半導體光電子器件是指利用半導體光-電子（或電-光子）轉換效應制成的各種功能器件。這一類別包括發光二極管（LED）和激光二極管（LD）、光電探測器或光電接收器、太陽電池等多種類型。這些器件的設計原理是依據外場對導波光傳播方式的改變，區別于早期人們襲用的光電器件，后者主要關注光能量的接收和轉換。隨著半導體激光器的問世，光電子器件的應用領域從被動式轉向主動式，特別是在光通信和光信息處理等方面發揮重要作用。
歷史沿革
自19世紀末起，科學家們就開始研究半導體硒中的光電現象。盡管硒光電池的出現早于晶體管約80年，但由于當時對半導體的認識有限，相關研究進展緩慢。到了20世紀30年代，對半導體基本物理特性和光學性質的研究為半導體光電子器件的發展奠定了物理基礎。1962年，R.N.霍耳和M.I.內森成功研制出注入型半導體激光器，極大地推動了光電子學的發展。
物理原理
半導體光電子器件的基本物理過程涉及能帶論的概念。在常溫下，半導體中的價帶被價電子填滿，而導帶為空，兩者之間由禁帶隔開。在這種狀態下，半導體的導電性較差，只有導帶中的電子或價帶中的空穴能夠在外場作用下參與導電。此外，半導體中的光電效應可分為內光電效應和外光電效應兩種形式。前者指價帶中的電子吸收能量大于禁帶寬度的光子后躍遷至導帶，產生光電導；后者則是指半導體中的電子吸收高能光子后被激發成為熱電子，可能逸出體外成為自由電子的過程。
分類
發光二極管（LED）和激光二極管（LD）
發光二極管和激光二極管都是將電能轉化為光輻射的電致發光器件。發光二極管具有較大的發散角和寬廣的光譜范圍，使用壽命長，可靠性高，調制電路簡單，成本較低，廣泛應用于通信系統、顯示屏和自動控制系統等領域。激光二極管則因其光譜窄、發散角小、方向性強、色散小等特點，自1962年首次研制成功后得到了快速發展，廣泛應用于大容量、長距離的光纖通信系統及光電集成電路。然而，激光二極管的溫度特性較差，壽命短于發光二極管。
光電探測器或光電接收器
光電探測器或光電接收器是通過電子過程探測光信號的器件。它們能夠將照射在其表面的光信號轉換為電信號，如PIN光電二極管和雪崩光電二極管（APD），在現代光纖通信系統中有廣泛應用。
太陽電池
太陽電池是將光輻射能轉換為電能的器件。1954年，利用硅PN結首次研制出了太陽電池。這種電池能夠高效地將陽光直接轉換為電能，提供持久且低成本的電力供應，且無污染，是最清潔的能源之一。根據不同結構，太陽電池的效率可達5%至20%。
器件分類
光電子器件可根據其結構特點分為體光電子器件、正反向結光電子器件、異質結和多結光電子器件四類。每種類別的器件都有其獨特的物理特性，可用于不同的應用場景。
體光電子器件
體光電子器件結構簡單，半導體材料吸收能量大于禁帶寬度的單射光子，激發出非平衡電子-空穴對，產生光電導。這些器件已在軍事上獲得了廣泛應用。
正向結光電子器件
正向結光電子器件在正向大偏置下，PN結結區附近會注入大量非平衡載流子，利用復合發光效應可制成多種顏色的發光二極管。這些器件功耗低、體積小、壽命長，已逐漸取代真空管。
反向結光電子器件
反向結光電子器件中，PN結內的電荷轉移會在結區建立強內場，導致能帶彎曲，形成PN結勢壘。光生載流子擴散入結區后會被內場掃向兩側，構成光生電流。此類器件包括硅光電池和光敏二極管，后者廣泛用于光檢測。
異質結光電子器件
異質結光電子器件是60年代以來發展的新技術，通過外延生長技術將不同半導體單晶薄膜結合在一起，形成了異質結或異質結構。這種結構具有新的電學特性，如單向注入特性、載流子定域限制效應、負電子親和勢等，以及光學上的窗口效應、光波導特性等。異質結光電子器件不僅提高了原有器件的性能，還開發了許多新功能器件，如量子阱激光器、雙穩態光器件等。
多結光電子器件
多結光電子器件可以根據器件功能需求，連續生長兩個以上的多層異質結。這種器件既可以是二端工作的，也可以是三端或多端的。例如，AlGaAs/GaAsPNPN負阻激光器是一種多結二端器件，它集成了普通PNPN閘流管和雙異質激光器的功能。光晶體管是一種多層雙結三端器件，也是一種有內部電流增益的光電探測器。最典型的多結器件是量子阱激光器，它的有源區由多層超晶格材料構成，能夠在一定程度上克服半導體激光器能帶工作的弱點。
應用前景
半導體激光器尤其是室溫連續波工作的雙異質結激光器的出現，標志著光電子器件的應用領域從被動式應用時期進入主動式應用階段。光通信是光電子學取得的重大成就之一，具有低損耗、大容量、強保密性和抗電磁干擾的特點，已成為現代社會不可或缺的一部分。此外，光電子器件還在計算機中的相干光存儲和激光讀出技術中發揮了重要作用。雙穩態光學器件的研究引起了人們對光計算機的關注，未來有望在計算機中采用光傳輸技術來提高運算速度。
參考資料 >
『行業研究』半導體:(九十八)光電子器件(3).雪球.2024-09-14
半導體光電子器件與工藝.中國大學MOOC.2024-09-14
半導體光電子器件.與非網.2024-09-14