幾種重要的微電子器件

1、主要內(nèi)容主要內(nèi)容?薄膜晶體管薄膜晶體管TFT?光電器件光電器件?電荷耦合器件電荷耦合器件薄膜晶體管薄膜晶體管?薄膜晶體管薄膜晶體管(Thin Film Transistor，TFT)通常是指利用半導(dǎo)體薄膜材料制通常是指利用半導(dǎo)體薄膜材料制成的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管成的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管非晶硅薄膜晶體管非晶硅薄膜晶體管(a-Si TFT)多晶硅薄膜晶體管多晶硅薄膜晶體管(poly-Si TFT)碳化硅薄膜晶體管碳化硅薄膜晶體管(SiC TFT)?TFT的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)立體結(jié)構(gòu)型立體結(jié)構(gòu)型平面結(jié)構(gòu)型平面結(jié)構(gòu)型?TFT的應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用領(lǐng)域大面積平板顯示大面積平板顯示有源矩陣液晶顯示有源矩陣液晶顯示(Acti

2、ve Matrix Liquid Crystal Display, 縮寫為縮寫為AMLCD)電可擦除只讀存儲(chǔ)器電可擦除只讀存儲(chǔ)器(ROM)靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)線陣或面陣型圖像傳感器驅(qū)動(dòng)電路線陣或面陣型圖像傳感器驅(qū)動(dòng)電路?液晶顯示器液晶顯示器驅(qū)動(dòng)電壓和功耗低、體積小、重量驅(qū)動(dòng)電壓和功耗低、體積小、重量輕、無(wú)輕、無(wú)X射線輻射等一系列優(yōu)點(diǎn)射線輻射等一系列優(yōu)點(diǎn)為了降低串?dāng)_，提高掃描線數(shù)，在為了降低串?dāng)_，提高掃描線數(shù)，在每個(gè)像素上配置一個(gè)開(kāi)關(guān)器件，形每個(gè)像素上配置一個(gè)開(kāi)關(guān)器件，形成有源矩陣液晶顯示，消除了像素成有源矩陣液晶顯示，消除了像素間的交叉串?dāng)_間的交叉串?dāng)_TFT有源矩陣的結(jié)構(gòu)有

3、源矩陣的結(jié)構(gòu)光電子器件光電子器件?光電子器件：光子擔(dān)任主要角色的光電子器件：光子擔(dān)任主要角色的電子器件電子器件發(fā)光器件：將電能轉(zhuǎn)換為光能發(fā)光器件：將電能轉(zhuǎn)換為光能發(fā)光二極管發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，縮，縮寫為寫為L(zhǎng)ED)半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器太陽(yáng)能電池：將光能轉(zhuǎn)換為電能太陽(yáng)能電池：將光能轉(zhuǎn)換為電能光電探測(cè)器：利用電子學(xué)方法檢測(cè)光光電探測(cè)器：利用電子學(xué)方法檢測(cè)光信號(hào)的信號(hào)的?輻射躍遷和輻射躍遷和光吸收：光吸收：在固體中，在固體中，光子和電子光子和電子之間的相互之間的相互作用有三種作用有三種基本過(guò)程：基本過(guò)程：吸收、自發(fā)吸收、自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射和受激發(fā)射發(fā)射兩個(gè)能級(jí)之

4、間的三種基本躍遷過(guò)程兩個(gè)能級(jí)之間的三種基本躍遷過(guò)程(a) 吸收吸收 (b) 自發(fā)發(fā)射自發(fā)發(fā)射 (c) 受激發(fā)射受激發(fā)射?發(fā)光器件發(fā)光器件發(fā)光二極管：靠注入載流子自發(fā)復(fù)發(fā)光二極管：靠注入載流子自發(fā)復(fù)合而引起的自發(fā)輻射；非相干光合而引起的自發(fā)輻射；非相干光半導(dǎo)體激光器則是在外界誘發(fā)的作半導(dǎo)體激光器則是在外界誘發(fā)的作用下促使注入載流子復(fù)合而引起的用下促使注入載流子復(fù)合而引起的受激輻射；相干光，具有單色性好、受激輻射；相干光，具有單色性好、方向性強(qiáng)、亮度高等特點(diǎn)方向性強(qiáng)、亮度高等特點(diǎn)?半導(dǎo)體電致發(fā)光有著悠久的歷史半導(dǎo)體電致發(fā)光有著悠久的歷史1907年觀察到電流通過(guò)硅檢波器時(shí)發(fā)黃光現(xiàn)象年觀察到電流通過(guò)硅

5、檢波器時(shí)發(fā)黃光現(xiàn)象1923年在碳化硅檢波器中觀察到類似的現(xiàn)象年在碳化硅檢波器中觀察到類似的現(xiàn)象1955年觀察到年觀察到III-V族化合物中的輻射族化合物中的輻射1961年觀察到磷化鎵年觀察到磷化鎵pn結(jié)的發(fā)光結(jié)的發(fā)光60年代初期年代初期GaAs晶體制備技術(shù)的顯著發(fā)展晶體制備技術(shù)的顯著發(fā)展1962年制成年制成GaAs發(fā)光二極管和發(fā)光二極管和GaAs半導(dǎo)體激光半導(dǎo)體激光器器異質(zhì)結(jié)的發(fā)展對(duì)結(jié)型發(fā)光器件性能的提高也起異質(zhì)結(jié)的發(fā)展對(duì)結(jié)型發(fā)光器件性能的提高也起了很大的推進(jìn)作用了很大的推進(jìn)作用?半導(dǎo)體發(fā)射激光，即要實(shí)現(xiàn)受激發(fā)射，半導(dǎo)體發(fā)射激光，即要實(shí)現(xiàn)受激發(fā)射，必須滿足下面三個(gè)條件：必須滿足下面三個(gè)條件：通

6、過(guò)施加偏壓等方法將電子從能量較低的價(jià)通過(guò)施加偏壓等方法將電子從能量較低的價(jià)帶激發(fā)到能量較高的導(dǎo)帶，產(chǎn)生足夠多的電帶激發(fā)到能量較高的導(dǎo)帶，產(chǎn)生足夠多的電子空穴對(duì)，導(dǎo)致粒子數(shù)分布發(fā)生反轉(zhuǎn)子空穴對(duì)，導(dǎo)致粒子數(shù)分布發(fā)生反轉(zhuǎn)形成光諧振腔，使受激輻射光子增生，產(chǎn)生形成光諧振腔，使受激輻射光子增生，產(chǎn)生受激振蕩，導(dǎo)致產(chǎn)生的激光沿諧振腔方向發(fā)受激振蕩，導(dǎo)致產(chǎn)生的激光沿諧振腔方向發(fā)射射滿足一定的閾值條件，使電子增益大于電子滿足一定的閾值條件，使電子增益大于電子損耗，即激光器的電流密度必須大于產(chǎn)生受損耗，即激光器的電流密度必須大于產(chǎn)生受激發(fā)射的電流密度閾值激發(fā)射的電流密度閾值光電探測(cè)器光電探測(cè)器?光電探測(cè)器：對(duì)各

7、種光輻光電探測(cè)器：對(duì)各種光輻射進(jìn)行接收和探測(cè)的器件射進(jìn)行接收和探測(cè)的器件熱探測(cè)器熱探測(cè)器光子探測(cè)器光子探測(cè)器?熱探測(cè)器：利用探測(cè)元吸收入射光熱探測(cè)器：利用探測(cè)元吸收入射光(通常是紅外光通常是紅外光)產(chǎn)生熱量，引起溫度產(chǎn)生熱量，引起溫度上升，然后再借助各種物理效應(yīng)把溫上升，然后再借助各種物理效應(yīng)把溫度的變化轉(zhuǎn)變成電學(xué)參量度的變化轉(zhuǎn)變成電學(xué)參量?熱探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的過(guò)程：熱探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的過(guò)程：探測(cè)器吸收光輻射引起溫度上升探測(cè)器吸收光輻射引起溫度上升利用探測(cè)器的某些溫度效應(yīng)把溫升轉(zhuǎn)換利用探測(cè)器的某些溫度效應(yīng)把溫升轉(zhuǎn)換成電學(xué)參量成電學(xué)參量?光子探測(cè)器：利用入射光子與半導(dǎo)體光子探測(cè)器：利用入射光

8、子與半導(dǎo)體中處于束縛態(tài)的電子中處于束縛態(tài)的電子(或空穴或空穴)相互作用，相互作用，將它們激發(fā)為自由態(tài)，引起半導(dǎo)體的電將它們激發(fā)為自由態(tài)，引起半導(dǎo)體的電阻降低或者產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)阻降低或者產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)?光子探測(cè)器的三個(gè)基本過(guò)程：光子探測(cè)器的三個(gè)基本過(guò)程：光子入射到半導(dǎo)體中并產(chǎn)生載流子光子入射到半導(dǎo)體中并產(chǎn)生載流子載流子在半導(dǎo)體中輸運(yùn)并被某種電流增益載流子在半導(dǎo)體中輸運(yùn)并被某種電流增益機(jī)構(gòu)倍增機(jī)構(gòu)倍增產(chǎn)生的電流與外電路相互作用，形成輸出產(chǎn)生的電流與外電路相互作用，形成輸出信號(hào)，從而完成對(duì)光子的探測(cè)信號(hào)，從而完成對(duì)光子的探測(cè)?光敏電阻：光敏電阻通常由一塊狀或薄膜光敏電阻：光敏電阻通常由一塊狀或薄膜狀半導(dǎo)體及

9、其兩邊的歐姆接觸構(gòu)成狀半導(dǎo)體及其兩邊的歐姆接觸構(gòu)成?光電二極管：光電二極管實(shí)際上就是一個(gè)光電二極管：光電二極管實(shí)際上就是一個(gè)工作在反向偏置條件下的工作在反向偏置條件下的pn結(jié)，結(jié)，p-i-n光電光電二極管是最常用的光電探測(cè)器件二極管是最常用的光電探測(cè)器件?雪崩光電二極管：雪崩光電二極管是借助雪崩光電二極管：雪崩光電二極管是借助強(qiáng)電場(chǎng)作用產(chǎn)生載流子倍增效應(yīng)強(qiáng)電場(chǎng)作用產(chǎn)生載流子倍增效應(yīng)(即雪崩即雪崩倍增效應(yīng)倍增效應(yīng))的一種高速光電器件的一種高速光電器件太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池?吸收光輻射而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，它是半導(dǎo)體吸收光輻射而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，它是半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的理論基礎(chǔ)太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的理

10、論基礎(chǔ)?產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)的兩個(gè)基本條件：產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)的兩個(gè)基本條件：半導(dǎo)體材料對(duì)一定波長(zhǎng)的入射光有足夠大半導(dǎo)體材料對(duì)一定波長(zhǎng)的入射光有足夠大的光吸收系數(shù)，即要求入射光子的能量的光吸收系數(shù)，即要求入射光子的能量h 大于或等于半導(dǎo)體的禁帶寬度大于或等于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg具有光生伏特結(jié)構(gòu)，即有一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)所具有光生伏特結(jié)構(gòu)，即有一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的勢(shì)壘區(qū)對(duì)應(yīng)的勢(shì)壘區(qū)?影響太陽(yáng)影響太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)能電池轉(zhuǎn)換效率的換效率的主要因素主要因素有：表面有：表面太陽(yáng)光的太陽(yáng)光的反射、反射、pn結(jié)漏電流結(jié)漏電流和寄生串和寄生串聯(lián)電阻等聯(lián)電阻等CCD器件器件?電荷耦合器件電荷耦合器件(Charge Coupled Device，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱CCD)：70年代初由美年代初由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功的一種新型半國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功的一種新型半導(dǎo)體器件導(dǎo)體器件?CCD器件不同于其他器件的突出特器件不同于其他器件的突出特點(diǎn)：以電荷作為信號(hào)，即信息用電荷點(diǎn)：以電荷作為信號(hào)，即信息用電荷量量(稱為電荷包稱為電荷包)代表，而其他器件則代表，而其他器件則都是以電壓或電流作為信號(hào)的都是以電壓或電流作為信號(hào)的?CCD器件的應(yīng)用器件的應(yīng)用廣泛用于影像傳感、數(shù)字存儲(chǔ)和信廣泛用于影像傳感、數(shù)字存儲(chǔ)和信息處理等三個(gè)領(lǐng)域，其