半导体物理的应用

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1、半导体物理在光电检测中的应用摘要：在现代系统检测方法中，光电检测绝对占有着举足轻重的地位，而光电检测系统中的核心一一光敏器材几乎全部是半导体材料。由此可见，半导体物理在这其中起着决定性的作用。本文将着重介绍一些基本的半导体光电检测器件和与电子科学与技术专业联系比较紧密的光纤检测技术。关键字：光敏PN结光纤正文I光电检测技术的提出现代科学技术的发展速度足够让前辈们认不得自己创始的学科了，在研究领域蓬勃发展欣欣向荣时，把理论运用到实际的过程较之以前，只会更加复杂。庞大的系统，无数的细节需要照料，由于现在的系统对精密性要求越来越高，使得任何的细枝末节一旦出错，就极大地影响最后工程的效能。于是，检测各

2、个部件的性能就显得非常重要。因为如果能够保证加入到系统里的器件都是合格的，至少会减少出故障的可能；而如果能够有一套行之有效的检测办法，就可以在最短的时间了找到出错的地方，排除故障，降低损失。在多年前，人们一直在使用直接检测方法，这种方法是自然而然的想法。但是正如上面所说的，由于系统的复杂，直接检测越来越不方便，甚至有些时候，就没办法检测了，所以必须另辟蹊径，于是传感器应运而生，其中光电检测技术被认为是最成熟、最具有发展潜力的传感器之一。正如三十六计中的“明修栈道暗度陈仓”，光电传感器就是运用这种思想。如果直接检测待测量（陈仓）不方便，就在其它易测量（栈道）的帮助下到达目的。而光具有速度快，无处

3、不在，来源广等优势，且电学量的直接测量可以说人类已经相当熟悉了，二者的结合，就使得光电检测技术的应用前景极为光明。II半导体光电器件光电导器件（光敏电阻器件）某些物质吸收光子能量后会产生本征吸收或者杂质吸收进而改变物质电导率的现象，称为物质的光电导效应。利用具有光电导效应的材料（如硅、锗等本征半导体与如硫化镉、硒化镉、氧化铅等杂质半导体）可以制成电导率随入射光辐射量变化而变化的器件，这种器件称为光电导器件或光敏电阻器件。圄L光电飢的结构a说起光敏电阻，恐怕只要学过高中物理的人都不会陌生。确实，这个是最古老，也是“知名度”最高的了。它直接利用了半导体材料的光电效应，即当有光线照射到光敏电阻其上时

4、，它的电阻值会发生较大的变化，一般无光照时的电阻约1.5MQ,而有光照时的电阻则只有几千欧。其使用材料中对可见光最为敏感的是硫化镉。光敏电阻由于其原理明了，结构简单，所以对工艺的要求较低，造价比较低，灵敏度高而且性能也很稳定，因而它最先获得了广泛的利用，但是由于它的结构太简单，使得其响应的速度相对很慢。光生伏特器件利用光生伏特效应制造的器件叫做光生伏特器件。光生伏特效应与光电导器件同属于内光电效应，然而两者的导电机理却相差很大。光生伏特效应是少数载流子导电的光电效应，而光电导效应却是多数载流子的光电效应，这就使得光生伏特器件具有暗电流小、噪声低、响应速度快、光电特性线性度好等特点，当然也存在微

5、弱信号检测能力弱、光谱响应范围窄的缺点。一光电池珀z丸电池眄牯怯光电池又叫做太阳能电池，它是直接把光能转化成电能的器件。现在用得最多的是硅光电池，其开路电压一般在0.450.6v之间，当照度在2000LX以下时，开路电压与照度近似成线性关系，而在超过2000LX时开始显示出非线性。其短路电流一般与照度呈线性关系，而受照面积越大，短路电流也越大，一般当照度在1000LX以下时，短路电流在23mA/c卅之间。光电池的优点在于性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，传送效率高而且耐高混辐射，只是成本不菲。二光敏二极管光敏二极管利用了PN结的单向导电性，在PN结加上反向电压，再在光照下使其反向导通，其导通电

6、阻会由几兆欧下降到几十甚至几千欧。光电二极管的材料主要有硅、锗、磷化铟等，从结构上来说，又分为PN型、PIN型、雪崩型和肖特基型，其中用得最多是硅材料制成的PN结型光敏二极管。具体使用中，又有2CU和2DU两种，其中使用的更多的是2CU型，它是全封闭的，有金属壳，并且带有一个玻璃窗。光敏二极管具有体积小，质量轻，使用寿命长而且灵敏度比较高等特点。光敏三极管光敏三极管的思想与上述三者无异，都是通过光的照射量来控制电流的半导体器件。它的结构与一般的晶体三极管相似，其内部有两个PN结，其发射结与光敏二极管一样具有光敏特性，集电结与普通晶体管一样可以获得电流增益，因而与光敏二极管相比，它在把光信号转化

7、成电信号的同时，又把信号进行了放大，也就具有了更加高的灵敏度。其用料与光敏二极管相似，也可以分为PNP和NPN两种类型。光敏三极管的光电流比较大，但是输出线性特性比较差，因而它一般使用在对灵敏度要求比较高，而且频率较低的系统。四半导体发光器件LED（发光二极管）LD（激光二极管）1LED发光原理如图1所示，LED是由P型半导体和N型半导体组成的。在PN结的附近，N型材料中多数载流子是电子，P型材料中多数载流子是空穴。没有加正向偏置电压时，PN结上形成了一定高度的势垒。当有外加电场作用时，N区的电子和P区的空穴分别向对方扩散，互相在对方区域形成少数载流子的注入，并且在PN结的附近形成电子与空穴的

8、复合，进而释放出大小为hu的能量，从而放光。因为这种发光是由电子的跃迁造成的，所以此能量也等于半导体材料的禁带宽度Eg，其与发光波长的关系为2LED的优势体积小LED基本结构是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的小，非常的轻；耗电量低LED耗电非常低，一般来说LED的工作电压是2-3.6V，工作电流是0.02-0.03A，这就是说，它消耗的电不超过0.1W;使用寿命长在恰当的电流和电压下，LED的使用寿命可达10万小时；高亮度、低热量比HID或白炽灯更少的热辐射；环保LED是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用；坚固耐用LED是被完全封装在环氧树

9、脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固，灯体内也没有松动的部分，这些特点使得LED可以说是不易损坏的；可控性强可以实现各种颜色的变化；响应时间短LED的响应时间为纳秒级而白炽灯为毫秒级。LED未来最具优势的发展方向是车载设备、液晶显示器的背光源、景观照明和一般照明设备。其中，一般照明设备被寄予的希望最大，也是世界各大巨头争夺的领域。3LDLD发光原理与LED没有多大的区别，或者说，LD是以半导体材料为工作物质，以PN结为激活材料的激光器，除具有激光器的高亮度，良好的方向性和单色性（或相干性）外，同时具有LED的体积小，功耗低、重量轻、易集成、寿命长、可靠性高等优点，因而LD可用于大部分激光的重要应用

10、领域，而且有逐步取代一般激光器的趋势。五其他半导体光电器件光电耦合器件，光电位置敏感器件，光热辐射测设器件。皿光纤光敏性上面只是最常见的半导体光电元件，结合电子科学与技术专业的特色，以及专业课程光线与光缆技术、光纤通信（严映律老师讲授），我们对光纤的光敏特性也渐渐注意起来，因为或许将来这就是我们这个专业的学生的研究方向。一光纤光敏性及光纤光栅的形成1978年K.Hill等人首次向世界宣布他们发现了光纤的光敏现象。具体情况是，他们在测量掺杂Ge石英光纤对氩离子激光器发出的蓝绿光（488nm）的吸收特性时发现，在几分钟内透射光迅速降低，而被测试的光纤段对入射光的反射率则永久地增加到90以上，他们总

11、结这个现象后得出以下结论：入射光与光纤后端面上的反射光在光纤内形成驻波，位于波峰位置的光纤芯区折射率发生了永久性的增加（也就是光纤的光敏特性），从而在光纤的芯区形成折射率受到周期性调制的Bragg光栅，其反射峰位于入射光线之上。但是由于这种方法只适用于Bragg波长与写入波长相等的光纤光栅，因而未受到重视。D.Lam等人与1981年对光纤光栅的光敏性作了进一步的实验研究，提出光纤芯区的折射率与入射光强度的平方成正比，揭示出这一过程在微观上是一双光子过程，并且推断出若用244nm的紫外光将会在光纤芯区引起更大的折射率改变。制徉光軒光全皿瞬樂技术在前人工作的基础上，G.Meltz等人在1989年以

12、准分子激光器泵浦的倍频燃料激光器输出的244nm紫外光为光源，用侧面全息曝光的方法(如上图)在掺杂Ge石英光纤上制作出Bragg波长为820nm的光纤光栅。由于这种光纤光栅在通信上的重要应用价值，光纤光敏性及光纤光栅的紫外写入技术从此收到世界范围的广泛重视。二光纤光敏性的微观机理到目前为止，人们还不能完整彻底的解释光纤的光敏特性，但是有两种解释被广泛的认可： 掺杂Ge石英光纤在244nm的紫外线照射下，在光纤芯区发生如下反应：005-leV厂rOGeSi0-II”OO这可以解释240nm吸收峰在紫外线照射下降低的现象。此外，对光纤或预制棒芯区在244nm的紫外光照射前后各种缺陷的电子自旋共振测

13、量发现，GeO缺陷的浓度显著降低，同时GeE及Ge(1)、Ge(2)缺陷的浓度增加了。 光纤在制造过程中引入了应力，光纤芯区在吸收244nm的紫外光后产生大量的热使其局部应力释放，密度增大，从而造成折射率的增加，这种机制可以解释为什么B、Ge双掺杂具有很咼光敏性。三不同掺杂的光纤的光敏特性实验表明，不同的掺杂，光纤的光敏特性来去很大，如下图:*I备科光堺的光性方議摻杂捷型増敏方法推高8诜厲或牡理通倍光軒H；赴虎P山处理竟敕A1TaHi处理强Al/P.Tr/Yh氐业理四应用前景利用光纤的光敏特性制成的光纤光栅具有广泛的用途，尤其是在通信方面，光纤光栅从光的发送、放大、光纤色散补偿到光接收的几乎每

14、个方面都产生重要的影响，下面是其几个典型应用： 在高速、长距离光纤通信系统中，要求光源为单纵模窄线宽激光器。由光纤光栅提供反馈的外腔型半导体激光器可以方便的实现单纵模运转，与DFB激光器比较，使用光纤光栅外腔一方面使芯片制作大为简化，可以精确地确定激光输出的波长和线宽，另一方面光纤光栅外腔式半导体激光器在直接调制下直到1.1GHz无明显Chirp现象。 光纤光栅的出现使得光纤激光器的设计和制作变得简单。用光纤光栅在稀土掺杂光纤的两端构成FP腔或者直接在稀土光纤上写入光栅形成DFB结构，并由980nm或1480nm的普通泵浦源提供泵浦即可获得激光输出，这种激光器的线宽极窄，并与光纤具有良好的匹配

15、性。 光纤光栅可以有效的提高EDFA的泵浦效率，降低放大噪声。此外，Blazed型光纤光栅可以对某些波长的光提供一定量的衰减，因此可以利用多个这种光栅的组合针对EDFA的增益特性设计一个损耗谱，使其增益谱平坦化。 由于光纤光栅具有良好的波长选择性，用它可以方便地实现波分复用光纤通信系统的全光解复用及上下话路技术。 光纤光栅的Bragg波长随温度或应力的变化有良好的线性关系，因此可以利用光纤光栅制成各种类型的传感器，实现物理量的分布式传感。五光纤传感器的优势灵敏度高、频带宽、动态范围大； 探头小、可弯曲、几何形状适应性能强； 抗电磁干扰能力强； 光探测，不易干扰目标状态，可实现无接触测量； 无源

16、器件，对检测对象不产生力、热、电、磁影响； 小型化、多功能、轻便、低成本； 易于网络化，多传感器可通过光网络与计算机相连总结无数的事实证明了，一个拥有先进完备的半导体科技的国家才能够在光电检测技术上取得领先的地位，在未来的信息时代这意味着她可以以更小的代价获得更高的检测成效，从而在国际竞争中取得广大的优势。可以预见，未来在其他各学科的共同作用下，半导体技术一定会在更多方面获得更加重要的应用！参考资料： 光电传感器技术谢向花摘自中国科技信息2005年第7期P1谈谈几种常用的光敏器件.苏成富摘自家庭电子1996年02期P27光敏三极管光电特性石仲斌摘自半导体光电1998年第4期P277纟LED原理及其照明应用王声学，吴广宁摘自灯与照明2006年12月第30卷第4期P32新一代光源LED的特性及检测方法林继刚摘自上海计量测试2008年第4期P31半导体激光器的应用蒋涛摘自四川激光杂志第3卷第2期(1982.6)P47发光二极管(LED)和半导体激光器(LD)应用展望吉洪华摘自华南师范大学学报1996年第1期P5光纤的光敏特性及光纤光栅紫外写入技术陈根祥李洵杨玲简水生葛璜胡雄伟王于摘自电子学报1997年8月第8期P73光纤传感器简介摘自光纤与光缆技术(电子课件)吴平严映律