Właściwości optyczne

DVD player

Passive Optical
Devices

• Waveguides
• Optical Disk

Active Optical Devices

• LEDs
• Semiconductor lasers
• Detectors

Półprzewodniki

Przerwa energetyczna (E , d-prosta), długość fali ( )

i ruchliwość elektronów dla wybranych półprzewodników

g

l

InSb Ge Si GaAs GaP SiC GaN ZnS

80 000 3 900 1 500 8 500 110 400 380 165

Podczerwone Widzialne Nadfioletowe

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

3,5 4,0

6.0 2.0 1.0 0.6 0.4

0.3

Ruchliwość

(cm /Vs)

2

E (eV)

g

l m

( m)

(d)

(d)

(d)(d)

Przerwa prosta i
skośna

E

g

w funkcji stałej

sieciowej

A lP

G a P

G a A s

C d T e

I n S b

H g T e

S i

G e

I n A s

G a S b

G a I n S b

A lS b

I n P

Z n T e

A lA s

5 . 4 5 . 6 5 . 8 6 . 0 6 . 2 6 . 4 6 . 6

L a ttic e c o n s ta n t ( A )

o

E

ne

rg

y

ga

p

(e

V

)

3 . 0

2 . 5

2 . 0

1 . 5

1 . 0

0 . 5

0 . 0

I n d ir e c t g a p

D ir e c t g a p

0 . 4 1 3

0 . 4 9 6

0 . 6 2 0

0 . 8 2 7

1 . 2 4 0

2 . 4 8 0

W

av

el

en

gt

h

(

m

)

µ

Absorpcja

1/a

Położenie x

Moc

hn

P

i

P (1-r)

i

P (1-r)e

i

- x

a

Półprzewodnik

 









x

i

a

e

r

P

x

P

a









1

1

  







x

e

r

x

a











1

1

Moc pochłaniana

Definicja wydajności kwantowej:

Liczna par elektron-dziura generowanych w aktywnym obszarze
detektora przypadających na padający foton





kT

E

h

g

,

o

n

a

a

W

zakresie

wysokiej

energii

(powyżej

wartości

przerwy

energetycznej E

g

),

współczynnik absorpcji może być aproksymowany zależnością

Natomiast w zakresie energii poniżej

E

g

Dla przykadu, dla InSb

a

o

= 1.910

4

cm

–1

i = 800 cm

-1

. Dla

roztworu

stałego HgCdTe wartości są podobne, natomiast dla materiału o

szerokiej

Przerwie energetycznej typu GaN,

a

o

= 2.310

5

cm

–1

.

Współczynnik
absorpcji





,

o

g

o

E

h

a

n

a

a







2

1

,

o

a

Współczynnik
absorpcji

PbO

CdSe

InP

SiC

ZnO

CdS

GaN

GaP

CdTe

GaAs

Cs Sb

3

Ge

Ga In As P

0.30

0.70

0.64 0.36

In Ga As

0.53

0.47

Si

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

Długość fali ( m)

m

10

1

10

3

10

2

10

2

10

3

10

1

10

4

10

0

10

5

10

-1

10

6

10

-2

W

sp

ół

cz

yn

ni

k

ab

so

rp

cj

i (

cm

)

-1

D

łu

go

ść

d

ro

gi

p

oc

hł

an

ia

ni

a

1/

(

m

)

a

m

300 K

77 K

Struktura pasmowa

prosta

GaAs, InAs, CdS,
CdSe, ZnS,
InSb,
GaN

skośna

Si, Ge, GaP,
AlAs

Pary elektron-dziura rekombinują w dwojaki sposób:



poprzez rekombinację elektronu z pasma przewodnictwa z dziurą w paśmie walencyjnym – taki proces nazywamy
procesem rekombinacyjnym bezpośrednim typu pasmo-pasmo,



gdy elektron przechodzi na poziom energetyczny leżący głęboko w przerwie energetycznej, a następnie przechwytuje
dziurę z pasma walencyjnego –

proces Shockleya-Reada-Halla

(SRH)

W procesie rekombinacyjnym uwolniona energia ulega relaksacji w sieci krystalicznej poprzez oddziaływanie z fononami.

Uwolniona energia może być również wyemitowana w postaci fotonu. Ten proces nazywamy

rekombinacją

promienistą

. Istnieje jeszcze trzeci sposób rekombinacji, w którym energia jest dzielona jako energia kinetyczna do

trzeciego ruchliwego nośnika. Taki proces nazywany jest

rekombinacją zderzeniową Augera

.

 

Rodzaje rekombinacji

Rekombinacje promienista i
Augera

Mechanizmy rekombinacji nośników w półprzewodniku: (a) rekombinacja

SRH, (b) rekombinacja promienista i (c) rekombinacja Augera.

P a s m o p r z e w o d n ic tw a

P a s m o w a le n c y jn e

( a ) ( b ) ( c )

Należy podkreślić, że proces SRH nie jest samoistnym,
fundamentalnym procesem, ponieważ związany jest z poziomami w
przerwie energetycznej. Natomiast międzypasmowe rekombinacje
promienista i Augera są procesami fundamentalnymi, gdyż określone
są strukturą pasmową danego półprzewodnika.

Rekombinacja Augera

Conduction

band

Heavy-hole band

Light-hole band

Split-off band

k

E

g

D

E

E

E

k

k

CHCC CHSH CHLH

(Auger 1) (Auger S) (Auger 7)

Materiał

T
(K)




(s)

m

e

(cm

2

/Vs)

m

h

(cm

2

/Vs)

E

g

(eV)

Si

300

11.8

110

–4

1.3510

3

480

1.11

Ge

300

16

110

–2

3.910

3

1900

0.67

GaN

300

9.0

?

9.010

2

150

3.39

GaAs

300

13.2

110

–6

8.510

3

400

1.43

In

0.53

Ga

0.47

As

300

14.6

110

–4

1.3810

4

200

0.75

PbS

300

161

210

–5

5.7510

2

200

0.37

InSb

77

17.9

110

–7

1.010

6

10000

0.228

Hg

0.79

Cd

0.21

Te

77

18.0

110

–6

2.010

5

440

0.10

Hg

0.72

Cd

0.28

Te

77

16.7

110

–6

8.010

4

440

0.25

Właściwości fizyczne wybranych
materiałów półprzewodnikowych

Fotorezystor
y

S y g n a ł

R

L

P a d a ją c e p r o m ie n io w a n ie

K o n ta k t e le k tr y c z n y

w

t

l

qg

hc

R

i

l



Wykrywalność





i

i

I

f

A

R

D

2

1

D





Widmowa czułość prądowa

Szum prądowy





2

2

2

2

g

fq

t

A

R

G

I

e

n

D





Fotodiody
(idealne)

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+ +

-

-

-

-

-

-

-

-

-

- -

P o le e l e k tr y c z n e

P a d a ją c e

p r o m ie n io w a n ie

K o n t a k t p r z e d n i

K o n t a k t t y ln i

O b s z a r z u b o ż o n y

G e o m e tr ia

S tr u k tu r a

p a s m o w a

P o le

e le k tr y c z n e

C h a r a k te r y s ty k a

p r ą d o w o - n a p ię c io w a

T y p n

T y p p

F o t o p r

= q A

ą d





P r ą d c ie m n y

P r ą d c a łk o w ity

N a p ię c ie

P r ą d

Charakterystyka I-V

 1

kT

qV

exp

J

A

=

I

s

D





 

 





ph

d

J

V

J

=

,

V

J



Realne
fotodiody

Nośniki mniejszościowe

generowane termicznie

Generacja poprzez

pułapki w obszarze

ładunku przestrzennego

Tunelowanie poprzez pułapki

Tunelowanie pasmo-pasmo

Typ n

Obszar ładunku

przestrzennego

Dyfuzja elektronów

Dyfuzja elektronów

Typ p

Fotorezystory a fotodiody

Fotorezystor

Fotodioda

Technologia

łatwa

trudniejsza

Zasilanie

konieczne

brak

Wydzielana moc

duża

znacznie mniejsza

Szybkość odpowiedzi

mała

znacznie większa

Liniowość pracy

ograniczona

lepsza

Wzrastający

sygnał optyczny

Przebicie

Prąd

Napięcie

P = 0

P

P

1

2

P > P

2

1

F

ot

op

rą

d

Moc padająca

Fotodioda

Fotorezystor