照引起半导体载流子浓度增大，使得电导率增加•利用光电导效应制作光敏电阻，其电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，是最为简单的光电探测器。•光电导

3、灵敏度一般定义为单位光照强度所引起的光电导。9•光电导灵敏度一般定义为单位光照强度所引起的光电导。单位体积内光子的吸收率∆=σqIβα(µτnn+µτpp)光生载流子寿命越大，灵敏度越高，但响应速度会因大的载流子寿命而降低。实际应用中，即要求灵敏度高，又要求响应速度快，必须根据实际要求选用适当的材料来折衷。101.2用于光电探测的光电二极管光电二极管和普通二极管一样，也是由半导体pn结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。工作模式：pn结施加反向偏压反向偏

4、压时p区势垒高度上升势垒区变宽•没有光照时，反向电流极其微弱（暗电流）•有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的变化引起光电二极管电流变化，光的强度越大，反向电流也越大。2.半导体的光生伏特效应（以pn结为例）太阳光p区空间电荷区n区光照产生非子++++++++++++光生电压V++++内建电场光生电流IL由于pn结势垒区内存在内建电场，光生载流子受该场的作用，各自向相反方向运动：•p端电势升高，n端电势降低，形成p区指向n区的光生电压（光生伏特效应）•pn结内部形成自n区指向p区的光生电流IL开路时，I=ILF两

5、端建立起稳定的电压Voc光生电流ILp端电势升高，n端电势降低，形成p区指向n区的光生电压——正偏，正向电流IF无光照（零偏）光照（正偏）13太阳光p区空间电荷区n区光照产生非子++++++++++++光生电压V++++内建电场光生电流IL开路时，IL=IF，Voc光生电压（相当于正偏）会产生IF短路时，IF=0，IL=Isc实际工作时，对外电路进行供电，回路电流I=I−IRLFRV

6、−1（V是光生电压）kT0IRIR=IL−IFqV负载电阻上的电流与电压关系IR=IL−ISexp−1kT0kTI0L开路时，I=I,I=0，V=V=ln(+1)LFRocqIS短路时，I=0,I=I=IFRscL16kTI0LV=ln(+1)ocqIS•开路电压V：随光强增强而增大，但oc增大到pn结势垒qV消失时达到饱和VDmax(光生电压起正偏作用！)•短路电流I：随光照强度线性上升sc17(3)光伏电池伏安特性及光电转换效率qV暗特性I=ISexp−1IkT0

7、VocqVI明特性I=Iexp−1−IscSLkT0（V是外加电压）VP(最大输出功率）max光电转换效率(PCE)η=×100%P(入射光功率)inPI×V填充因子FF=max=maxmaxI×VI×VscocscocI×V×FFscocη=×100%Pin183.半导体发光二极管发光二极管LED通常由Ⅲ-Ⅳ族化合物制备而成，正偏，如GaAs（红光）、GaP（绿光）、GaN(蓝光），其核心是PN结（异质结）少子注入，与多子复合而发光应用：显示、照明、光源器件（短距离低速率光纤通信系统）等19在正

8、向电压，少子注入——电子由n区注入p区扩散时与多子复合而发光（辐射复合）——空穴由p区注入n区•核心过程为自发辐射（直接跃迁/通过杂质对跃迁）•光子不相干：方向不同，相位随机•光的峰值波长λ与发光区域。的半导体材料禁带宽度Ｅg有关，即λ≈1240/Eg20•光仅