半导体光器件

　　光电子器件扮演着重要角色，因此我们对于光电子器件应当具备一定了解。为增进大家对光电子器件的认识，本文将对半导体光电子器件加以介绍。

　　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。它不同于半导体光器件（如光波导开关、光调制器、光偏转器等）。光器件的设计原理是依据外场对导波光传播方式的改变，它也有别于早期人们袭用的光电器件。后者只是着眼于光能量的接收和转换（如光敏电阻、光电池等）。早期的光电器件只限于被动式的应用，60 年代作为相干光载波源的半导体激光器的问世，则使它进入主动式应用阶段，光电子器件组合应用的功能在某些方面（如光通信、光信息处理等）正在扩展电子学难以执行的功能。一门新的分支学科──光电子学正在迅速发展，而光电子器件则构成光电子学的核心部分。

　　早在 19 世纪末就已经开始研究半导体硒中的光电现象，后来硒光电池得到应用，这几乎比晶体管的发明早 80 年，但当时人们对半导体还缺乏了解，进展缓慢。30 年代开始的对半导体基本物理特性（如能带结构、电子跃迁过程等）的研究，特别是对半导体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. 内森研制成功注入型半导体激光器，解决了高效率的光信息载波源，扩展了光电子学的应用范围，光电子器件因而得到迅速发展。

　　基本物理过程

　　从能带论的观点出发，半导体中电子状态的分布如图 1，常温下低能量的带（价带）中的状态基本上为价电子所填充，高能量的带（导带）中的状态则空着，二者之间被宽度为 Eg 的禁带所隔离。在此情况下半导体的导电特性很差，只有出现在导带中的电子或价带中的空态（空穴）才能在外场驱使下参与导电。

内光电效应

　　当价带中的电子吸收了能量大于禁带宽度的光子就能够跃迁到导带中，与此同时在价带中留下空穴，统称为光生载流子，由此产生的附加导电现象称为光电导。在外场驱使下光生载流子贡献的电流称为光电流。这种光电子效应因发生在半导体内，故称为内光电效应。内光电效应是一切光电子接收和能量转换器件的基础。

　　外光电效应

　　半导体中电子吸收较高能量的光子而被激发成为热电子，有可能克服晶格场的束缚逸出体外成为自由电子，这又称光电子发射效应。图 2 是一个具有理想表面的半导体的能带图，EC、EV 分别表示导带底和价带顶，E0 为体外真空能级，x 为电子亲和势 （表示导带底的电子逸出体外所需克服的晶体束缚能），EF 为费米能级位置，φ为逸出功，ET=x+EV 为光电子发射阈能。

　　半导体表面对环境气氛和接触材料很敏感。表面层对外来电荷（正的或负的电荷）的吸附引起表面能带的弯曲（向上或向下），剧烈地影响半导体中光电子发射的特性。图 3 中的 E 表示表面能带向下弯曲的势能，实际有效电子亲和势 xeff=x-E。如果 E》x，则 xeff 就成为负值。负电子亲和势（NEA）材料（如 GaAs、InGaAsP 与 Cs2O 的接触）的光电子发射的量子产额相当可观，是发展半导体光阴极的重要基础。

　　电子 - 空穴复合发光效应 　1952 年，发现了硅、锗半导体材料注入发光的现象。注入到半导体中的非平衡电子 - 空穴对以某种方式释放多余的能量而回到初始平衡状态。辐射光子是一种释放能量的方式，但是由于锗、硅都属间接带材料（导带底与价带顶不在动量空间的同一位置），为了满足跃迁过程的动量守恒原则（图 4），这就要求大量声子同时参与跃迁过程，属多体过程。因此带间复合发光的效率很低（小于 0.01%）。许多化合物材料如 GaAs、InGaAsP 为直接带材料（导带底与价带顶在动量空间同一位置），带间辐射跃迁过程几乎无需声子参与（图 5）。因此发光效率很高，大注入下内量子效率几乎达 100%，高效率的电子 - 空穴对复合发光效应是一切半导体发光器件的物理基础。

　　光电子器件分类

　　光电子器件可分为体光电子器件、正反向结光电子器件、异质结和多结光电子器件。

　　体光电子器件是结构上最简单的一类光电子器件。半导体材料吸收能量大于禁带宽度的入射光子，激发出非平衡电子 - 空穴对（称为本征激发）。它们在外场下参与导电，产生光电导。如属不均匀的表面激发，则光生载流子在有浓度梯度下的扩散将导致内场的建立，即光生伏电效应。扩散电流受磁场的作用而偏转，产生光磁电效应。依据这些物理效应已经制出各种波段（特别是红外波段）光电探测器，如 InSb、HgCdTe 光电探测器，在军事上已获得广泛应用。

　　体光电探测器也可以用掺入深能级杂质的方法制成。如掺 Au、Hg 的 Ge 探测器，是一种很灵敏的红外探测器。光生载流子是由深能级杂质中心激发的，称为非本征激发。这类探测器大多在很低温度下工作（如液氦温度 4.2K）。

　　正向结光电子器件

　　在正向大偏置下半导体 PN 结结区附近将注入大量非平衡载流子，利用复合发光效应可制成各种颜色发光二极管。电子仪表上普遍使用的红、绿色半导体指示灯、数码管，就是用 GaAsP、GaP、AlGaAs 等材料制成的。固态发光管功耗低、体积小、寿命长，已逐步取代真空管。用 GaAs 制成的发光管，发光效率很高，发射波长约 9000 埃，属人眼不灵敏的近红外波段，广泛用作光电控制和早期光通信的光源。第一只半导体激光器就是用高掺杂 GaAs 的 PN 结制成的，虽然现代半导体激光器已被异质结器件所取代，但基本上仍属正向结结构。

　　反向结光电子器件

　　结中由于两侧电荷的转移在结区建立很强的内场（达 104 伏 / 厘米以上），导致能带弯曲，形成 PN 结势垒。光生载流子一旦扩散入结区即被内场扫向两侧构成光生电流。硅光电池和光敏二极管就是利用反向结特性工作的器件。硅光电池作为太阳能电源在人造卫星上已得到应用，中国“东方红”2 号人造卫星就使用了硅光电池。目前硅光电池能量转换效率已接近 15%的理论值。光敏二极管是广泛使用的光检测器件，为了提高量子效率和响应速度，必须尽量扩大耗尽区（即电场区），因此实用的半导体光电二极管都施加反向偏置，量子效率可达到 80%以上，响应时间可小于纳秒，光纤通信系统使用的 Si-PIN 检测器就是典型的一种。

　　如果施加足够大的反向偏置，光生载流子在结附近某区域的强电场下加速，其能量可达到引起晶格碰撞电离的阈值。这种电离过程呈雪崩式链锁反应，因而可得到内部增益。利用这种过程可制出快速灵敏的光检测器，称半导体雪崩光电二极管（APD）。它在长距离、大容量光纤通信系统中得到应用。

　　异质结光电子器件

　　年代以来，半导体外延生长技术迅速发展。利用外延生长技术可以把不同半导体单晶薄膜控制生长在一起，形成异质结或异质结构。适当选择异质结构可以获得一些新的电学特性，如单向注入特性、载流子定域限制效应、负电子亲和势等，在光学上具有窗口效应、光波导特性等。异质结的新特性不仅使原有的光电子器件性能得到很大改善，同时还借以研制成许多新功能器件（如量子阱激光器、双稳态光器件等）。双异质结激光器的发明是异质结研究方面的一个重大成就。采用异质结构以后，激光器有源区可精确控制在 0.1 微米量级。把注入载流子和光都局限在这个薄层中，使激光器阈值电流密度降低 2～3 个量级，达到 103 安 / 厘米 2 以下，从而实现低功耗（毫瓦），长命寿（外推百万小时）、室温连续波工作等目的。异质结在光电子学中的另一成就是 70 年代出现的半导体光阴极。以前采用的光阴极材料属正电子亲和势材料 （如 Cs3Sb-CsO 等），量子产额很低，且基本上由热电子弛豫时间决定（10-12 秒量级）。利用半导体异质结（如 GaAs、InGaAsP-CsO 等）负电子亲和势，使量子产额提高 3 个数量级以上，量子产额由非平衡载流子寿命（10-8 秒量级）决定;适当选择材料可使响应波长扩展到红外波段。这类负电子亲和势光阴极特别适用于军事夜视。

　　利用异质结窗口效应改善了太阳电池的能量转换效率。与硅光电池的理论极限相比，能量转换效率得到成倍提高。在研制成的 20 种以上异质结光电池中转换效率最高的是 AlGaAs/GaAs，达到 23%。异质结太阳电池虽成本较高，但适用于特殊用途（如空间应用）。

　　多结光电子器件

　　根据器件功能设计的需要，可以连续生长两个以上多层异质结。这种多结光电子器件可以是二端工作的，也可以是三端或多端的。AlGaAs/GaAsPNPN 负阻激光器就是一种多结二端器件，它是将普通的 PNPN 闸流管和双异质激光器组合成一体的复合功能器件。为了兼顾电学上的全导通和激光器低阈值要求，通常制成 NpPpnP 结构。其中大写字母表示宽带隙材料，小写字母表示窄带隙材料。这种负阻激光器适用于光电自动控制方面。

　　光晶体管是一种多层双结三端器件，它也是一种有内部电流增益的光电探测器。它不受碰撞电离噪声的限制，因此在长波长低噪声探测器应用方面可与半导体雪崩光电二极管相媲美。

　　最典型的多结器件是量子阱激光器。量子阱激光器的有源区由多层超晶格材料构成，在超晶格结构中窄带隙材料形成极薄二维电子（或空穴，或二者兼有）势阱，导带中的准连续的电子态变成量子化，电子空穴的复合发光发生在这些量子化的分立状态之间，所以能在相当程度上克服半导体激光器能带工作的弱点。谱线变窄，温度系数变小，而且还可以通过注入电流密度的改变，对发射波长进行调谐。它将扩展半导体激光器的应用领域。