半导体光电子器件是指利用半导体光-电子(或电-光子)转换效应制成的各种功能器件。这一类别包括
发光二极管(LED)和激光二极管(LD)、光电探测器或光电接收器、
太阳电池等多种类型。这些器件的设计原理是依据外场对导波光传播方式的改变,区别于早期人们袭用的光电器件,后者主要关注光能量的接收和转换。随着半导体激光器的问世,光电子器件的应用领域从被动式转向主动式,特别是在光通信和光信息处理等方面发挥重要作用。
历史沿革
自19世纪末起,科学家们就开始研究半导体硒中的光电现象。尽管硒光电池的出现早于
晶体管约80年,但由于当时对半导体的认识有限,相关研究进展缓慢。到了20世纪30年代,对半导体基本物理特性和光学性质的研究为半导体光电子器件的发展奠定了物理基础。1962年,R.N.霍耳和M.I.内森成功研制出注入型半导体激光器,极大地推动了光电子学的发展。
物理原理
半导体光电子器件的基本物理过程涉及能带论的概念。在常温下,半导体中的价带被价电子填满,而
导带为空,两者之间由禁带隔开。在这种状态下,半导体的导电性较差,只有导带中的电子或价带中的
空穴能够在外场作用下参与导电。此外,半导体中的
光电效应可分为内光电效应和外光电效应两种形式。前者指价带中的电子吸收能量大于禁带宽度的光子后跃迁至导带,产生光电导;后者则是指半导体中的电子吸收高能光子后被激发成为热电子,可能逸出体外成为自由电子的过程。
分类
发光二极管(LED)和激光二极管(LD)
发光二极管和激光二极管都是将电能转化为光辐射的电致发光器件。发光二极管具有较大的发散角和宽广的光谱范围,使用寿命长,可靠性高,调制电路简单,成本较低,广泛应用于通信系统、显示屏和自动控制系统等领域。激光二极管则因其光谱窄、发散角小、方向性强、色散小等特点,自1962年首次研制成功后得到了快速发展,广泛应用于大容量、长距离的光纤通信系统及光电
集成电路。然而,激光二极管的温度特性较差,寿命短于
发光二极管。
光电探测器或光电接收器
光电探测器或光电接收器是通过电子过程探测光信号的器件。它们能够将照射在其表面的光信号转换为电信号,如PIN
光电二极管和
雪崩光电二极管(APD),在现代光纤通信系统中有广泛应用。
太阳电池
太阳电池是将光辐射能转换为电能的器件。1954年,利用硅PN结首次研制出了太阳电池。这种电池能够高效地将阳光直接转换为电能,提供持久且低成本的电力供应,且无污染,是最清洁的能源之一。根据不同结构,太阳电池的效率可达5%至20%。
器件分类
光电子器件可根据其结构特点分为体光电子器件、正反向结光电子器件、异质结和多结光电子器件四类。每种类别的器件都有其独特的物理特性,可用于不同的应用场景。
体光电子器件
体光电子器件结构简单,半导体材料吸收能量大于禁带宽度的
单射光子,激发出非平衡电子-
空穴对,产生光电导。这些器件已在军事上获得了广泛应用。
正向结光电子器件
正向结光电子器件在正向大偏置下,PN结结区附近会注入大量非平衡载流子,利用复合发光效应可制成多种颜色的
发光二极管。这些器件功耗低、体积小、寿命长,已逐渐取代真空管。
反向结光电子器件
反向结光电子器件中,PN结内的电荷转移会在结区建立强内场,导致能带弯曲,形成PN结势垒。光生载流子扩散入结区后会被内场扫向两侧,构成光生电流。此类器件包括
硅光电池和光敏二极管,后者广泛用于光检测。
异质结光电子器件
异质结光电子器件是60年代以来发展的新技术,通过外延生长技术将不同半导体单晶薄膜结合在一起,形成了异质结或异质结构。这种结构具有新的电学特性,如单向注入特性、载流子定域限制效应、负电子亲和势等,以及光学上的窗口效应、光波导特性等。异质结光电子器件不仅提高了原有器件的性能,还开发了许多新功能器件,如量子阱激光器、双稳态光器件等。
多结光电子器件
多结光电子器件可以根据器件功能需求,连续生长两个以上的多层异质结。这种器件既可以是二端工作的,也可以是三端或多端的。例如,AlGaAs/GaAsPNPN负阻激光器是一种多结二端器件,它集成了普通PNPN闸流管和双异质激光器的功能。光
晶体管是一种多层双结三端器件,也是一种有内部电流增益的光电探测器。最典型的多结器件是量子阱激光器,它的有源区由多层超晶格材料构成,能够在一定程度上克服半导体激光器能带工作的弱点。
应用前景
半导体激光器尤其是室温连续波工作的双异质结激光器的出现,标志着光电子器件的应用领域从被动式应用时期进入主动式应用阶段。光通信是光
电子学取得的重大成就之一,具有低损耗、大容量、强保密性和抗电磁干扰的特点,已成为现代社会不可或缺的一部分。此外,光电子器件还在
计算机中的相干光存储和激光读出技术中发挥了重要作用。双稳态光学器件的研究引起了人们对光计算机的关注,未来有望在计算机中采用光传输技术来提高运算速度。