光電子器件扮演著重要角色，因此我們對于光電子器件應(yīng)當具備一定了解。為增進大家對光電子器件的認識，本文將對半導體光電子器件加以介紹。
利用半導體光-電子(或電-光子)轉(zhuǎn)換效應(yīng)制成的各種功能器件。它不同于半導體光器件(如光波導開關(guān)、光調(diào)制器、光偏轉(zhuǎn)器等)。光器件的設(shè)計原理是依據(jù)外場對導波光傳播方式的改變，它也有別于早期人們襲用的光電器件。后者只是著眼于光能量的接收和轉(zhuǎn)換(如光敏電阻、光電池等)。早期的光電器件只限于被動式的應(yīng)用，60年代作為相干光載波源的半導體激光器的問世，則使它進入主動式應(yīng)用階段，光電子器件組合應(yīng)用的功能在某些方面(如光通信、光信息處理等)正在擴展電子學難以執(zhí)行的功能。一門新的分支學科──光電子學正在迅速發(fā)展，而光電子器件則構(gòu)成光電子學的核心部分。
早在19世紀末就已經(jīng)開始研究半導體硒中的光電現(xiàn)象,后來硒光電池得到應(yīng)用,這幾乎比晶體管的發(fā)明早80年，但當時人們對半導體還缺乏了解，進展緩慢。30年代開始的對半導體基本物理特性(如能帶結(jié)構(gòu)、電子躍遷過程等)的研究，特別是對半導體光學性質(zhì)的研究為半導體光電子器件的發(fā)展奠定了物理基礎(chǔ)。1962年，R.N.霍耳和M.I.內(nèi)森研制成功注入型半導體激光器，解決了高效率的光信息載波源，擴展了光電子學的應(yīng)用范圍，光電子器件因而得到迅速發(fā)展。
1.基本物理過程
從能帶論的觀點出發(fā)，半導體中電子狀態(tài)的分布如圖1,常溫下低能量的帶(價帶)中的狀態(tài)基本上為價電子所填充，高能量的帶(導帶)中的狀態(tài)則空著，二者之間被寬度為Eg的禁帶所隔離。在此情況下半導體的導電特性很差，只有出現(xiàn)在導帶中的電子或價帶中的空態(tài)(空穴)才能在外場驅(qū)使下參與導電。
2.內(nèi)光電效應(yīng)
當價帶中的電子吸收了能量大于禁帶寬度的光子就能夠躍遷到導帶中，與此同時在價帶中留下空穴，統(tǒng)稱為光生載流子，由此產(chǎn)生的附加導電現(xiàn)象稱為光電導。在外場驅(qū)使下光生載流子貢獻的電流稱為光電流。這種光電子效應(yīng)因發(fā)生在半導體內(nèi)，故稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)是一切光電子接收和能量轉(zhuǎn)換器件的基礎(chǔ)。
3.外光電效應(yīng)
半導體中電子吸收較高能量的光子而被激發(fā)成為熱電子，有可能克服晶格場的束縛逸出體外成為自由電子,這又稱光電子發(fā)射效應(yīng)。圖2是一個具有理想表面的半導體的能帶圖，EC、EV分別表示導帶底和價帶頂,E0為體外真空能級,x為電子親和勢 (表示導帶底的電子逸出體外所需克服的晶體束縛能),EF為費米能級位置,φ為逸出功,ET=x+EV為光電子發(fā)射閾能。
半導體表面對環(huán)境氣氛和接觸材料很敏感。表面層對外來電荷(正的或負的電荷)的吸附引起表面能帶的彎曲(向上或向下)，劇烈地影響半導體中光電子發(fā)射的特性。圖3中的E 表示表面能帶向下彎曲的勢能，實際有效電子親和勢xeff=x-E。如果E>x，則xeff就成為負值。負電子親和勢(NEA)材料(如GaAs、InGaAsP與Cs2O的接觸)的光電子發(fā)射的量子產(chǎn)額相當可觀，是發(fā)展半導體光陰極的重要基礎(chǔ)。
電子-空穴復合發(fā)光效應(yīng) 1952年,發(fā)現(xiàn)了硅、鍺半導體材料注入發(fā)光的現(xiàn)象。注入到半導體中的非平衡電子-空穴對以某種方式釋放多余的能量而回到初始平衡狀態(tài)。輻射光子是一種釋放能量的方式，但是由于鍺、硅都屬間接帶材料(導帶底與價帶頂不在動量空間的同一位置),為了滿足躍遷過程的動量守恒原則(圖4),這就要求大量聲子同時參與躍遷過程，屬多體過程。因此帶間復合發(fā)光的效率很低(小于0.01%)。許多化合物材料如GaAs、InGaAsP為直接帶材料(導帶底與價帶頂在動量空間同一位置)，帶間輻射躍遷過程幾乎無需聲子參與(圖5)。因此發(fā)光效率很高,大注入下內(nèi)量子效率幾乎達100%，高效率的電子-空穴對復合發(fā)光效應(yīng)是一切半導體發(fā)光器件的物理基礎(chǔ)。
4.光電子器件分類
光電子器件可分為體光電子器件、正反向結(jié)光電子器件、異質(zhì)結(jié)和多結(jié)光電子器件。
體光電子器件是結(jié)構(gòu)上最簡單的一類光電子器件。半導體材料吸收能量大于禁帶寬度的入射光子，激發(fā)出非平衡電子-空穴對(稱為本征激發(fā))。它們在外場下參與導電,產(chǎn)生光電導。如屬不均勻的表面激發(fā),則光生載流子在有濃度梯度下的擴散將導致內(nèi)場的建立，即光生伏電效應(yīng)。擴散電流受磁場的作用而偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生光磁電效應(yīng)。依據(jù)這些物理效應(yīng)已經(jīng)制出各種波段(特別是紅外波段)光電探測器，如InSb、HgCdTe光電探測器，在軍事上已獲得廣泛應(yīng)用。
體光電探測器也可以用摻入深能級雜質(zhì)的方法制成。如摻Au、Hg的Ge探測器,是一種很靈敏的紅外探測器。光生載流子是由深能級雜質(zhì)中心激發(fā)的，稱為非本征激發(fā)。這類探測器大多在很低溫度下工作(如液氦溫度4.2K)。
5.正向結(jié)光電子器件
在正向大偏置下半導體PN結(jié)結(jié)區(qū)附近將注入大量非平衡載流子，利用復合發(fā)光效應(yīng)可制成各種顏色發(fā)光二極管。電子儀表上普遍使用的紅、綠色半導體指示燈、數(shù)碼管，就是用GaAsP、GaP、AlGaAs等材料制成的。固態(tài)發(fā)光管功耗低、體積小、壽命長，已逐步取代真空管。用GaAs制成的發(fā)光管，發(fā)光效率很高,發(fā)射波長約9000埃,屬人眼不靈敏的近紅外波段，廣泛用作光電控制和早期光通信的光源。第一只半導體激光器就是用高摻雜GaAs的PN結(jié)制成的，雖然現(xiàn)代半導體激光器已被異質(zhì)結(jié)器件所取代，但基本上仍屬正向結(jié)結(jié)構(gòu)。
6.反向結(jié)光電子器件
PN結(jié)中由于兩側(cè)電荷的轉(zhuǎn)移在結(jié)區(qū)建立很強的內(nèi)場(達104伏/厘米以上),導致能帶彎曲，形成PN結(jié)勢壘。光生載流子一旦擴散入結(jié)區(qū)即被內(nèi)場掃向兩側(cè)構(gòu)成光生電流。硅光電池和光敏二極管就是利用反向結(jié)特性工作的器件。硅光電池作為太陽能電源在人造衛(wèi)星上已得到應(yīng)用,中國“東方紅”2號人造衛(wèi)星就使用了硅光電池。目前硅光電池能量轉(zhuǎn)換效率已接近15%的理論值。光敏二極管是廣泛使用的光檢測器件,為了提高量子效率和響應(yīng)速度，必須盡量擴大耗盡區(qū)(即電場區(qū))，因此實用的半導體光電二極管都施加反向偏置,量子效率可達到80%以上，響應(yīng)時間可小于納秒,光纖通信系統(tǒng)使用的Si-PIN檢測器就是典型的一種。
如果施加足夠大的反向偏置，光生載流子在結(jié)附近某區(qū)域的強電場下加速，其能量可達到引起晶格碰撞電離的閾值。這種電離過程呈雪崩式鏈鎖反應(yīng)，因而可得到內(nèi)部增益。利用這種過程可制出快速靈敏的光檢測器，稱半導體雪崩光電二極管(APD)。它在長距離、大容量光纖通信系統(tǒng)中得到應(yīng)用。
7.異質(zhì)結(jié)光電子器件
60年代以來，半導體外延生長技術(shù)迅速發(fā)展。利用外延生長技術(shù)可以把不同半導體單晶薄膜控制生長在一起，形成異質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)構(gòu)。適當選擇異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以獲得一些新的電學特性，如單向注入特性、載流子定域限制效應(yīng)、負電子親和勢等，在光學上具有窗口效應(yīng)、光波導特性等。異質(zhì)結(jié)的新特性不僅使原有的光電子器件性能得到很大改善，同時還借以研制成許多新功能器件(如量子阱激光器、雙穩(wěn)態(tài)光器件等)。雙異質(zhì)結(jié)激光器的發(fā)明是異質(zhì)結(jié)研究方面的一個重大成就。采用異質(zhì)結(jié)構(gòu)以后，激光器有源區(qū)可精確控制在 0.1微米量級。把注入載流子和光都局限在這個薄層中，使激光器閾值電流密度降低2～3個量級,達到103安/厘米2以下，從而實現(xiàn)低功耗(毫瓦)，長命壽(外推百萬小時)、室溫連續(xù)波工作等目的。異質(zhì)結(jié)在光電子學中的另一成就是70年代出現(xiàn)的半導體光陰極。以前采用的光陰極材料屬正電子親和勢材料 (如Cs3Sb-CsO等)，量子產(chǎn)額很低，且基本上由熱電子弛豫時間決定(10-12秒量級)。利用半導體異質(zhì)結(jié)(如GaAs、InGaAsP-CsO等)負電子親和勢，使量子產(chǎn)額提高3個數(shù)量級以上,量子產(chǎn)額由非平衡載流子壽命(10-8秒量級)決定;適當選擇材料可使響應(yīng)波長擴展到紅外波段。這類負電子親和勢光陰極特別適用于軍事夜視。
利用異質(zhì)結(jié)窗口效應(yīng)改善了太陽電池的能量轉(zhuǎn)換效率。與硅光電池的理論極限相比，能量轉(zhuǎn)換效率得到成倍提高。在研制成的20種以上異質(zhì)結(jié)光電池中轉(zhuǎn)換效率最高的是AlGaAs/GaAs,達到23%。異質(zhì)結(jié)太陽電池雖成本較高，但適用于特殊用途(如空間應(yīng)用)。
8.多結(jié)光電子器件
根據(jù)器件功能設(shè)計的需要，可以連續(xù)生長兩個以上多層異質(zhì)結(jié)。這種多結(jié)光電子器件可以是二端工作的,也可以是三端或多端的。AlGaAs/GaAsPNPN負阻激光器就是一種多結(jié)二端器件，它是將普通的PNPN閘流管和雙異質(zhì)激光器組合成一體的復合功能器件。為了兼顧電學上的全導通和激光器低閾值要求，通常制成NpPpnP結(jié)構(gòu)。其中大寫字母表示寬帶隙材料，小寫字母表示窄帶隙材料。這種負阻激光器適用于光電自動控制方面。
光晶體管是一種多層雙結(jié)三端器件，它也是一種有內(nèi)部電流增益的光電探測器。它不受碰撞電離噪聲的限制，因此在長波長低噪聲探測器應(yīng)用方面可與半導體雪崩光電二極管相媲美。
最典型的多結(jié)器件是量子阱激光器。量子阱激光器的有源區(qū)由多層超晶格材料構(gòu)成，在超晶格結(jié)構(gòu)中窄帶隙材料形成極薄二維電子(或空穴,或二者兼有)勢阱,導帶中的準連續(xù)的電子態(tài)變成量子化，電子空穴的復合發(fā)光發(fā)生在這些量子化的分立狀態(tài)之間，所以能在相當程度上克服半導體激光器能帶工作的弱點。譜線變窄，溫度系數(shù)變小，而且還可以通過注入電流密度的改變，對發(fā)射波長進行調(diào)諧。它將擴展半導體激光器的應(yīng)用領(lǐng)域。