《型半導(dǎo)體器》PPT課件.ppt

1、2021/2/23,Theory of Semiconductor Devices,1,第六章： 新型半導(dǎo)體器件,6.1 現(xiàn)代MOS器件 6.2 納米器件 6.3 微波器件 6.4 光電子器件 6.5 量子器件,2021/2/23,Theory of Semiconductor Devices,2,Tri-Gate,Carbon Nanotube FET,SiGe S/D Strained Silicon,Future options subject to research Easy to wire up (compared to quantum dots); Rich and versati

2、le properties,2021/2/23,Theory of Semiconductor Devices,29,Carbon Nanotube,CNT is a tubular form of carbon with diameter as small as 1 nm. Length: few nm to cm. CNT is configurationally equivalent to a two dimensional graphene sheet rolled into a tube,CNT exhibits: Carrier mobility 100,000 cm2/Vs Yo

3、ungs modulus over 1 Tera Pascal, as stiff as diamond; 3. Tensile strength 200 GPa. CNT can be metallic or semiconducting, depending on chirality,2021/2/23,Theory of Semiconductor Devices,30,CNT FETs,Delft : Tans, et al., Nature, 393, 49, 1998,Javey, et al., Nano Letters, 4, 1319, 2004,Appenzeller, e

4、t al., PRL, 93, 19, 2005,Liu, et al., Nano Letters, 6, 34, 2006,2021/2/23,Theory of Semiconductor Devices,31,Traditional approach: On-Site Synthesis of Single-Walled Carbon Nanotubes,H. Dai, et al, Nature 395, 878 (1998,2021/2/23,Theory of Semiconductor Devices,32,Infrastructure: Nanotube CVD Genera

5、tion I,High-quality nanotubes can be grown at specific positions,Nanotube transistor can be easily produced,2021/2/23,Theory of Semiconductor Devices,33,Toward Integrated Nanotube Systems,Potassium doping: 1.Heat up a potassium source; 2.Electron transfer from K to the nanotube reverts the doping fr

6、om p type to n type,N-type Field Effect Transistor,2021/2/23,Theory of Semiconductor Devices,34,Integrated Nanotube Systems:Complementary Carbon Nanotube Inverter,Carbon Nanotube Field-Effect Inverters, X. Liu, R. Lee, J. Han, C. Zhou, Appl. Phys. Lett. 79, 3329 (2001,2021/2/23,Theory of Semiconduct

7、or Devices,35,6.3 微波器件,微波頻率覆蓋范圍從1GHz（109Hz）到1000GHz，相應(yīng)的波長(zhǎng)從30cm到0.03cm。其中30到300GHz頻段，因其波長(zhǎng)是10到1mm，故稱為毫米波帶。更高的頻率稱為亞毫米波帶,2021/2/23,Theory of Semiconductor Devices,36,主要微波半導(dǎo)體器件概況,2021/2/23,Theory of Semiconductor Devices,37,2021/2/23,Theory of Semiconductor Devices,38,6.4 光電子器件,LED產(chǎn)生光子發(fā)射的主要條件是系統(tǒng)必須處于非平衡狀態(tài)

8、（即，半導(dǎo)體內(nèi)需要有某種激發(fā)過程存在，通過非平衡載流子的復(fù)合，才能形成發(fā)光,2021/2/23,Theory of Semiconductor Devices,39,輻射復(fù)合：帶帶復(fù)合、淺施主-價(jià)帶或?qū)?淺受主間復(fù)合（施、受主的電離能都很小，躍遷與帶-帶躍遷很難區(qū)別，但由于引入雜質(zhì)能級(jí)位于K為（000）外，則使動(dòng)量守恒定律較易滿足，提高了直接躍遷幾率）、施、受主之間的復(fù)合、通過深能級(jí)的復(fù)合、等電子陷阱等 非輻射復(fù)合：多聲子復(fù)合、俄歇復(fù)合、表面復(fù)合,2021/2/23,Theory of Semiconductor Devices,40,GaAs(direct) 直接帶隙半導(dǎo)體，都是常用的發(fā)光

9、材料 對(duì)于象GaAs這一類直接帶隙半導(dǎo)體，直接復(fù)合起主要作用，因此內(nèi)部量子效率比較高。但從晶體內(nèi)實(shí)際能逸出的光子卻非常少。 Si(indirect,2021/2/23,Theory of Semiconductor Devices,41,激光器Laser,1976年左右，光纖的傳輸損耗在波長(zhǎng)大于1m時(shí)波長(zhǎng)越大損耗越小，但在長(zhǎng)波長(zhǎng)帶沒有半導(dǎo)體激光器。GaInAsP系列的激光器可以從長(zhǎng)波長(zhǎng)工作。 發(fā)光二極管的發(fā)光加受激輻射 受激輻射三個(gè)條件 1。粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 2。形成光諧振腔 3。滿足一定的閾值條件,2021/2/23,Theory of Semiconductor Devices,42,結(jié)型激光器

10、中，垂直于結(jié)面的兩個(gè)嚴(yán)格平行的拋光解理面和另一對(duì)與之垂直的平行粗糙面構(gòu)成了所謂法布里-帕羅腔。兩個(gè)拋光解理面就是諧振腔的反射鏡面,2021/2/23,Theory of Semiconductor Devices,43,結(jié)型激光器中，垂直于結(jié)面的兩個(gè)嚴(yán)格平行的拋光解理面和另一對(duì)與之垂直的平行粗糙面構(gòu)成了所謂法布里-帕羅腔。兩個(gè)拋光解理面就是諧振腔的反射鏡面,結(jié)型激光器結(jié)構(gòu),2021/2/23,Theory of Semiconductor Devices,44,Single heterojunction laser,2021/2/23,Theory of Semiconductor Devic

11、es,45,太陽能電池,太陽能電池對(duì)于空間和地面應(yīng)用都是很有用的。它能給衛(wèi)星長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)供電。由于太陽能電池能以高轉(zhuǎn)換效率直接將太陽光轉(zhuǎn)變成電力，以相當(dāng)?shù)土膬r(jià)格提供幾乎永久性的動(dòng)力，而且實(shí)際上不造成任何污染，因此它也是地球上新型能源的重要候選者。 太陽能電池起支配作用的有效過程是光吸收,2021/2/23,Theory of Semiconductor Devices,46,非晶硅（-Si）也可以用來制作太陽能電池，用射頻輝光放電分解硅烷的方法，在金屬或玻璃襯底上淀積幾微米厚的非晶硅薄層，-Si的有效禁帶寬度是1.5eV，它的光吸收特性如圖6.27所示。雖然-Si太陽能電池的效率（10%）比單

12、晶硅太陽能電池的效率低，但是它的造價(jià)卻低得多，因此，-Si太陽能電池是大規(guī)模利用太陽能的主要器件之一,2021/2/23,Theory of Semiconductor Devices,47,光電探測(cè)器,光電探測(cè)器是能夠把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件。光電探測(cè)器的工作過程包括下面三個(gè)步驟：1）入射光產(chǎn)生載流子；2）載流子輸運(yùn)和（或）被某種可能存在的電流增益機(jī)構(gòu)倍增；3）電流和外電路相互作用，提供輸出信號(hào),2021/2/23,Theory of Semiconductor Devices,48,光電探測(cè)器有廣泛的應(yīng)用，其中包括用作光隔離器中的紅外傳感器和光纖通訊探測(cè)器。對(duì)于這些應(yīng)用，光電探測(cè)器

13、在工作的波長(zhǎng)范圍內(nèi)必須具有高靈敏度、高的響應(yīng)速度及低噪聲。此外光電探測(cè)器應(yīng)該小型堅(jiān)實(shí)，偏置電壓、偏置電流低，在所要求的工作條件下使用可靠,2021/2/23,Theory of Semiconductor Devices,49,光電二極管,光電二極管基本上是一個(gè)工作在反向偏置下的p-n結(jié)。當(dāng)光信號(hào)射到二極管上時(shí)，耗盡區(qū)把光產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)分離開，在外電路中產(chǎn)生電流。在高頻工作時(shí)，耗盡區(qū)必須很薄以減小渡越時(shí)間；但另一方面，為了增加量子效率，耗盡層又必須足夠厚，以便能吸收大部分入射光，因此，應(yīng)該兼顧響應(yīng)速度和量子效率,2021/2/23,Theory of Semiconductor Devic

14、es,50,量子效率,量子效率是每個(gè)入射光子產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)的數(shù)目： 式中Ip是吸收波長(zhǎng)為（相應(yīng)的光子能量為h）、功率為Popt的入射光產(chǎn)生的光電流。決定的關(guān)鍵因素之一是吸收系數(shù)（圖6.27）。由于和波長(zhǎng)有強(qiáng)烈的依賴關(guān)系，因此能產(chǎn)生明顯光電流的波長(zhǎng)范圍是有限制的。長(zhǎng)波限C由禁帶寬度式（6-25）決定，例如對(duì)于鍺是1.8m，對(duì)于硅為1.1m。當(dāng)波長(zhǎng)大于C時(shí)，值太小，不足以產(chǎn)生顯著的帶到帶的吸收。光響應(yīng)也有短波限，這是因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)很短時(shí)，值很大（105cm-1），大部分輻射在表面附近被吸收，而表面的復(fù)合時(shí)間又很短，因此光生載流子在被p-n結(jié)收集之前就已經(jīng)被復(fù)合掉了,2021/2/23,Theory

15、of Semiconductor Devices,51,在紫外光和可見光區(qū)，金屬-半導(dǎo)體光電二極管有很高的量子效率；在近紅外區(qū)，硅光電二極管（有抗反射涂層）在0.8m到0.9m附近, 量子效率可達(dá)100%；在1.0m到1.6m的區(qū)域,鍺光電二極管和III-V族光電二極管(如GaInAs)有很高的量子效率。對(duì)于更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，為了獲得高的量子效率，光電二極管需進(jìn)行冷卻（例如冷卻到77K,2021/2/23,Theory of Semiconductor Devices,52,響應(yīng)速度,響應(yīng)速度受下列三個(gè)因素限制:(1)載流子的擴(kuò)散；（2）在耗盡層內(nèi)的漂移時(shí)間；（3）耗盡層電容。在耗盡層外邊產(chǎn)生的載流

16、子必須擴(kuò)散到p-n結(jié)，這將引起可觀的時(shí)間延遲。為了將擴(kuò)散效應(yīng)減到最小，結(jié)應(yīng)盡可能接近表面。當(dāng)耗盡層足夠?qū)挄r(shí)，光被吸收的量將最大。不過，耗盡層又不能太寬，否則渡越時(shí)間會(huì)限制頻率響應(yīng)。耗盡層又不能太薄，否則電容C過大，使時(shí)間常數(shù)RC變得很大，這里R是負(fù)載電阻。耗盡層寬度的最佳折衷方案是使耗盡層渡越時(shí)間近似等于調(diào)制周期的一半。例如，調(diào)制頻率為2GHz時(shí)，硅的最佳耗盡層寬度約為25m（飽和速度為107cm/s,2021/2/23,Theory of Semiconductor Devices,53,6.5 量子器件,單電荷隧穿 SET 基本條件： 1。系統(tǒng)必須有導(dǎo)電的島（單 個(gè)隧道結(jié)除外），僅經(jīng)隧道

17、勢(shì)壘與其它金屬區(qū)連接，隧道 勢(shì)壘的隧穿電阻必須遠(yuǎn)大于 量子電阻25.8K。 2。島必須足夠小和溫度足夠低,2021/2/23,Theory of Semiconductor Devices,54,庫侖阻塞(Coulomb Blockade,極薄絕緣體將兩電極隔開形成一個(gè)電荷位壘隧道。從不帶電狀態(tài)變?yōu)閹д?fù)電荷狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)能量增加。在沒有外界提供能量時(shí)，不可能發(fā)生，一電荷從一電極穿過隧道結(jié)到另一電極。 在納米體系中，由于能級(jí)分立和勢(shì)壘分割，當(dāng)有電流流通時(shí)，在一定的條件下會(huì)產(chǎn)生電流中斷現(xiàn)象 如果每次隧穿的是單個(gè)電子，庫侖阻塞的閾值電壓是e/2C。（C為電容,2021/2/23,Theory of

18、Semiconductor Devices,55,室溫下工作SET預(yù)計(jì)至少可以有三方面應(yīng)用： 1、對(duì)極微弱電流的測(cè)量和制成超高靈敏度的靜電計(jì)； 2、存儲(chǔ)器存儲(chǔ)量1000倍以上以及超高速微功耗等； 3、高靈敏紅外探測(cè),2021/2/23,Theory of Semiconductor Devices,56,量子計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)的能耗對(duì)芯片的影響越來越大，能耗制約著芯片集成度 但只要把所有的不可逆門操作改造為可逆操作，就可以實(shí)現(xiàn)無能耗的計(jì)算 可以證明：所有經(jīng)典不可逆計(jì)算機(jī)都可以改造成可逆計(jì)算機(jī)，而不影響計(jì)算能力。在量子力學(xué)中，可逆操作可以使用一個(gè)幺正矩陣來表示。Argonne國家實(shí)驗(yàn)室的Paul Benioff最早使用量子力學(xué)來描述可逆計(jì)算機(jī)。在量子可逆計(jì)算機(jī)中，使用一個(gè)二能級(jí)的量子體系來表示一位，這個(gè)量子體系處在量子態(tài)0和1上,2021/2/23,Theory of Semicond