光電科技 （二）光電半導體與光電元件 劉榮平 逢甲大學 光電學系

大綱 半導體與光電半導體元件簡介 發光二極體(Light Emitted Diode, LED) 半導體雷射 半導體光偵測器 陣列型偵測元件（包括CCD和CMOS） 太陽電池(Solar Cell) 總結 2019/4/16

大綱 半導體與光電半導體元件簡介 發光二極體(Light Emitted Diode, LED) 半導體雷射 半導體光偵測器 陣列型偵測元件（包括CCD和CMOS） 太陽電池(Solar Cell) 總結 2019/4/16

半導體與光電半導體元件簡介 從巨觀的角度，半導體就是電阻率介於導體與絕緣體間的材料。 導體 絕緣體 2019/4/16

從微觀的角度，半導體是…… 首先，由原子軌域與能階看起 2019/4/16

如果很多原子靠在一起會…? 2019/4/16

Many-particle system 這些相鄰的原子會合成單一系統（晶體），由於在單一系統中任兩個電子不能在同樣的能階，所以原本對應單一原子的能階將分裂成『能帶』。但整個系統的總 能階數目和原本個別原子能階數目的合會一樣。 2019/4/16

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所以，從能帶的角度來看半導體…. 絕緣體 半導體 (3.5~6eV) (0.1~3eV) *1eV=1.6×10-19 J 絕緣體 半導體 (3.5~6eV) (0.1~3eV) *1eV=1.6×10-19 J 2019/4/16

導體 2019/4/16

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半導體物理主要就是探討價帶和導帶的電子分佈。而在光電半導體上，光和 電子交互作用的可能方式有二： 光子被吸收，並產生電子電洞對 Ec Ev 半導體物理主要就是探討價帶和導帶的電子分佈。而在光電半導體上，光和 電子交互作用的可能方式有二： 光子被吸收，並產生電子電洞對 電子和電洞結合，並放出一個光子 2019/4/16

光電半導體和光子的三種交互作用 吸收 自發放射 激發放射 2019/4/16

光子吸收和放射的條件 能量守恆-吸收（放射）光子前後系統（電子+光子）總能量不變 動量守恆-吸收（放射）光子前後系統（電子+光子）總動量不變 光子動量通常比電子動量小很多，可以忽略 2019/4/16

直接能隙與間接能隙(1) Direct Gap & Indirect Gap 電子落至價帶並放出一個顆光子，且前後電子動量不變 若光子被電子吸收，則電子躍升到導帶上，且前後電子動量不變 2019/4/16

直接能隙與間接能隙(2) Direct Gap & Indirect Gap 電子要落至價帶除了放出一顆光子以滿足能量守恆外，尚須同時和一或多個phonon(聲子)交互作用以滿足動量守恆（需同步） 電子吸收光子後可直接躍遷到較高的空能階以滿足能量與動量守恆，再馬上掉落至導帶的最低能階並把動量轉移給聲子（可非同步） 2019/4/16

光電半導體材料(1) 2019/4/16

光學系統方塊圖 光電 調製 光電 量測 光學 系統 光源 2019/4/16

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發光二極體 Light Emitted Diode, LED 二極體結構 p-n junction 2019/4/16

LED材料要求與製作考量 直接能隙半導體(p.15,16 --- Si 出局) 適當的能隙寬（會影響發光波長） 發光量子效率-影響能量使用效率 材料折射率、結構與封裝-影響能量使用效率與發光角度 2019/4/16

結構 面射型（junction四邊塗反射或吸收層） 邊射型 面射型LED剖面 2019/4/16

折射率 2019/4/16

增加出光效率的可能辦法 反射鍍膜/光子晶體 抗反射鍍膜 LED 2019/4/16

封裝 廣角: 照明光源/指示燈 窄角:顯示/信號傳輸 2019/4/16

不同材料的發光頻譜 2019/4/16

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雷射 (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation; Laser) 共振腔 居量反轉-激發放射(p.13) 2019/4/16

LD: 發光+居量反轉+激發放射+共振回饋 平整切面(共振腔) 2019/4/16

雷射發散角與光型 (a) 發散角和出光面 幾何結構有關 (b) 過長的介面會導致模態（橫模）增加 2019/4/16

解決辦法 2. 面射型雷射 1. 侷限增益介質區域 2019/4/16

發光頻譜 通常LD會有數個縱向模態，對應到數條譜線。但一般來說，LD的頻譜分佈還是比LED(參考p.27)窄很多。 2019/4/16

減少縱模辦法 Cleaved-coupled-cavity (C3) laser Distributed feedback (DFB) laser 2019/4/16

最後：LED和LD的差異 LED LD 2019/4/16

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光偵測器:根據光激發電子的多寡來偵測光強 (a)外部光子效應 (如光電效應) Ex. 光電倍增管 2019/4/16

(b)內部光子效應 (光導效應) 2019/4/16

(1)光導偵測器(Photoconductor detector)/光敏電阻 2019/4/16

光導偵測器：材料特性 2019/4/16

(2)光二極體(Photodiode) 2019/4/16

p-i-n junction photodiode 優點 1. 增加照光面積 2. 反應速度較快 2. 高反應效率 2019/4/16

光二極體：材料特性 2019/4/16

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Charge-Coupled Device, CCD 光電耦合元件 Charge-Coupled Device, CCD 基本上就是PD/MOS陣列，再用某些方式把陣列訊號傳送出來 2019/4/16

CCD結構 訊號傳遞方向 2019/4/16

3相時脈驅動 2019/4/16

Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS 互補性金氧半導體 Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS + - MOS capacitor 2019/4/16

CCD VS. CMOS CCD CMOS 像素大小 2.5~10μm 4~10μm 訊雜比 較高 較低 感光面積 較大 較小 動態範圍 耗電 製成與成本 Readout Register 2019/4/16

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先從Photodiode講起… Photodiode 有三種操作方式: 1. 逆向偏壓操作 (Reverse-biased operation)。 2019/4/16

2. 短路 (Short-circuit)，迴路中的光電流會隨著照光強弱不同而不同 2019/4/16

3.斷路(Open circuit-photovoltaic operation) 2019/4/16

由短路與斷路，我們可以得到太陽電池的I-V關係圖 Fill factor: (0.7~0.8 typically) 2019/4/16

太陽光譜與半導體能階 2019/4/16

三層材料太陽能電池 2019/4/16

參考資料 D. Neamen, An introduction to Semiconductor devices, McGraw-Hill, 2006. J. Wilson & J. Hawkes, Optoelectronics: An introduction, 3rd Ed., Prentice Hall. B. Saleh & M. Teich, Fundamentals of Photonics, Wiley, 1991. S. O. Kasap, Optoelectronics and Photonics: Principles and Practices, Prentice Hall. 2019/4/16