半導體器件物理負阻器件、功率器件、光電器件課件

1、半導體器件物理Physics of Semiconductor DevicesS.M.SZE（周一：5、6；周三：1、2）1三部分內容負阻器件；功率器件；光電子器件 CH8 隧道器件CH9 碰撞電離雪崩渡越時間二極管CH10 轉移電子器件和(實空間轉移器件)CH11 晶閘管和功率器件CH12 發(fā)光二極管和半導體激光器CH13 光電探測器和太陽電池 2負阻器件隧穿機制(隧穿條件)1、隧道二極管2、反向二極管3、MIS開關二極管4、共振隧穿二極管渡越時間機制(注入角與延遲角)1、IMPATT二極管2、BARITT二極管電子空間轉移機制(非平衡電荷)1、轉移電子器件（TED）2、實空間轉移器件（RS

2、T）2341負阻產生機制1、隧穿機制2、渡越時間機制3、電子空間轉移機制幾率與因素隧穿條件條件條件1、基本結構及條件2、基本特性及條件3、工作機制與機理3功率器件晶閘管1、二端晶閘管2、三端晶閘管3、門極可關斷晶閘管(GTO)4、雙向常規(guī)晶閘管5、雙向門極可關斷晶閘管6、光控晶閘管其它功率器件1、VDMOSFET2、IGBT121、基本結構及條件2、基本特性及條件3、工作機制與機理等效電路正/負反饋4光電子器件電子-光子相互作用機制1、受激吸收2、受激輻射3、自發(fā)輻射發(fā)光器件1、發(fā)光二極管2、pn結激光器光電轉換器件1、太陽電池1、pn結光電二極管2、pin光電二極管 具有放大能力光電轉換器件

3、1、光電導2、雪崩光電二極管（APD）3、光電晶體管（BJT，FET） 圖像傳感器1、電荷耦合器件（CCD）2、CMOS圖像傳感器1231、基本結構及條件2、基本特性及條件3、工作機制與機理5基本結構及結構條件基本特性及工作條件工作機制與機理重點掌握123基本物理概念(結構、機制、機理)載流子(光子)輸運的基本物理過程載流子(光子)輸運的基本物理圖像重點理解1236CH8 隧道器件-Tunnel Devices Tunnel DiodeBackword Diode MIS Tunnel Diode MIM Tunnel Diode Tunneling HOT Electron Transist

4、or MIS Switch Diode Resonant Tunnel Diode7優(yōu) 勢1、多數載流子器件；2、隧穿時間極短，工作頻率極高；3、有微分負阻，可用于振蕩電路；4、隧穿器件集成有望實現高速低功耗。8IVIpVVVpqVpqVn一、隧道(江崎)二極管-Tunnel Diode （江崎1958年博士論文期間發(fā)現，1973獲諾貝爾獎） 2、基本結構 -簡并pn結； qVp、qVn 幾個kT/q ； xm10nm1、基本I-V特性 VV V Vp：93、I-V特性基本機理分析隧穿效應 反偏：正偏零偏從態(tài)密度解釋104、隧穿必要條件 1）電子隧出一側存在電子占據態(tài)；2）電子隧入一側相同能級

5、存在 未被電子占據態(tài)；3）隧道勢壘高度足夠低，寬度足夠窄；4）隧穿過程能量、動量守恒。5、隧穿E-k關系 直接帶隙能量、動量守恒間接帶隙能量守恒動量守恒聲子參與聲子與初始電子能量之和等于隧穿后能量E1E2GeE=E/ +E=11126、隧穿幾率 未考慮間接隧穿；未考慮垂直動量。EgX0=0 x1EC(x)電流？12Egx1x2 1）隧穿電流 7、電流-電壓特性平衡態(tài)：加偏壓：IVIpVVVpVE2E113當偏壓使電子態(tài)分布的峰值與空穴分布的峰值對應同一能量時的偏壓為峰值電流的電壓電子濃度分布空穴濃度分布qVpqVn*142）過剩電流隧穿路徑： CAD CBD CABD CD電子需隧穿的能量BD

6、（勢壘高度）： EXEg+q(Vn + Vp ) qV = q(Vbi-V)Dx: B點占據態(tài)密度ABDCqVbiqVbi153）pn結擴散電流電流-電壓特性16178、器件等效電路LSRSCj-R寄生參數本征參數最小負阻RminIVqVpqVn179、頻率特性及應用 -工作條件LSRSCj-R寄生參數本征參數最小負阻RminIV輸入阻抗：工作頻率,此時有負阻和電抗此時為負阻和容抗寄生電阻與電感要做小18LSRSCj-R寄生參數本征參數開關速度取決于充放電時常數-RC 希望隧穿電流大表征參數：速度指數(品質因子)Ip/Cj(VV)速度指數Jp耗盡層寬度速度指數與耗盡層寬度及峰值電流關系示意圖最

7、小負阻RminIVIpVVVpV19基本結構 工作機制 工作機理輸運過程 物理圖像思考題 若系弱簡并pn結，I-V特性曲線如何？ 若由強逐漸過渡弱簡并，I-V特性規(guī)律 如何？20二、反向二極管（ Backword Diode ）IVIV弱簡并更弱簡并機理？峰值電流小峰值電流小機理？21結構簡并pn結；隧穿條件；峰值電流簡并度；電流成份隧穿電流，過剩電流，熱電流22作 業(yè)1、依據隧道二極管I-V特性曲線，敘述其基本結構條件、工作機制與機理，以及其振蕩及負阻工作條件；2、依據反向二極管I-V特性曲線，敘述其基本結構條件、工作機制與機理。3、試畫出pn結由簡并到弱簡并，再到非簡并條件下I-V特性曲線

8、示意圖（p區(qū)、n區(qū)同）。23三、MIS隧道二極管（ MIS Tunnel Diode ）1、基本結構2、基本原理EFmEFmEFm24四、MIM隧道二極管（ MIM Tunnel Diode ）1、基本結構2、基本原理EFmEFm25五、隧穿熱電子晶體管 （ Tunneling HOT Electron Transistor ）優(yōu)點：潛在增益大、速度高、電流大2、基本原理隧穿熱電子轉移放大器(THETA)1、基本結構-放大狀態(tài)偏置EFmEFm發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)M-I-M-I- MEFm發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)M-I-M-SEFm發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)M-I-p-n集電區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)窄 帶本征寬帶1030nm75

9、0nm100250nm26六、MIS開關二極管（ MIS Switch Diode -MISS）1、基本結構及特性VAKIVSVhIhnP+AKt0 x=1.54nm優(yōu)點：開關速度高 1ns應用：數字邏輯 移位寄存器 存儲器 振蕩電路 缺點：柵氧一致性差EFm平衡態(tài)272、工作機制與機理VAKIVSVh1.5Ih1) 正柵壓:VAK 0 pn結反偏；半導體表面堆積；電流為pn結耗盡層產生流、反向擴散流的隧穿,直至擊穿。VAK 0 2、工作機制與機理a.|V|VS|： pn結正偏; n型表面深耗盡; 電流主要是表面耗盡層產生流b.|V|=|VS|：表面深耗盡層與pn結耗盡層穿通 正偏pn結耗盡層

10、寬度表面勢|V|VS|AnP+AKW+|V|=|VS|VAKIVSVhIhEFmEFmWDVVAK =C|V|=|VS|EFmEFmEFm30穿通；積累；表面勢；隧穿幾率3132七、共振隧穿二極管（ Resonant Tunnel Diode ） 量子隧穿產生負阻1、基本結構2、基本特性n+n+ 5nm1.55nm簡并發(fā)射區(qū)簡并收集區(qū)EVEVECEC應用： 振蕩器 1THz; 多值邏輯； 存儲器；-3、工作機制-隧穿效應JV負阻負阻324、工作機理量子化效應1) 勢阱內載流子能量量子化（z方向） 勢阱中電子遵循薛定諤方程:V與x、y無關w0V0zwn+n+EFEFEFEnECwxy33分離變量

11、法求解：x、y方向能量連續(xù)- 2DEG（2DHG）導帶能量量子化n+n+EFEFEFEnECw價帶類似0V0zw34EhhELh價帶有類似結果EhhELh352) 工作機制與機理-隧穿n+n+EFEFEFEnECw低溫下，發(fā)射區(qū)EC與En對齊電流最大；考慮散射，En在發(fā)射區(qū)Ef以下形成隧穿電流；En位于Ef 與EC之間時有最大電流。JVacVpbabCEF低于E1不會隧穿363) 工作條件-隧穿能量與動量守恒動量：隧穿方向動量 橫向動量能量：隧穿方向動量橫向動量Exy隧穿：能量守恒EE(發(fā)射區(qū))= Ew (阱區(qū)) 橫向動量守恒EnEF 隧穿幾率極低EF EC有隧穿En EC隧穿幾率極低EkEC

12、EFEkE1(En)wEkECEFEk E1(En)wEn位于Ef 與EC之間時有最大電流VJ負阻負阻EkECEFEkE1(En)w發(fā)射區(qū)阱區(qū)k kw37原因：散射，聲子輔助隧穿，熱電子發(fā)射，等。4) 隧穿幾率 設：發(fā)射區(qū)、收集區(qū)與阱隧穿幾率分別為TE、TC 當入射載流子能量與勢阱內以量子化能級匹配時，隧穿幾率當入射載流子能量與勢阱內以量子化能級不匹配時，隧穿幾率:對稱勢壘,TE=TC110-410-8隧穿幾率能量En385、共振隧穿電流N(E):發(fā)射區(qū)單位面積能量E電子數決定電流機制是TE ，阱到收集區(qū)隧穿限制少能量守恒動量守恒Vp2(En-EC)/q(近似用En=EC表征)EnacbECE

13、CECJVacVpbVp=?39量子化；隧穿；能量動量守恒40作業(yè)：1、試簡要敘述隧穿二極管、反向二極管、MIS開關二極管、共振隧穿二極管的工作機制及其I-V特性形成機理；2、試證明,如果電流注入漂移區(qū)存在時間延遲，那么在載流子渡越漂移區(qū)時間滿足一定條件即可產生負阻效應。 4142CH 9 IMPATT和相關渡越時間二極管Impact Ionization Avalanche Transit Time Diode and Related Transit Time Diode 一、IMPATT(碰撞電離雪崩渡越時間)二極管二、BARITT(勢壘注入渡越時間)二極管三、TUNNETT (隧道渡越時

14、間)二極管 （另一類機理負阻器件）42漂移區(qū) v=vs0Wx43#、注入時間延遲和渡越時間效應 漂移區(qū)電流：傳導電流與位移電流4344雪崩區(qū)漂移區(qū) v=vs0Wx44結論：1、注入相位角=0，無負阻；2、注入相位角0，滿足一定條件產生負阻。 如： =時， r負阻近似554、大信號負阻特性分析 雪崩區(qū)產生的電子波包在漂移區(qū) 移動感生外電流。 外電流密度 雪崩區(qū)產生的電子波包密度:Qava ； 陽極感生電荷密度：QA(t) 雪崩區(qū)注入漂區(qū)的電流遲后180，始終有負阻； 漂移區(qū)渡越角180負阻最大。 最佳工作頻率-周期為二倍渡越時間VVBttt輸出電流雪崩注入電流雪崩區(qū)漂移區(qū) V=VSxAWD0 x

15、56IMPATT二極管振蕩器原理電路電流源偏置電路電壓源偏置電路外端諧振器諧振頻率與IMPATT相同；直流偏置時的正反饋，可在IMPATT二端形成滿足要求的 電流、交流電壓信號和穩(wěn)定的交流輸出波形；輸出電流脈沖的結束時間由渡越延遲決定。 RLRLVVBttt輸出電流雪崩注入電流57功率-頻率限制 最大電流 最大功率功率-頻率積功率-頻率限制高斯定理高斯定理58 IMPATT效率限制漂移區(qū)直流電壓調制因子漂移區(qū)交流 電壓幅值雪崩區(qū)直流電壓59雪崩區(qū)產生電荷滯后；漂移區(qū)渡越時間6061二、BARITT二極管(勢壘注入渡越時間二極管) (Barrier Injection Transit Time

16、Diode) 利用pn結或金半結少子注入延遲和渡越漂移區(qū)延遲形成負阻工作電壓： VFB V VRT1、基本結構 MMnEEExxxp+np+EEExxx穿通VRT平帶VFBMnp+EEExxx低偏壓+-+-勢壘結61622、基本特性 VVtttJ注入電流輸出電流J取決于渡越時間VFBVVRT3、基本機理 1）偏置于穿通與平帶之間 2）耗盡層穿通； 3）正偏結少子注入延遲； 4）注入少子渡越漂移區(qū)延遲。624、穿通電壓與平帶電壓 p+np+ExExEx穿 通平 帶低 壓WD1WD2WV2V1ppWD2WD1+V2V1635、電流輸運 （VFB V VRT）646、小信號負阻(VRTVn23）主能

17、谷態(tài)密度 kT, E Eg機理：遷移率下降80811、瞬態(tài)空間電荷效應(以電子為例)四、微波振蕩機理81介質弛豫時間即：任一點處載流子的隨機起伏其濃度將隨時間指數增長82振蕩模式： 渡越時間偶極層模式； 理想均勻場模式；猝滅偶極層模式；積累層模式。2、TED振蕩機理 nn+n+nMnn+n+Mnn+陽極陰極GaAs(InP)GaAs(InP)GaAs(InP）電子加熱產生死區(qū)熱電子直接注入熱電子直接注入+負阻區(qū)：電場強，遷移率低； 非平衡載流子指數增長+83渡越時間偶極層模式：1）偏置于負阻區(qū)，即：LE V， Vth E AlGaAs EJAlGaAsGaAs+-88實空間轉移晶體管(RST)

18、-負阻器件(材料間轉移)SCDVCVDECEVn+n+n+室溫峰-谷電流比高于3400089實空間轉移器件（RST）-邏輯器件V1V3V2電壓 V1=0 V1=0 V1=0 V2:0 V3:高 V2:高 V3:高 V2:0 V3:0電流 0 高 高 高 0 0邏輯 或or與 與 與 v2v1v3vC電流大小判別電流大小判別90不同帶間轉移；電流分流91主要類型：二端晶閘管(SCR): 單向整流，不能自關斷。門極可關斷晶閘管(GTO)：單向整流，能自關斷。雙向晶閘管：雙向整流，不能自關斷。4. 光控晶閘管：單向整流，不能自關斷。主要特征：反向阻斷電壓(可承受的反向電壓)高，能高于10000V；正

19、向導通電流大，可大于5000A。(雙極晶體管能承受的反向電壓不超過2000V，電流數百安) 晶閘管： 雙極型大功率整流器件，功率處理能力強，可達1MW以上。CH 11 晶閘管和功率器件集成器件結構中寄生器件92一、 晶閘管基本結構及工作原理1.基本結構: 四層、三個pn結雙極型半導體器件四層-PNPN三端or二端引出電極： 陽極（A）-輸出端(IA) 陰極（K）-共用端(IK) 門極（G）-控制端(IG)932.基本工作特性 (a)偏置 VAK0-正向偏置(二個結正偏); VAK0（三端器件）：機理同。IG起控制轉折電壓作用偏置條件：晶體管T1、T2都滿足放大條件。2)T2進入放大狀態(tài)T1進入

20、放大狀態(tài)T1、T2飽和IA由負載決定飽和壓降約1V若柵極開路(IG=0)（二端器件）T1、T2截止IA為p2N1結反向電流倍增使電流放大系數增大1)反偏一定條件迅速轉折IsVh正反饋965.轉折條件IA = Ic1 + Ic2= 1IA + 2IA +2IG + IcR IK = IG + IA IA = M1IA + M2IA +M2IG + M IcR 電流經集電結倍增，倍增因子 M：M(1 + 2) =1轉折條件：驅使T1、T2過渡至飽和導通狀態(tài)IcR = Ic1R + Ic2R Ic1 = 1IA + Ic1R Ic2 = 2IK + Ic2RIG作用：IG1 、2 M轉折電壓VBF

21、IsVh976.轉折電壓-VBF 7.反向轉折電壓-VBR 雪崩擊穿電壓n：與材料及低摻雜 側導電類型相關。 對Si-N型側，n=4 -P型側，n=298當晶閘管過渡到低壓、大電流時，不存在倍增效應，即倍增因子M=1 那么所以，晶閘管的導通條件為 (1 + 2) =1 凡能使電流增加的機制都可觸發(fā)晶閘管導通7.導通條件：IsVh分析問題應用之一：CMOS寄生晶閘管99二、晶閘管派生器件 1、二端雙向晶閘管 基本結構及特性p2p1n4n2n1M1M2J3J2J4J1VMI-M2I1002、三端雙向晶閘管 p2p1n4n3n2n1M1M2GJ3J2J4J5J1 基本結構 基本特性VMI-M2I短路

22、作用：降低電流放大系數，提升轉折電壓； 輔佐三端器件轉折導通。101 1）VM1 M2 0，VG-M2 0工作原理與常規(guī)器件同VG控制轉折電壓。M2Gp1n4n3n2n1M1J3J2J4J5J1VG-M2 0VM1 M2 0 2）VM1 M2 0，VG-M2 0p2n3結正偏，n3p2n1工作;電子流向n1;p2n1p1工作;晶閘管p1n1p2n3導通；p2區(qū)橫向壓降使p2n2導通 p1n1p2n2導通。VG控制轉折電壓。 基本原理：M2Gp2p1n4n3n2n1M1J3J2J4J5J1VG-M2 0+-p2102 3）VM1 M2 0柵壓使p2n2正偏提升-電子在p2n1勢壘區(qū)電場作用下（n

23、2p2n1）漂移至n1-p2n1p1橫向電流使p1n4導通- p2n1p1 n4導通； VG控制轉折電壓。柵壓使p2n3正偏，之后過程與上相同。p2n1p1n4導通工作；柵極電壓使p2n1結正偏提高， VG控制轉折電壓。 4）VM1 M2 0，VG-M2 0M2Gp2p1n4n3n2n1M1J3J2J4J5J1VG-M2 0VM1 M2 0VM1 M2 0+-1033、二端雙向npn nnpVMI-M2IM1M21044、光控晶閘管 由光能觸發(fā)的晶閘管 無柵極，偏置與普通晶閘管相同。機理：反偏J2結勢壘區(qū)及P2、N1區(qū)擴散長度內產生的空穴、電子分別漂移到P2、N1區(qū)，構成二只晶體管基極電流自建

24、電場-+-+105106借助極性相反的門(柵)極電壓既可以實現導通又可以自行關斷的晶閘管。 1）基本結構 2）導通與特性 導通原理、過程、條件與普通晶閘管相同。 偏置條件與普通晶閘管相同；N2區(qū)是細而窄的長條5、門極可關斷晶閘管（GTO）1061073）關斷過程與機理 柵極抽取電流使T2脫離飽和T2晶體管基極電流: 欲關斷，T2晶體管基極電流應滿足：Ib2 Ib2ST2晶體管臨界飽和基極電流:1071084）關斷條件200V: Repi起主導作用。 并隨擊穿電壓的提高，比例迅速增大。BVDS 0，PNP晶體管滿足 放大及飽和的偏置條件；VGK VT， MOSFET導通， 形成PNP晶體管的基極

25、電 流，產生輸出電流；VGK 增大，輸出電流增大。VGK 0VGS=0VGS0, VDS01. VGS較小時，溝道勢壘高，電流小，器件截止；2. VGS較大時，溝道勢壘降低，形成電流；3. VGS再大時，中性溝道形成，且空穴從柵區(qū)注入溝道區(qū) 不可略，溝道電導調制，電流增大，勢壘進一步降低，進入 雙極模式。4.溝道較窄，較小VDS下溝道區(qū)載流子速度飽和，電流飽和。SIT模式1292）伏安特性和主要電參數 伏安特性電流增益 大電流負溫度系數速度飽和VGS1303、靜電感應晶閘管 靜電感應晶閘管（Static Induction Thyristor，簡稱 SITH） 利用靜電感應效應控制器件的工作，

26、是一種自關斷器件。通態(tài)電阻小，正向壓降低，電流密度大，阻斷電壓高；開關速度快，功率損耗??；抗輻射能力強，工作溫度高。工作頻率可達400kHz以上，比GTO高出一個數量級；SITH的可控功率達100kW以上。1311）基本結構和工作原理 (1)基本結構將SIT或BSIT漏區(qū)N+換成P+區(qū)(2)常開型基本工作原理 有：常開型；常閉型。多為常開型。VGK=0，VAK0,導通；VGK0,靜電感應。1322)電流-電壓特性 正向阻斷電壓 (2)阻斷電壓增益 (3)大電流轉折特性 (1)小電流特性pn正向導通電壓，導通電阻小機理：夾斷狀態(tài)pnp導通133作業(yè)1、試基于隧道二極管、MIS開關二極管、共振隧穿

27、二極管，IMPATT二極管、BARITT二極管，轉移電子器件的I-V特性曲線，分別簡述（畫出）它們的基本結構及結構條件、產生負阻（震蕩）的工作機制（條件）及機理；2、 試證明,如果電流注入漂移區(qū)存在時間延遲，那么在載流子渡越漂移區(qū)時間滿足一定條件即可產生負阻效應；3、試從載流子一維連續(xù)性方程，證明若半導體材料處負微分遷移率狀態(tài)（負阻區(qū)）,產生的非平衡載流子將隨時間增長。134第篇 光電子器件Photonic Devices 緒 光子與電子相互作用物理過程 Ch 12 發(fā)光二極管和半導體激光器 Ch 13 光電探測器 Ch 14 太陽電池135緒 光子與電子相互作用物理過程136緒 光子與電子相

28、互作用物理過程一、介電常數、折射率與吸收系數 介電常數表征介質宏觀電學性質； 折射率與吸收系數描述光在介質中的傳播。二、半導體光吸收 吸收機制與機理三、半導體光輻射 輻射（發(fā)光）機制與機理四、光子與電子相互作用物理過程137一、折射率與吸收系數 1、折射率：光在半導體中傳播服從Maxwell方程0 、0 真空 介電常數與磁導率；r媒質相對介電常數138設:沿z方向傳播的平面波電場在y方向偏振 則：波動方程(5)變?yōu)樗俣?39結論： 1.光波在 介質中以速度c/N沿z方向傳播時，其 分別在y與x方向偏振的電場和磁場矢量的振幅 都按 衰減。 2.折射率 N=n-jK，成為復數。 n是通常的折射 率

29、，K表征光振幅衰減的參數，稱為消光系數。3.光振幅衰減是由于介質內存在自由電荷，光波 的部分能量激起傳導電流。1402、吸收系數常用半導體材料吸收系數與光子能量關系吸收系數與光波長、材料禁帶寬度、雜質有關141二、半導體光吸收 機理：載流子吸收光能躍遷； 晶格振動吸收光能。 機制：本征吸收，雜質吸收，自由載流子吸收， 激子吸收，晶格振動吸收。 條件：能量守恒- 動量守恒- 特征：存在長波限。 躍遷后波矢直接帶隙1421、本征吸收 價帶電子吸收光子能量躍遷至導帶。EcEV長波限：# 高摻雜半導體：Eg能量-動量守恒直接帶隙間接帶隙1431)、直接帶隙半導體能量守恒：動量守恒： 即電子躍遷保持波矢

30、不變-直接躍遷。吸收系數： C與折射率、有效質量、 介電常數、光速等有關的 量，近似為常數。 直接躍遷1442)、間接帶隙半導體存在：直接躍遷； 間接躍遷。 間接躍遷-光子、電子、聲子共同參與。 能量守恒： 動量守恒：吸收系數：直接躍遷間接躍遷聲子分布函數1452、雜質吸收-雜質能級載流子躍遷 EcEv躍遷過程： 施主能級電子導帶 受主能級空穴-價帶 電離受主能級電子-導帶 電離施主能級空穴-價帶能量關系： 施主能級電子導帶 受主能級空穴-價帶 電離受主能級電子-導帶 電離施主能級空穴-價帶動量關系：束縛狀態(tài)無一定準動量，躍遷后狀態(tài)不受波矢限制； 可越遷至任意能級，引起連續(xù)吸收光譜。 1463

31、、自由載流子吸收導帶及價帶內電子從低能級躍遷到高能級。能量守恒：動量守恒：吸收或釋放聲子。特征：吸收系數隨波長增大而增強。 (躍遷能量間隔小，參與聲子少)自由載流子等吸收1474、激子吸收 激子： 處于禁帶中的電子與價帶中的空穴在 庫侖場作用下 束縛在一起形成的電中性系統(tǒng)。 激子可以在整個晶體中運動，不形成電流。 激子吸收： 價帶電子受激躍至禁帶，形成激子。 激子吸收特征：5.晶格吸收 光子能量直接轉換成晶格振動動能。6.子帶吸收 量子阱、超晶格子帶間躍遷 148# 半導體的光吸收 機理：載流子吸收光能躍遷； 晶格振動吸收光能。 機制：本征吸收，雜質吸收，自由載流子吸收， 激子吸收，晶格振動吸

32、收，子帶吸收。 條件：能量守恒- 動量守恒- 149三、半導體的光輻射 處于激發(fā)態(tài)(高能態(tài))的電子躍遷至低能態(tài)，能量以光 輻射(光子)形式釋放-光輻射。 光輻射光吸收逆過程。1、輻射躍遷過程 1) 本征躍遷 導帶電子躍遷到價帶與空穴復合 直接躍遷(直接復合)： 能量守恒： 波矢相等：輻射效率高。 間接躍遷(間接復合)： 能量守恒： 波矢不等：輻射效率低。直接躍遷間接躍遷直接躍遷間接躍遷1501、輻射躍遷過程2).非本征躍遷 a.導帶電子躍遷到雜質能級； b.雜質能級電子躍遷到價帶、雜質能級； c.激子復合：激子中電子與空穴復合， d.等電子中心復合： 等電子：同價原子替代晶體原子。 等電子中心

33、：替代原子與晶體原子序數不同，內層原子結構 不同，電負性不同。原子序數小，對電子親和力大，易俘 獲電子，形成負電中心。反之，形成正電中心。該中心稱 為等電子中心。 等電子中心復合：等電子中心俘獲相反類型載流子，形成激 子-復合。 e.等分子中心復合： 等分子中心：化合物材料中分子被另一種等價分子替代，電 負性不同，形成等分子中心。 等分子中心復合：等分子中心俘獲電子或空穴，形成負電或 正電中心； 再俘獲相反類型載流子，形成激子-復合。151# 半導體的光輻射輻射躍遷機制 1).本征躍遷 2).非本征躍遷 -； 激子復合； 等電子中心復合； 等分子中心復合直接躍遷間接躍遷能量關系152折射率與吸

34、收系數 光波在 0 的介質中傳播時: 折射率成為復數，虛部為表征光振幅衰減的參數-消光系數； 偏振的電場和磁場矢量的振幅都按 exp(- Kz/c) 衰減; 光振幅衰減是由于介質內自由電荷吸收； 光強按I(x)=I(0)exp(-x)衰減。半導體的光吸收 機制：本征吸收，雜質吸收，自由載流子吸收， 激子吸收，晶格振動吸收，子帶吸收。半導體的光輻射 1) 本征躍遷- 導帶電子躍遷到價帶與空穴復合 直接躍遷(直接復合)- 波矢相等：輻射效率高。 間接躍遷(間接復合)- 波矢不等：輻射效率低。 2).非本征躍遷 a.導帶電子躍遷到雜質能級； b.雜質能級電子躍遷到價帶、雜質能級； c.激子復合：激子

35、中電子與空穴復合， d.等電子中心復合： e.等分子中心復合：條 件 能量守恒; 動量守恒。 153四、光子與電子相互作用的物理過程-本征狀態(tài)a.光的自發(fā)輻射 處于激發(fā)態(tài)的電子以一定幾率隨機地躍遷到低能 態(tài)與空穴復合發(fā)光。 特征：非相干光-發(fā)光二極管工作原理基礎。b.光的受激光輻射 處于激發(fā)態(tài)的電子在光子作用下，躍遷至能量差 與光子能量相等的低能級，同時發(fā)射一個與入射 光子全同的光子。 特征：相干光激光器工作原理基礎。 c.光的受激吸收 低能態(tài)電子吸收光子能量躍遷高能態(tài) 。 特征：太陽電池、光電探測器工作原理基礎。能量守恒 動量守恒154a.光的自發(fā)輻射 自發(fā)發(fā)射(輻射)速率 r21(sp)：

36、 單位時間、單位體積內E2能級躍遷到E1能級的電子數。 與電子占據E2能級幾率f(E2)、未占據E1能級幾率1- f(E1)成正比。E2E1155受激發(fā)射(輻射)速率r21(st)： 單位時間、單位體積內在能量為hv=E2- E1光子作用下， E2能級躍遷到 E1能級電子數。 與電子占據E2能級幾率f(E2)、未占據E1能級幾率1- f(E1)、光子流(光子密度)密度正比。 b.光的受激輻射 E2E1156c.光的受激吸收受激吸收速率r21 (st)： 單位時間、 單位體積內E1能級上電子在能量為hv=E2- E1光子作 用下，躍遷到E2能級電子數。 與電子占據E1能級幾率f(E1)、未占據E

37、2能級幾率1- f(E2)、光子 流(光子密度)密度正比。 E2E11573、自發(fā)發(fā)射、受激發(fā)射、受激吸收愛因斯坦系數的關系自發(fā)輻射光子數受激輻射光子數受激吸收光子數熱平衡條件下，總發(fā)射速率等于總吸收速率，即：A21自發(fā)發(fā)射系數；B21-受激發(fā)射系數；B12-受激吸收系數。 自下到上電子自上到下電子158著名的愛因斯坦關系物理意義？受激輻射與受激吸收系數相等159# 光子與電子相互作用的物理過程光電子器件物理基礎相互作用過程： a.光的自發(fā)輻射（發(fā)射） 特征：非相干光 b.光的受激光輻射（發(fā)射） 特征：相干光 c.光的受激吸收 發(fā)射速率： 相關因素？發(fā)射速率？ 愛因斯坦系數（幾率）？器件物理基

38、礎？ 160電子光子相互作用機制161162Ch 14 太陽電池Solar Cells(1.71017J/s) (2.510-5) 5%=目前世界總能耗太陽能利用率轉換效率相當120萬個三峽電站162緒預期：2020年可與火力發(fā)電競爭應用：衛(wèi)星 24m2/只，重量28%原理：光生伏特效應（1839）Si電池：Bell,1954,6%GaAs基電池：1956，:1113%（同質結） 1972，:1519%（異質結） （p-GaAsAl/ GaAs）方向：多結，量子結構163當前轉換效率水平美國SunPower：（Si）22.6%美國Solar：（Si -3D）25%三洋電機:GaAs基異質結23

39、.7% 夏普： GaAs基多結43.5%（聚光）三菱化學：有機薄膜11.0%164太陽光譜與大氣質量數-光強AMm 大氣質量數-太陽輻射強度: 大氣層外（地日平均距離1.495108km） 1.353kW/m2AM0 垂直海平面(一個大氣質量輻射) 0.925kW/m2AM1 有垂直入射角時，定義： hh0AM0/AM1/AM2太陽光譜與功率譜165166一、太陽電池基本結構（單元）np金屬電極防反射層h or nor p如何確定？VII-V特性工作機制：受激吸收166 二、原理-光生伏特效應 1、擴散區(qū)/勢壘區(qū)/中性區(qū)（hEg） 吸收光子產生電子-空穴對； 開路時： 2、勢壘區(qū)-空穴漂移到p

40、區(qū)，電子漂移到n區(qū)，分別形成積累； 擴散區(qū)-空穴漂移到p區(qū)，電子漂移到n區(qū)，分別形成積累； （條件：空穴擴散距離Lp, 電子擴散距離Ln ） 中性區(qū)-光生電子-空穴對復合； -分別漂移到n區(qū)與p區(qū)的電子和空穴形成光生電流- 3、 空穴與電子積累形成電場削弱自建場-中和勢壘區(qū)部分 正、負電荷； 勢壘區(qū)變窄，pn結正偏-產生與光生電流反方向的正向電流； 4、光生電流與正向電流平衡時，達穩(wěn)定狀態(tài)； 呈現電壓-開路電壓; 短路時： 輸出電流-短路電流。 一定光強下開/短路光生電流是否常數？常數167三、等效電路及I-V方程（P=C） 理想等效電路光生電流 IL = If = C二極管電流光生電流 IL

41、 = C二極管電流輸出電流 I = IL If1、開路If2、短路IIf3、負載IRL光生電流 IL = C二極管電流輸出電流 I = If IL |I|= IL If IRL？168四、I-V特性曲線（理想）RLIfI光子流密度及理想光電流與帶隙關系隨負載增大工作點V=I RL1692. 短路電流-Isc1. 開路電壓-Voc IfI五、特性參數(理想)短路時有無載流子積累？niEg VD(IL=C）VOC？IfI1701713. 轉換效率 Pom=V omI om (最大輸出功率)Pin:入射太陽光的功率由因為：有式中VVocIscIPOm171過程172由圖可見，效率與表述輸出功率的面積

42、有關定義: 填充因子（Fill Factor）： 從IscVoc中取得的功率比率，即FF一般為0.70.9AM0/AM1.5單位太陽光子能量光子流密度AM0/AM1/AM2太陽光譜與功率譜#VVocIscIPOm=VomIom173174入射光子數/cm2.s六、光譜響應-光譜效率(歸一化)高能光子主要被表面吸收；低能光子主要被深處吸收；空間電荷區(qū)光生載流子少；對效率，Eg存在優(yōu)化。?hv(n)(p)表面復合174七、等效電路及I-V方程（P=C） 非理想等效電路RSRSRShRSRS光生電流 IL = C二極管電流輸出電流RLRshVRSI175串聯寄生電阻影響大RS=0RSh= RS=0R

43、Sh=100 RS=5RSh= RS=5RSh=100 RS #寄生電阻影響(非理想I-V方程)RshV+176八、影響轉換效率主要因素 1、Eg300K1個與1000個太陽時理想效率與帶隙關系 最佳Eg:1.41.6eV2、T 3、復合-擴散區(qū)內、外，缺陷4、高能粒子輻射 1020304050Jsc(mA/cm2)1.01.52.0Eg(eV)AM0AM1.55、h Eg 轉變?yōu)闊崮?6、表面反射 7、n區(qū)/p區(qū)厚度(1.41.6eV)？177九、太陽電池設計考慮 結構參數、表面反射、復合主要考慮因素。 pn結厚度短路電流-吸收系數決定 Si吸收系數?。?10-210-3/m）,典型3004

44、00。 直接帶隙半導體，典型級。 層厚度（結深） 短路電流-吸收系數決定： 吸收系數大，頂層p型，反之n型 底層厚度：1/Ln；Si Ln300 m。 頂層厚度：高能光子主要在表面吸收，xj-0.30.5 ； 摻雜濃度-短路電流，開路電壓： 表層：基于寄生電阻， ND盡量高，典型51019/cm3。 低層： NA高，反向飽和電流低，開路電壓高； 遷移率和壽命低，短路電流小； 典型1016/cm3。178# n（頂層）/p（底層）結？ p（頂層）/n（底層）結？ 結深和材料特性決定（一般頂層高摻雜濃度、結深淺）： 1、Si：間接帶隙，吸收系數小，吸收主要在底層 n（頂層）/p（底層）結（電子擴散

45、長度大） 2、GaAs：直接帶隙，吸收系數高 淺結（0.1）-n/p結（電子擴散長度大） 深結-p/n結（光生載流子主要在頂層） 3、輻照：高能粒子輻照產生缺陷主要在深層； p型區(qū)缺陷n型區(qū)缺陷； n/p結構（摻少量Cu可降低缺陷復合）。 InP抗輻照能力遠高于Si和GaAs.179180十、常規(guī)pn結太陽電池不足太陽電池關鍵參數效率1.半導體復合 光生載流子在表面與襯底復合； 擴散至擴散長度外復合。 2.串聯電阻大 低的表面區(qū)摻雜接觸電阻高。3.表面反射 表面反射降低光吸收。Si表面反射系數 30%。 調節(jié)pn結厚度，使表面反射光與襯底反射光相位差/4，反射消 失。此時最小反射系數 4.抗高

46、能粒子能力差 高能粒子在半導體表面產生缺陷，降低載流子壽命。5.低能光子不被吸收(p)(n)180十一、其它結構太陽電池1.異質結結構 光子窄帶區(qū)吸收； 寬帶表面高摻雜； 抗輻射能力強。2.背面高摻雜結構 （背場） 控制背面處載流子復合。3.絨面結構 增加吸收。 4.“陽光”結構5.肖特基結構6.MIS結構7. 結聯結構8.量子阱結構9.集光 - - - - - -pnnpEg1Eg2Eg1Eg2181十二、高效太陽電池結構 1、異質結電池2、級聯電池三級： 32%四級： 40%光生載流子復合產生的熒光在pn結再產生電子-空穴對1823、量子阱電池 pin結構，i層中有量子阱（阱寬615nm，

47、勢壘5nm）4、聚光電池 聚集太陽光，提高光強。i增加光譜吸收范圍（量子化能級）提高量子效率）615nm5nmI-V fig13.29,30輸出電壓（V）輸出電壓（V）183十三、其它材料太陽電池多晶體；非晶體；有機薄膜； - - - - - -。十四、其它 電流容限：并聯 電壓容限：串聯 效率關鍵：光子吸收效率； 光生載流子輸運效率。184光生載流子對光電流有貢獻區(qū)域；光生電流常數；開路電壓有關因素；I-V特性機理；寄生電阻作用185Ch12 半導體發(fā)光二極管與激光器LEDLight Emitting DiodeSemiconductor Laser18612.1 概述 LED、Laser基

48、本結構與特點： 結構：半導體二極管（pn結）； 特點：單色性好， LED:1050nm； Laser:0.010.1nm LED與Laser區(qū)別： LED： 自發(fā)發(fā)射，產生非相干光； Laser：受激發(fā)射，產生相干光。 LED與Laser發(fā)光機理： 正偏pn結電子與空穴復合，釋放光子。187可能的輻射復合一、 輻射復合與非輻射復合過程 1.輻射復合a.本征復合h Egb.高能復合h Egab# 直接帶隙復合: h Eg 間接帶隙復合: h Eg+ n (1)帶間復合 (2)雜質與帶間復合fjdec.導帶受主d.施主價帶e.施主受主(3)深能級雜質復合 ch俄歇復合188 (4)激子復合 激子-

49、電子和空穴束縛形成的可在晶體中移動的中性粒子。激子中電子和空穴復合-激子復合。(5)等電子復合： 同價原子取代主原子-稱為等電子。但原子序數不同，內層電子結構不同，電負性不同。原子序數小的，電子親和力大，易俘獲電子成為負電中心。原子序數大的，易俘獲空穴成為正電中心。該中心稱為等電子中心。 等電子中心再俘獲相反類型載流子形成束縛激子。之后復合發(fā)光-稱等電子復合。 (6)等分子復合: 一種分子取代主分子-稱為等分子。若其電子親和力大，易俘獲電子成為負電中心。反之，易俘獲空穴成為正電中心。然后再俘獲相反類型載流子復合-稱等分子復合。 1892. 非輻射復合（1）多聲子躍遷 電子和空穴復合所放出的能量

50、產生聲子。這一過程叫 做子躍遷。聲子躍遷的結果，使電子放出的能量轉變?yōu)?晶格振動能。（2）俄歇復合 電子和空穴復合時，把多余的能量傳給第三個載流子。 獲得能量的載流子又會產生多聲子過程。這種復合稱為俄 歇復合。 另外還存在許多其它的非輻射復合過程。 # 色散: 由于熱能,電子能量略高于EC，空穴能量略低于EV， 所以，發(fā)射光子能量19012.2 半導體發(fā)光二極管1.基本結構2.基本工作原理少子擴散長度pnn+襯底正偏；非平衡少子輻射復合；能量-動量守恒。191a.本征型 直接帶隙 動量守恒-效率高； 能量守恒 間接帶隙 動量不等-效率低。 直接躍遷間接躍遷直接躍遷192Zn-OZnN施主-受主

51、（幾個晶格距離）：激子： 等電子中心-等分子中心- b.非本征型1933.發(fā)光效率 內效率：外量子效率：如何減小輻射復合壽命1944、影響發(fā)光效率因素1）LED材料吸收2）菲涅耳（fresnel）損耗 光子從一種介質入射另一種介質，因折射率不同而 部分光子被反射回，稱菲涅耳損耗。3）斯涅耳（snell）損耗 光子從折射率大的介質向折射率小的介質入射時， 若入射角大于其臨界角C ，則，入射光從界面全 反射回原介質。1953）菲涅耳（fresnel）損耗 GaAs: C= 16；GaP: C= 17#1）LED材料吸收 h Eg（襯底區(qū)、表面區(qū)）-吸收。 GaAs吸收85%，GaP吸收25%2）斯

52、涅耳（snell）損耗pn襯底pn襯底C1965、考慮效率的LED結構 1）抗反射膜 垂直入射光菲涅爾反射系數1972）封裝外形與效率198 3）異質結與量子阱1996、光纖通信LED 7、側光高強度LED 2008、白光LED 1）三基色(紅、綠、藍) 2）單色LED覆蓋色彩轉換材料 如熒光材料、有機染料、半導體材料等，吸收原色后發(fā) 出寬譜。 3）藍光LED覆蓋黃色磷，藍光與磷產生的黃光合成白光。電致發(fā)光光致發(fā)光2019、發(fā)光二極管主要材料紅-GaP:Zn-O; GaAs0.6P0.4; Ga0.7Al0.3As -6500 7600 橙-GaAs0.35P0.65; In0.3Ga0.7P

53、 - 5900 6500 黃-GaP:N:N; GaAs0.15P0.85 - 5900 6500 綠- GaP:N ；GaInP- 5700 5900 蘭-GaN ;GaInP；InGaN- 4300 4600 易獲電子易獲空穴可見光：4000 7600 ；Eg:1.8 2.9eV2022031、GaAs1-xPx（ GaAs+ GaP）-紅、橙、黃、綠，亮度較低 且 x 0.450.5轉化為間接帶隙，效率降低 措施：GaAs1-x（Px）1-y：Ny引入等電子中心 機理：等電子中心復合能級接近導帶底，在空間高度局域化，基于測不 準原理，波函數動量在k空間可有較大的范圍，動量的變化量被等 電

54、子雜質吸收。 X0.45：帶隙轉化Eg：0 0.5 1.01.53.02.02.5xLL0 0.5 1.00.0011.00.010.1x未摻N摻N歸一化效率2042、(AlxGa1-x)yIn1-yP -紅、橙、黃，高亮度 x 0. 53轉換為間接帶隙； 常用作雙異質結LED有源區(qū)材料，長波長小較低， 0.45轉換為間接帶隙；與GaAs晶格匹配205等電子、等分子復合；影響效率因素20612.3 半導體激光器-Semiconductor Lasers-207一、 半導體激光器物理1.光子與電子的相互作用ECEVh受激吸收ECEVhhh受激發(fā)射ECEVh自發(fā)發(fā)射特點:2082.基本結構-正偏p

55、n結hpn有源區(qū)光諧振光子限定（受激）輻射受激吸收定向，頻率一定，h不一定等于Eg光限定光放大3.基本本特性 相干光束方向、頻率、相位差相同2094.產生激光條件a.受激輻射+自發(fā)輻射 受激吸收 受激輻射+自發(fā)輻射受激輻射 受激吸收 （粒子數反轉）b.光子限定； 光子限定于確定區(qū)域。c.光諧振 -產生諧振：使增益大于損耗； 形成單色光。 光諧振光子限定受激輻射受激吸收210a.受激輻射 受激吸收 pn結處非平衡狀態(tài) 用準費米能級211212粒子數反轉條件213物理意義：受激幅射大于受激吸收：導帶底電子占據幾率 價帶頂電子占據幾率。EFn EFp h Eg：簡并半導體，但不能使其形成負阻效應粒子

56、數翻轉-又稱電子限定輻射復合區(qū)域ECECEVEVEFECEVECEVEFnEFp214b.光子限定根據斯捏耳(Snell Law):c1 = arc sin(np/n1)c2 = arc sin(nn/n1)npp 型區(qū)折射率；n1 有源區(qū)折射率；nn n型區(qū)折射率。有：n1np; n1nn光波導-又稱光子限定，折射率差是產生光波導效應基礎。光子被反射c2 c1 hpn215# 光波導理論-光在平板介質波導中的傳輸特性 (對稱三層介質波導)傳播方向：Z考慮y方向偏振的TE波： Ez=0 波導寬度(y)厚度(x)， 根據Maxwell方程，只有Ey存在，其波動方程滿足xzy0-d/2+d/221

57、6217218# 對稱三層介質波導中光的限定因子-219結構：AlxGa1-xAs/ Ga As/ AlxGa1-xAsEg(x)=1.42+1.247x (eV)n(x)=3.590-0.710 x+0.091x2電場平方與波導內位置關系基波波長-0.9md -0.2m限定因子與折射率限定因子與有源層有源區(qū)寬出現高階模式(限定性變差)220基波模式限定因子與有源層厚度和折射率關系221c.光諧振產生激光需相干光，且光子限定區(qū)內增益大于損 耗-法布里-珀羅共振腔Z反射系數R1反射系數R2L222 閾值增益-維持振蕩最小增益（等于損耗的增益）gth：可確定維持振蕩，激發(fā)激光最小電流223 振蕩模

58、式-激光波長選擇光頻率與L關系224#產生激光條件：a.受激輻射 受激吸收 粒子數反轉 電子限定b.光子限定 有源區(qū)折射率 有源區(qū)外折射率 c.光諧振-諧振腔 增益大于損耗； 激光頻率波長取決于諧振腔長度 2255.閾值電流 - 產生激光振蕩最小工作電流峰值光增益與歸一化電流密度關系1）標稱電流密度Jnom 量子效率為1時，激發(fā)1 有源層所需電流密度。2）實際電流密度J 與Jnom關系 若有源區(qū)寬度為d，效率為，則 J = Jnom d 即: J= Jnom d/ 3）峰值光增益與標稱電流密度關系 如圖所示，可見光增益與標稱電流密度基本為線性關系， 可表示為 g=(g0/J0)( Jnom-J

59、0) -a J0與g0分別為與橫軸沿線交點歸一化電流和響應增益2264）閾值電流密度Jth2276.閾值電流分析光增益、光子能量與偏置電流閾值電流密度與有源層厚度2287.光譜與光強2298.功率與效率1）內受激輻射產生功率2302）外量子效率 -單位注入載流子發(fā)射光子率3）總量子效率 2319.導通延遲與頻率響應實驗曲線23223310.波長調制 1）電流 有源區(qū)載流子濃度變化致折射率變化 2）溫度 禁帶寬度變化 3）有源區(qū)應變 禁帶寬度、折射率變化 4）諧振腔長度 5）磁場 導帶、價帶量子化，能量間隔增加234二、 激光器基本結構分析hpn有源區(qū)反射面粗糙面(背面同)法布里-珀羅共振腔反射

60、面：光定向粗糙面：控制光側面?zhèn)鞑?351.同質結ECECEVEVEFECEVECEVEFnEFp 載流子濃度低，折射率高； 應使有源區(qū)低摻雜； 一般有源層折射率僅高0.1%-1%左右；光子限定性差光子限定有源區(qū)折射率增量較小2362.單異質結ECECEVEF光子限定光子限定性寬帶側好EFnEFpxmXy Lnp2373.雙異質結ECECEVEFEFnEFpXy 自發(fā)輻射（粒子數反轉，電子限定）： b.光子限定： n(有源區(qū)) n(有源區(qū)外) c.光諧振-諧振腔： 增益大于損耗； 激光頻率波長取決于諧振腔長度。粒子數反轉條件求解；光子限定機理；異質結激光器、多量子阱激光器結構、高效原理。249C