半导体光电子器件.ppt
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半导体光电子器件半导体光电子器件1409-91、11、12、班、班-2012.03-06-张鹤鸣张鹤鸣88201500(0)133192761161“CompleteGuidetoSemiconductorDevice”指出:
指出:
半导体器件有半导体器件有67种,种,110余变种。
余变种。
概概述述2构结本基构结本基基本结构基本结构漂移漂移-扩散扩散电子器件电子器件半导体器件基本类型半导体器件基本类型pn结结MISM-S异质结异质结组合组合光电子器件光电子器件电子电子-光子光子互作用物理过程互作用物理过程理理论论基基础础理理论论基基础础3课程主要内容课程主要内容CH1半导体光电子器件物理基础半导体光电子器件物理基础CH2半导体太阳电池(半导体太阳电池(SolarCells)CH3半导体光电探测器(半导体光电探测器(Photodetectors)CH4半导体电荷耦合器件(半导体电荷耦合器件(CCD)CH5半导体发光二极管(半导体发光二极管(LED)CH6半导体激光器(半导体激光器(LD)4层层次次基本结构与原理基本结构与原理主要概念与性能主要概念与性能理论基础与机理理论基础与机理性能提升与措施性能提升与措施重点理解与掌握重点理解与掌握基本物理概念基本物理概念基本物理过程基本物理过程基本物理图像基本物理图像5Ch1半导体光电子器件物理基础半导体光电子器件物理基础一、一、pn结结二、二、MIS结构结构三、三、金属与半导体接触金属与半导体接触四、四、异质结与量子阱异质结与量子阱五、五、半导体光吸收与光辐射半导体光吸收与光辐射六、六、平板介质光波导基本理论平板介质光波导基本理论基本物理属性基本物理属性基本电学特性基本电学特性61-1pn结(同质)结(同质)一、基本物理属性一、基本物理属性1、基本类型、基本类型2、空间电荷区与自建电场、空间电荷区与自建电场3、能带结构(平衡与非平衡)、能带结构(平衡与非平衡)4、载流子分布(平衡与非平衡)、载流子分布(平衡与非平衡)二、基本电学特性二、基本电学特性1、载流子输运过程、载流子输运过程2、I-V特性特性3、势垒电容与扩散电容、势垒电容与扩散电容4、击穿机制及机理、击穿机制及机理7空间电荷区形成物理过程及属性空间电荷区形成物理过程及属性8能带结构及载流子分布能带结构及载流子分布?
9P区区n区区pp0pn0nn0np0pn0exp(qVF/kT)np0exp(qVF/kT)P区区n区区pp0pn0nn0np0pn0exp(qVR/kT)np0exp(qVR/kT)正正偏:
偏:
反反偏:
偏:
10费米能级费米能级11载流子输运过程载流子输运过程12I-V特性特性LnLp?
WPWn13势垒电容物理机制势垒电容物理机制P区区n区区P区区n区区空穴补偿空穴补偿电子补偿电子补偿空穴释放空穴释放电子释放电子释放偏压上升:
偏压上升:
变窄变窄偏压下降:
偏压下降:
变宽变宽14扩散电容物理机制扩散电容物理机制P区区n区区pn151-2MIS结构结构一、一、MIS结构物理基础结构物理基础1、半导体表面状态与能带结构、半导体表面状态与能带结构2、半导体表面势与表面电荷、半导体表面势与表面电荷3、氧化层电荷与界面态作用、氧化层电荷与界面态作用4、强反型与阈值电压、强反型与阈值电压5、深耗尽状态及机理、深耗尽状态及机理二、二、MISFET电学特性电学特性1、MISFET基本原理与结构基本原理与结构2、MISFET基本类型与特性基本类型与特性16MIS基本基本结构及属性结构及属性VGn-Siorp-SimetalinsulatorVoxVSSurfaceSpaceChargeRegion17(WmWs)/q(EiEF)/q可略可略表面状态与能带结构表面状态与能带结构表面势与表面电荷表面势与表面电荷?
强反型与阈值电压强反型与阈值电压?
VG=VT=VFB(Q反反+Q耗尽耗尽)/Cox+2F=VFBQ耗尽耗尽/Cox+2FVFB=msQSiO2/Cox18深耗尽状态及机制深耗尽状态及机制VGVGVGdVG/dtppp19VGVTp-SiMOSFET结构、原理及类型结构、原理及类型n+n+结构及类型结构及类型?
201-3金属与半导体接触金属与半导体接触一、金一、金-半接触物理基础半接触物理基础1、金、金-半接触类型与能带结构半接触类型与能带结构2、势垒形成与界面态、势垒形成与界面态3、空间电荷区与电势、空间电荷区与电势二、肖特基结基本电学特性二、肖特基结基本电学特性1、基本电学特性、基本电学特性2、载流子输运过程及机制、载流子输运过程及机制21势垒接触势垒接触22非势垒接触非势垒接触23非势垒接触(欧姆接触?
)非势垒接触(欧姆接触?
)24表面态影响与欧姆接触表面态影响与欧姆接触EFm251-4异质结与量子阱异质结与量子阱一、异质结物理基础一、异质结物理基础1、基本类型与能带结构、基本类型与能带结构2、空间电荷区与电势、空间电荷区与电势二、异质结基本电学特性二、异质结基本电学特性1、载流子输运过程、载流子输运过程2、基本电学特性与特征、基本电学特性与特征三、量子阱与超晶格三、量子阱与超晶格1、量子阱、量子阱2、超晶格、超晶格3、量子点与量子线、量子点与量子线四、二维电子气(四、二维电子气(2DEG)与二维空穴气()与二维空穴气(2DHG)26一、异质结物理基础一、异质结物理基础异质结:
异质结:
两种禁带宽度不同的半导体材料组成的结。
两种禁带宽度不同的半导体材料组成的结。
1、基本类型与能带结构、基本类型与能带结构类型:
类型:
异型异质结异型异质结-两种材料导电类型不同;两种材料导电类型不同;同型异质结同型异质结-两种材料导电类型相同。
两种材料导电类型相同。
主要应用:
主要应用:
微电子器件微电子器件-提高增益、频率特性、线性提高增益、频率特性、线性度,减小噪声、功耗等。
度,减小噪声、功耗等。
光电子器件光电子器件-提高器件光电转换效率等。
提高器件光电转换效率等。
主要结构材料:
主要结构材料:
GaAs基材料,如,基材料,如,AlxGa1-xAs/GaAs、InxGa1-xAs/GaAs;Si基:
基:
Si1-xGex/Si,-272、能带结构、能带结构特特征:
征:
导带、价带分别存在带隙差导带、价带分别存在带隙差EC和和EV特点:
特点:
高、低势垒高、低势垒ECEVEcor缓变异性异质结缓变异性异质结283、空间电荷区与电势、空间电荷区与电势1)空间电荷区形成过程)空间电荷区形成过程2)电场及其分布)电场及其分布掺杂浓度:
掺杂浓度:
和和;介电常数介电常数pS和和nSxpx0:
0xxn:
特征:
特征:
场线性分布;场线性分布;电场在界面处不连续;电场在界面处不连续;电位移失量连续。
电位移失量连续。
293)接触电位差)接触电位差-D空间电荷区空间电荷区p区侧区侧-Pn区侧区侧-n正、负正、负空间空间电荷区电势差与掺杂浓度关系电荷区电势差与掺杂浓度关系VDp/VDn=nsND/psNA!
304)空间电荷区宽度空间电荷区宽度联解上述方程联解上述方程非平衡异质非平衡异质pn结结-上式上式用(用()替换。
)替换。
-表示正偏;表示正偏;-表示反偏。
表示反偏。
p区侧:
区侧:
n区侧:
区侧:
315)势垒电容势垒电容空间电荷区正的或负的电荷量空间电荷区正的或负的电荷量:
单位面积势垒电容单位面积势垒电容与掺杂浓度、偏置电压的关系与同质结相同与掺杂浓度、偏置电压的关系与同质结相同32二、异质结基本电学特性二、异质结基本电学特性(n区宽带区宽带p区窄带为例区窄带为例)1、载流子输运过程(载流子势垒)、载流子输运过程(载流子势垒)图图a)和和(c)所示异质结:
所示异质结:
电子从电子从n区导带渡越到区导带渡越到p区区导带跨越的势垒高度为导带跨越的势垒高度为:
(qVD-EC)空穴从空穴从p区价带渡越到区价带渡越到n区区价带跨越的势垒高度为:
价带跨越的势垒高度为:
(qVD+Ev)图图(b)所示异质结:
所示异质结:
电子从电子从n区导带到区导带到p区导带跨越势垒高度为:
区导带跨越势垒高度为:
qVDn空穴从空穴从p区到区到n区跨越势垒高度仍为(区跨越势垒高度仍为(qVDE)特征特征:
电子和空穴渡越的势垒高度不同电子和空穴渡越的势垒高度不同VDn低势垒异质结低势垒异质结高势垒异质结高势垒异质结缓变异质结缓变异质结332、基本电学特性与特征、基本电学特性与特征1)基本电学特性)基本电学特性低势垒异质结和缓变异质结低势垒异质结和缓变异质结:
形式与同质形式与同质pnpn结相同,但少子密度项表示有差别结相同,但少子密度项表示有差别34高势垒异质结:
高势垒异质结:
352)电子流与空穴流特征)电子流与空穴流特征-注入比注入比同质结电子流与空穴流注入比同质结电子流与空穴流注入比异质结电子流与空穴流注入比异质结电子流与空穴流注入比若若Eg=250mv,注入比可以比同质结高,注入比可以比同质结高104倍以上倍以上36要要点点能带结构及特征;能带结构及特征;载流子渡越势垒特征;载流子渡越势垒特征;I-V方程形式;方程形式;电流注入比。
电流注入比。
37IVB#异质结基本应用异质结基本应用A1.限制限制BJT频率特性因素频率特性因素存在极限存在极限?
38A2.解决途径解决途径HBT(异质结双极晶体管异质结双极晶体管)qVpqVnEmitterBaseCollectorSiBJTqVn=qVpqVpqVnEmitterBaseCollectorSiGeHBTqVnqVp39势垒势垒#三、量子阱与超晶格三、量子阱与超晶格1、量子阱、量子阱二个异质结组成,其中间层导带底最低、价带顶二个异质结组成,其中间层导带底最低、价带顶最高;或仅导带底最低;或仅价带顶最高。
最高;或仅导带底最低;或仅价带顶最高。
2、超晶格、超晶格量子阱(或不同导电类型材料)组成的一维周期性结量子阱(或不同导电类型材料)组成的一维周期性结构,其势垒宽度小于电子的德布罗意波长。
构,其势垒宽度小于电子的德布罗意波长。
L小于德布罗意波长小于德布罗意波长(50nm)LEg1Eg2ECEVpnn异质结超晶格异质结超晶格掺杂超晶格掺杂超晶格40413、量子线与量子点、量子线与量子点量子线:
量子线:
二个方向物理尺寸小于德布罗意波长二个方向物理尺寸小于德布罗意波长量子点:
量子点:
三个方向物理尺寸小于德布罗意波长三个方向物理尺寸小于德布罗意波长421、量子阱、量子阱载流子能量量子化载流子能量量子化量子阱量子阱近似近似0LV01)单量子阱中电子)单量子阱中电子状态状态-遵循薛定谔方程遵循薛定谔方程xxyz43二维电子气(二维电子气(2DEG)二维空穴气(二维空穴气(2DEG)0LV0xxyz44EhhELh0L45EhhELh462)单量子阱中电子)单量子阱中电子状态密度状态密度(E)472、超晶格、超晶格1)多量子阱多量子阱单量子阱周期性组成,势垒宽度单量子阱周期性组成,势垒宽度大于德布罗意波长。
大于德布罗意波长。
量子阱内电子状态与单量子阱相同。
量子阱内电子状态与单量子阱相同。
EhhELh482)超晶格)超晶格势垒宽度势垒宽度小于德布罗意波长的小于德布罗意波长的多量子阱多量子阱。
特点:
电子在阱间共优化运动;特点:
电子在阱间共优化运动;量子化能级展宽成微带;量子化能级展宽成微带;量子阱量子阱xyxy面内电子能量仍连续。
面内电子能量仍连续。
EhhELh493、量子线与量子点、量子线与量子点量子线:
量子线:
二个方向物理尺寸小于德布罗意波长二个方向物理尺寸小于德布罗意波长量子点:
量子点:
三个方向物理尺寸小于德布罗意波长三个方向物理尺寸小于德布罗意波长3D2D1D0D50#超晶格能级状态超晶格能级状态-载流子受晶格周期性势场和可控的超晶格周期性势场载流子受晶格周期性势场和可控的超晶格周期性势场作用。
那么载流子的波函数也可人为控制。
作用
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- 关 键 词:
- 半导体 光电子 器件