半导体光电子器件

**章 半导体材料的光学性质与光电现象 1 1.1 光子特性及半导体的光学参数 1 1.1.1 光子特性 1 1.1.2 光子的动量和能量 3 1.1.3 光的传播速度与折射率 3 1.1.4 光的折射与透射 4 1.2 半导体的光吸收机制 5 1.2.1 光吸收系数 6 1.2.2 本征吸收 7 1.2.3 其他吸收 9 1.3 半导体的光发射机制 11 1.3.1 本征跃迁与非本征跃迁 11 1.3.2 辐射复合 13 1.3.3 非辐射复合 15 1.3.4 发光效率 16 1.4 半导体中光子与电子相互作用的物理过程 16 1.4.1 半导体中光子和电子相互作用的物理过程 16 1.4.2 爱因斯坦关系 18 习题 20 第二章 半导体光电子器件的物理基础 21 2.1 pn结的物理基础 21 2.1.1 pn结的形成 21 2.1.2 平衡pn结的空间电荷区与自建电场 22 2.2 非平衡pn结 26 2.2.1 非平衡突变pn结电场分布 26 2.2.2 非平衡突变pn结空间电荷区宽度 27 2.2.3 非平衡线性缓变pn结电场分布 28 2.2.4 线性缓变pn结空间电荷区宽度 28 2.3 非平衡pn结的能带结构和载流子分布 29 2.3.1 非平衡pn结的能带结构 29 2.3.2 非平衡pn结的载流子分布 29 2.4 pn结的直流电学特性 31 2.4.1 pn结的电流电压(IU)方程 31 2.4.2 pn结注入电流比 33 2.4.3 非理想pn结电流电压(IU)方程 34 2.5 pn结电容 35 2.5.1 pn结势垒电容 35 2.5.2 pn结扩散电容 37 2.6 pn结击穿 38 2.6.1 pn结热击穿 38 2.6.2 pn结隧道击穿 39 2.6.3 pn结雪崩击穿 40 2.7 金半接触 43 2.7.1 金半接触的能带结构 43 2.7.2 肖特基接触的伏安特性 45 2.7.3 欧姆接触 46 2.8 MIS结构 48 2.8.1 表面态 49 2.8.2 MIS的能带结构 49 2.8.3 深耗尽状态 52 2.9 异质结 53 2.9.1 异质结的能带结构 54 2.9.2 异质结接触电势差与势垒电容 55 2.9.3 异质结的伏安特性 56 2.9.4 量子阱与超晶格 58 习题 60 第三章 半导体太阳能电池 62 3.1 太阳光谱与大气光学质量 62 3.1.1 太阳光谱 62 3.1.2 大气光学质量 64 3.2 半导体太阳能电池的基本结构 67 3.2.1 半导体的光伏效应 67 3.2.2 太阳能电池的基本结构 68 3.3 半导体太阳能电池的基本参数 71 3.3.1 短路电流与开路电压 71 3.3.2 太阳能电池转换效率 73 3.4 半导体太阳能电池的等效电路 76 3.5 半导体太阳能电池的光谱响应以及相关特性与效应 78 3.5.1 半导体太阳能电池的光谱响应与吸收特性 78 3.5.2 半导体太阳能电池的温度特性与辐照效应 82 3.5.3 半导体太阳能电池的光衰减效应 84 3.6 半导体太阳能电池性能提高的措施 86 3.6.1 半导体材料因素影响 87 3.6.2 串联与并联电阻影响 88 3.6.3 外部因素影响 89 3.6.4 制造技术因素影响 90 3.6.5 Si太阳能电池存在的问题及应对措施 92 3.7 新型异质结太阳能电池的结构 92 3.7.1 GaAs太阳能电池的结构 93 3.7.2 GaN太阳能电池的结构 97 3.7.3 HIT太阳能电池的结构 99 习题 100 第四章 半导体光电探测器件 101 4.1 光电导效应与器件的基本结构 101 4.1.1 光电导效应 101 4.1.2 光电导器件的基本结构 102 4.1.3 光电流与暗电流 103 4.2 光电探测器的基本参数 105 4.2.1 光电导与光电流灵敏度 105 4.2.2 光电导量子效率与增益 106 4.2.3 光电导弛豫 108 4.2.4 常见的光电导材料 111 4.3 光电探测器的噪声来源和参数 112 4.3.1 噪声来源 112 4.3.2 噪声参数 115 4.4 光电二极管的基本结构与工作机制 116 4.5 光电二极管的等效电路 119 4.5.1 光电二极管的直流等效电路 119 4.5.2 光电二极管的交流等效电路 120 4.5.3 光电二极管的静态工作点 121 4.6 pin型光电二极管 123 4.6.1 pin型光电二极管的结构 123 4.6.2 pin型光电二极管的电场分布 125 4.6.3 pin型光电二极管的量子效率 126 4.7 异质结与肖特基光电二极管 129 4.7.1 异质结光电二极管 129 4.7.2 肖特基光电二极管 130 4.8 雪崩光电二极管 131 4.8.1 雪崩光电二极管的工作机制 131 4.8.2 雪崩光电二极管的倍增因子(系数) 133 4.8.3 雪崩光电二极管的信噪比 134 4.9 光电晶体管和光敏场效应管 136 4.9.1 光电晶体管 137 4.9.2 光敏场效应管 138 4.9.3 色敏光电二极管 138 习题 140 第五章 半导体光电耦合器件 141 5.1 CCD的基本结构 141 5.2 CCD中电荷的存储与转移 142 5.2.1 电荷存储 142 5.2.2 电荷转移 143 5.3 CCD中电荷的注入与检测 145 5.3.1 电荷的光注入 145 5.3.2 电荷的电注入 146 5.3.3 电荷的检测(输出) 148 5.4 CCD的性能参数 150 5.4.1 电荷转移损失率 150 5.4.2 工作频率 151 5.5 CCD电极的基本结构 152 5.5.1 降低电极间势垒的结构 153 5.5.2 简化驱动电路的结构 154 5.6 电荷耦合摄像器件 156 5.6.1 工作原理 156 5.6.2 CCD的基本特性参数 161 5.6.3 CCD在信号处理领域的应用 163 5.7 CMOS图像传感器 164 5.7.1 CMOS图像传感器的独特优势 164 5.7.2 CMOS图像传感器像素单元的基本结构 165 5.7.3 CMOS图像传感器系统的结构 169 习题 170 第六章 半导体发光器件 171 6.1 半导体发光二极管(LED)的结构 171 6.1.1 LED的优势 171 6.1.2 LED的结构与原理 172 6.1.3 LED的分类 174 6.1.4 LED的光谱 174 6.2 白光LED 176 6.2.1 GaN基蓝光LED 176 6.2.2 几种常见的蓝光LED结构 177 6.2.3 几种常见的白光LED结构 178 6.2.4 异质结LED结构 180 6.3 LED的性能 181 6.3.1 发光效率 181 6.3.2 伏安特性 183 6.3.3 正向电流与亮度的相关性 184 6.4 LED封装与应用 184 6.4.1 LED封装 184 6.4.2 LED的出光效率 186 6.4.3 发光二极管的驱动 187 6.4.4 电压越限报警 188 6.5 半导体激光器的工作机制 189 6.5.1 二极管激光器的基本结构 190 6.5.2 二极管激光器的工作机制 191 6.6 半导体激光器的工作条件 192 6.6.1 有源区内粒子数的反转分布 192 6.6.2 有源区光子限定 194 6.6.3 激光振荡(光谐振) 195 6.7 半导体激光器的主要参数 196 6.7.1 阈值增益 196 6.7.2 阈值电流密度 197 6.7.3 量子效率 201 6.7.4 激光器谐振腔损耗与光波调制 202 6.8 异质结半导体激光器 203 6.8.1 异质结半导体激光器的基本结构 203 6.8.2 量子阱激光器 206 6.8.3 半导体激光器的应用 206 习题 207 参考文献 209