Właściwości optyczne
DVD player
Passive Optical
Devices
• Waveguides
• Optical Disk
Active Optical Devices
• LEDs
• Semiconductor lasers
• Detectors
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
= 1.910
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
= 2.310
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
110
–4
1.3510
3
480
1.11
Ge
300
16
110
–2
3.910
3
1900
0.67
GaN
300
9.0
?
9.010
2
150
3.39
GaAs
300
13.2
110
–6
8.510
3
400
1.43
In
0.53
Ga
0.47
As
300
14.6
110
–4
1.3810
4
200
0.75
PbS
300
161
210
–5
5.7510
2
200
0.37
InSb
77
17.9
110
–7
1.010
6
10000
0.228
Hg
0.79
Cd
0.21
Te
77
18.0
110
–6
2.010
5
440
0.10
Hg
0.72
Cd
0.28
Te
77
16.7
110
–6
8.010
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