半導體器件原理 第七章

半導體器件原理

PrinciplesofSemiconductorDevices劉憲云逸夫理科樓229室半導體器件原理第七章光器件OpticalDevices半導體光電器件

前面討論了用于放大或者轉換電信號的晶體管的基本物理結構。半導體同樣可以設計和生產出探測和產生光信號的器件。光電二極管：把光子能量轉換為電能，目的是探測或獲取光信息。太陽能電池：把光子能量轉換為電能，目的是產生電能。發(fā)光二極管（LED）：光子發(fā)射是由于電子從導帶向價帶的自發(fā)躍遷，導致很寬的光譜輸出帶寬。激光二極管：改進的LED，帶寬很窄且光子輸出連續(xù)把電能轉換為光能第七章：光器件7.1光學吸收7.2太陽能電池7.3光電探測器7.4光致發(fā)光和電致發(fā)光7.5發(fā)光二極管7.6激光二極管*

光具有波粒二象性，表明光波能被看成粒子，即光子。光子的波長和能量具有如下關系：能量動量頻率波長7.1光學吸收幾種可能的光電半導體的作用機理：光子和晶格作用，將能量轉換為焦耳熱；光子與雜質、施主或者受主作用；與半導體內部缺陷作用；最容易與價電子作用，釋放出的能量足夠將電子激發(fā)到導帶。這樣就產生了電子-空穴對，形成過剩載流子濃度。7.1.1光子吸收系數(shù)當一定波長的光照射半導體時，若>Eg則價帶電子吸收光子躍遷到導帶。這種電子由帶與帶之間的躍遷所形成的吸收過程，稱為本征吸收。本征吸收發(fā)生的條件：即：光子的頻率下限當才能發(fā)生本征吸收光子的波長上限當才能發(fā)生本征吸收7.1半導體的光吸收7.1.1

光子吸收系數(shù)若E=hυ>Eg，光子能和價電子作用，把電子激發(fā)到導帶。光流強度Iυ(x)推導(α是吸收系數(shù)）不同長度的光吸收α稱為吸收系數(shù)，單位cm-1光流強度隨深入半導體材料的距離指數(shù)衰減。吸收系數(shù)大，光的吸收實際上集中在很薄的表面層內。兩種不同吸收系數(shù)的光強度與距離關系半導體的吸收系數(shù)是光能和禁帶寬度的函數(shù)。幾種不同波長的半導體材料的吸收系數(shù)與波長的關系。若hυ>Eg，或λ<1.24/Eg，則吸收系數(shù)上升很快。若hυ<Eg，則吸收系數(shù)很小。不同半導體材料的吸收限：光波長范圍（大氣窗口）：7.1.1

光子吸收系數(shù)SiEg=1.12eVλ0=1.1μmGeEg=0.66eVλ0=1.88μmGaAsEg=1.43eVλ0=0.867μmCdSEg=2.42eVλ0=0.513μm從紫外區(qū)到紅外區(qū)的電磁波譜圖7.1.1

光子吸收系數(shù)假設半導體被一光子能量hυ大于禁帶寬度的光源均勻照射。光譜與波長和禁帶寬度之間的關系7.1半導體的光吸收硅和砷化鎵可以完全吸收可見光1、單位體積吸收的能量：2、電子-空穴對的產生率：3、過剩載流子濃度：單位體積7.1.2電子-空穴對的產生率光能大于Eg時，光子能夠被半導體吸收，從而產生電子-空穴對第七章：光器件7.1光學吸收7.2太陽能電池7.3光電探測器7.4光致發(fā)光和電致發(fā)光7.5發(fā)光二極管7.6激光二極管*

7.2太陽能電池

pn結太陽能電池即使施加0偏壓，在空間電荷區(qū)也存在電場。入射光照射能夠在空間電荷區(qū)產生電子-空穴對，它們將被掃到結兩邊，形成相反方向的光電流IL。帶有負載的pn結太陽能電池太陽能電池是一種在pn結處沒有施加電壓的半導體器件P-N結的光生伏特效應

P-N結光生伏特效應就是半導體吸收光能后在P-N結上產生光生電動勢的效應。光生伏特效應涉及到以下三個主要的物理過程：半導體材料吸收光能產生出非平衡的電子—空穴對；非平衡電子和空穴從產生處向非均勻勢場區(qū)的擴散和漂移運動；非平衡電子和空穴在非均勻勢場作用下向相反方向運動而分離。這種非均勻勢場可以是結的空間電荷區(qū)，也可以是金屬—半導體的肖特基勢壘或異質結勢壘等。a無光照平衡PN結b光照PN結開路狀態(tài)c光照PN結短路狀態(tài)d光照PN結有串聯(lián)電阻光生電流的方向相當于普通二級管反向電流方向。光照使PN結勢壘降低，等效于PN結外加正向偏壓，同樣能引起P區(qū)空穴和N區(qū)電子向對方的擴散，形成正向注入電流。此電流與光生電流相反，對電池不利，應使之減小。PN結為例，分析光電轉換的物理過程

理想硅太陽能電池的轉換效率：實際硅太陽能電池的轉換效率：轉換效率影響因素：串聯(lián)電阻、表面反射改進方法：聚光（增大短路電流）砷化鎵太陽能電池：注意：串聯(lián)電阻與光透過率是矛盾的表面減反和納米結構可以增強光吸收大的光學透鏡可用來將太陽光集中到太陽能電池上，使光照強度提高幾百倍。短路電流隨光照強度線性增加，開路電壓僅隨光強呈對數(shù)增大。串聯(lián)電阻與復合電流—影響電池效率的因素串聯(lián)電阻與結的深度，摻雜濃度，歐姆接觸等有關。具有串聯(lián)電阻的太陽電池的電流電壓特性與等效電路提高太陽電池的轉換效率的因素：最大功率考慮：選用合適Eg的半導體材料；光譜考慮；串聯(lián)電阻與分流電阻的考慮：采用柵格接觸形式，這種結構能夠有大的曝光面積，而同時又使串聯(lián)電阻保持合理的數(shù)值；表面反射考慮：采用抗反射層；聚光考慮：聚光是用聚光器面積代替許多太陽能電池的面積，從而降低太陽能電池造價，它的另一個優(yōu)點是增加效率。異質結太陽能電池優(yōu)點：雙能隙，光譜范圍寬，轉換效率高異質結由兩種不同禁帶寬度的半導體形成熱平衡時pn異質結能帶圖7.2.4

非晶硅太陽能電池材料：非晶態(tài)薄膜，大面積化學氣相沉積。氫化：減少懸掛鍵，提高載流子遷移率。遷移率隙寬帶隙狀態(tài)導帶價帶狀態(tài)密度N(E)氫化非晶硅單晶硅太陽能電池很昂貴，且直徑限制在6英才左右。一般太陽能電池供電系統(tǒng)需要一個大面積的電池組。非晶硅狀態(tài)密度與能量關系銦錫氧化層玻璃非晶硅具有很高的光學吸收系數(shù)，大多數(shù)太陽光能在表面1微米處被吸收。因此，太陽能電池只需要非常薄的一層非晶硅。典型非晶硅太陽電池是一個pin器件。非晶硅被沉積到一個光學透明的銦錫氧化層玻璃襯底上熱平衡時的能帶圖在光照射下，非晶硅PIN太陽能電池的能帶圖在本征區(qū)產生的過剩載流子在電場作用下形成光電流第七章：光器件7.1光學吸收7.2太陽能電池7.3光電探測器7.4光致發(fā)光和電致發(fā)光7.5發(fā)光二極管7.6激光二極管*

光電探測器可以探測光子的存在；把光學信號轉換成電信號的半導體器件；當過剩電子和空穴在半導體中產生時，材料的導電率就會增加；導電率的變化是光電探測器的基礎。7.3

光電探測器平衡電導率：面積A非平衡電導率（半導體內產生

過剩載流子）：光電導率（電導率的變化量）：

光電電流：7.3.1光電導體兩端具有歐姆接觸的半導體材料產生光電電流：電子漂移時間光電導增益：電荷收集速率與電荷產生速率的比值收集收集7.3.1光電導體

工作于反向偏置下的pn結或金屬-半導體接觸光信號打在光電二極管上時，耗盡區(qū)會將由光產生的電子-空穴對分離，有電流輸出到外電路。距離耗盡層邊界不超過一個擴散長度的準中性區(qū)中，產生的少子可以在足夠長的時間內擴散到耗盡區(qū)。然后被結電場掃到結的另一邊。7.3.2光電二極管光電二極管工作原理：光照反偏PN結，產生的光生載流子被空間電荷區(qū)電場漂移形成反向電流。光電二極管把光信號轉換成了電信號。反向的光電流的大小與入射光的強度和波長有關。光電二極管用于探測光信號。光電二極管的I-V特性說明：光電流的方向是反偏方向，它比pn結二極管的反向飽和電流大幾個數(shù)量級pn結光電二極管光譜響應特性和頻率響應特性頻率響應在幾十MHz的范圍內，因為擴散是相對較慢的過程。7.3.3p-i-n光電二極管光電探測器中，探測器對隨時間變化的光信號的響應速度很重要，在空間耗盡層中產生的瞬時光電流才是感興趣的光電流，為增加光電探測器的靈敏度，耗盡區(qū)的寬度應該做的比較寬。p-i-n光電二極管就是為滿足這個要求而設計的。PIN光電二極管是最常用的光電二極管，其耗盡區(qū)寬度可調制，優(yōu)化量子效率和頻率響應。p-i-n光電二極管的截面圖p-i-n光電二極管反偏狀態(tài)下的能帶圖和光子產生過程本征區(qū)（1）頂部的p+區(qū)很薄，使光吸收最?。?）i區(qū)摻雜很小，寬度經過特殊設計，以獲得所需要的特征響應。如寬度等于待測波長的吸收系數(shù)的倒數(shù)，就能在這一波長下獲得最大響應（3）p+,n+區(qū)的耗盡層寬度基本可忽略，i層是全耗盡的。大部分的光生載流子是由中間耗盡區(qū)產生的載流子組成。（4）i區(qū)摻雜很低，電場可近似看作參數(shù)，電勢和電勢能是位置的線性函數(shù)。（5）頻率響應特性：耗盡層寬度Wi,飽和漂移速度vsat=107m/s,

光生載流子渡越耗盡區(qū)的時間t=Wi/vsat

響應頻率f=1/t=vsat/Wi

（a）

反偏PIN光電二極管（b）

非均勻光子吸收的幾何形狀

p-i-n光電二極管比普通pn結光電二極管的瞬時光電流大很多，并具有優(yōu)良的頻率響應特性,在光纖通訊領域中采用最多。半導體材料的響應截止波長G=1.24/EG，不同的材料可做不同波段的光電二極管。Si的禁帶寬度1.12eV,響應截止波長1.1m；Ⅲ-Ⅴ族化合物常用來做光電二極管。

Ⅲ-Ⅴ族化合物的能帶寬度和晶格常數(shù)關系圖InGaAsp-i-n光電二極管截面圖1.3或1.5m的光電二極管InP(G=0.95m)窗口，1.3或1.5m的光很容易通過窗口透射到i層，緩沖層是使晶格匹配，減少i層中的缺陷。7.3.4雪崩光電二極管與pn結或pin光電二極管相似，只是它所加的反偏電壓必須大到能引起碰撞電離。在耗盡區(qū)光生電子-空穴現(xiàn)在可以通過碰撞電離產生電子-空穴對，雪崩光電二極管的電流增益與雪崩倍增因子有關。顯著的優(yōu)點:在光信號的放大中使信噪比得到了改善。電場特點：反偏電壓足夠高，電子空穴可以產生雪崩倍增；電流增益大，響應頻率快。7.3.4雪崩光電二極管7.3.5光電晶體管雙極晶體管也可以用作光電探測器。特點：光電流得到放大；響應頻率降低（B-C結電容的彌勒效應）；非雪崩放大，噪聲低。雙極光電晶體管基極開路光電晶體管結構圖

電荷耦合器件

MOS型半導體器件，核心是MOS電容，密排MOS二極管有序陣列，加上輸入與輸出部分就構成了CCD的基本結構。電荷耦合器件可用做圖像傳感器,也可用做移位寄存器.柵極上施加適當?shù)臅r鐘脈沖電壓，半導體表面耗盡，形成能存儲少子的勢阱，用光或電方法把代表信號的少子注入勢阱中，再通過時鐘脈沖的有規(guī)律變化，使勢阱深度發(fā)生相應的變化，從而使注入勢阱中的少子在半導體表面內定向運動，通過對少子的收集得到信號的輸出。CCD存儲和轉移電荷都是在非穩(wěn)定狀態(tài)下進行。CCD溝道內的載流子僅由信號大小決定，與時鐘脈沖無關，時鐘脈沖只起存儲和轉移電荷作用。通常有表面溝道CCD（SCCD)和隱埋溝道CCD(BCCD)。表面溝道CCD：溝道在緊靠絕緣層的半導體表面表面溝道CCD中，在適當?shù)臅r鐘電壓脈沖作用下，少數(shù)載流子電荷包沿半導體表面運動。埋溝CCD對于SCCD，由于電荷包沿邊導體表面?zhèn)鬏?，主要的限制是表面陷阱效應導致的電荷損失。埋溝CCD：電荷包不在半導體表面流過，而是被約束在緊貼半導體表面的溝道內，具有消除界面陷阱效應的潛力。與襯底相反類型的窄N型半導體層，在柵極加正電壓時，窄n型層全部耗盡，成為溝道。遷移率高，界面陷阱導致的電荷損失少。第七章：光器件7.1光學吸收7.2太陽能電池7.3光電探測器7.4光致發(fā)光和電致發(fā)光7.5發(fā)光二極管7.6激光二極管*

光子吸收產生電子-空穴對時，復合過程產生的光子發(fā)射稱為光致發(fā)光；電致發(fā)光是由于電流激發(fā)過剩載流子，從而發(fā)射光子的過程。電子和空穴的產生與復合7.4光致發(fā)光和電致發(fā)光7.4.1基本躍遷產生電子-空穴對有很多可能的復合過程。（a）直接復合（b）R-G中心復合（d）直接產生（e）R-G中心產生在復合過程中電子多余的能量可以以發(fā)射光子的形式釋放出來，這種復合稱為輻射復合，它是光吸收的逆過程。在復合過程中電子的多余能量也可以以其它形式釋放出來，而不發(fā)射光子，這種復合稱為非輻射復合。光電器件利用的是輻射復合過程，非輻射復合過程則是不利的。了解半導體中輻射復合過程和非輻射復合過程是了解光電器件的工作機制和進行器件設計的基礎。輻射復合和非輻射復合輻射復合帶間輻射復合

帶間輻射復合是導帶中的電子直接躍遷到價帶與價帶中的空穴復合。發(fā)射的光子的能量接近等于半導體材料的禁帶寬度。由于半導體材料能帶結構的不同，帶間輻射復合又可以分為直接輻射復合和間接輻射復合兩種:導帶價帶導帶價帶帶間復合：（a）直接能隙復合（b）間接能隙復合非輻射復合

多聲子過程多聲子躍遷

0125102050100200300400500600光子能量（meV）(b)間接復合導帶電子躍遷到未電離的受主能級;施主能級上的電子躍遷到價帶；施主能級上的電子躍遷到受主能級；深能級中的復合(a)直接復合禁帶寬度非常小的材料本征發(fā)射;(iii)具有能量的電子和空穴。(c)俄歇復合-非輻射復合電子-空穴復合時伴隨著將能量傳給其他自由空穴;電子-空穴復合時伴隨著將能量傳給其他自由電子。III-V化合物半導體是制作發(fā)光器件的主要材料?？梢酝ㄟ^控制三元和四元化合物中不同組分的比例來調節(jié)禁帶寬度和晶格常數(shù)?？梢姽猓翰ㄩL0.4-0.72m,帶隙1.7-3.1eV.GaAs是直接帶隙半導體，AlAs是間接帶隙半導體，AlxGa1-xAs的禁帶寬度隨x的變化而變化。Eg=1.424+1.247x從直接帶隙變間接帶隙7.4.2發(fā)光效率輻射復合只是所有復合中的一部分：量子效率是輻射復合率與總復合率的比值：輻射復合對應直接帶隙復合，Rr是帶與帶間的輻射符合率，B是比例常數(shù)：第七章：光器件7.1光學吸收7.2太陽能電池7.3光電探測器7.4光致發(fā)光和電致發(fā)光7.5發(fā)光二極管7.6激光二極管*

LED的基本結構和工作過程7.5發(fā)光二極管光電探測器和太陽能電池都可以把光能轉換成電能，即光子產生過剩電子和空穴，從而形成電流。也可以給pn結加電壓形成電流，依次產生光子和光輸出，這種反轉機制稱為注入電致發(fā)光。5.5.1光的產生（1）正偏二極管（2）二極管發(fā)光P區(qū)N區(qū)|||||||+Va-EcEvEFiEFpEFn發(fā)光波長：發(fā)光光強：

pn結二極管正向偏置，導致n區(qū)電子注入p區(qū)一側的準中性區(qū)，p區(qū)的空穴注入n區(qū)一側的準中性區(qū)，隨后這些注入的過剩少子在準中性區(qū)擴散并與多數(shù)載流子復合，如果這個復合是直接的帶與帶間的復合，就有光子發(fā)射。二極管的擴散電流是正比于復合率的，因此發(fā)射光子的強度也將正比于理想二極管的擴散電流。

LED的基本結構和工作過程

LED的基本結構和工作過程

LED的基本結構和工作過程

器件結構Pn結正向偏置，電子從n側注入，與從p側注入的空穴復合。雙異質結中更高的載流子濃度和載流子限定，輻射效率顯著提高。LED的特性參數(shù)V-I特性發(fā)光二極管的電流—電壓特性和普通二極管大體一致。發(fā)光二極管的開啟電壓很低,GaAs是1.0伏,GaP（紅光）大約1.8伏，GaP（綠光）大約2.0伏。工作電流約為10mA。工作電壓和工作電流低，使得可以把它們做的很小，以至于看作點光源，這使得LED極適宜用于光顯示。量子效率量子效率是發(fā)光二極管特性中一個與輻射量有關的重要參數(shù)。它反映了注入載流子復合產生光量子的概率。外量子效率：單位時間內實際輸出二極管外的光子數(shù)目與注入的載流子數(shù)目之比。內量子效率：單位時間內半導體的輻射復合產生的光子數(shù)與注入的載流子數(shù)目之比。量子效率1.注射效率：注射效率就是可以產生輻射復合的二極管電流在二極管的總電流中所占的百分比。量子效率提高注射效率的途徑是：(a)P區(qū)受主濃度要小于N區(qū)施主濃度，即pn+結。(b)減小耗盡層中的復合電流。這就要求LED所用的材料和制造工藝盡可能保證晶體完整，盡量避免有害雜質的摻入。(c)選用電子遷移率比空穴遷移率大的材料。由于III-V族化合物半導體的電子遷移率比空穴遷移率大很多，例如GaAs，所以它們是制造LED的首選材料。量子效率

2.輻射效率發(fā)生輻射復合的電子數(shù)與總的注入電子數(shù)比：

量子效率三種可能的復合過程三種可能的復合過程淺施主能級淺受主能級深復合中心量子效率提高

輻射效率的方法：減少復合中心密度增加P區(qū)的摻雜濃度，較高的NA還有降低串聯(lián)電阻從而減小正向電壓降和歐姆損耗的作用。然而，高的摻雜濃度使得晶體缺陷增加，導致非輻射復合中心Nt

的增加。同時，P側的高摻雜會使注射效率下降。實驗證明，對于GaPLED,外部測得的峰值效率發(fā)生在NA=2.51017cm-3處。根據以上分析，內量子效率可以寫作

3.逸出幾率逸出幾率0

也叫做出光效率，被定義為PN結輻射復合產生的光子射到晶體外部的百分數(shù)。外量子效率可以寫作：

影響逸出幾率的主要因素：再吸收，界面反射和臨界角損耗。LED的pn結處的光子發(fā)射圖光子可以向任何方向發(fā)射，且發(fā)射光子能量h>Eg,因此這些光子可以被半導體材料再吸收光子從半導體界面發(fā)射到空氣中，在界面發(fā)生反射反射系數(shù)例：GaAs：n2=3.66,空氣：n1=1=0.33GaAs輻射復合發(fā)出的光子有33%在界面被反射回GaAs半導體里面。光從光密媒質射向光疏媒質，入射角大于臨界角時，發(fā)生全反射第七章：光器件7.1光學吸收7.2太陽能電池7.3光電探測器7.4光致發(fā)光和電致發(fā)光7.5發(fā)光二極管7.6激光二極管*

7.6激光二極管LED的光子輸出歸因于電子從導帶到價帶的躍遷放出了能量。光子發(fā)射是自發(fā)的，帶與帶之間的躍遷是獨立的。LED發(fā)射譜的帶譜較寬。激光是受激輻射，產生一致的光譜輸出，其譜寬小于0.1nm。這種新型的器件就是激光二極管，激光代表“輻射的受激發(fā)射引起的光放大”。半導體激光器是向半導體PN結注入電流，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布，產生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實現(xiàn)光放大而產生激光振蕩的。光受激輻射、發(fā)出激光必須具備三個要素：1、激活介質經受激后能實現(xiàn)能級之間的躍遷；2、能使激活介質產生粒子數(shù)反轉的泵浦裝置；3、放置激活介質的諧振腔，提供光反饋并進行放大，發(fā)出激光。Figure7.317.6.1受激輻射和分布反轉入射光子被吸收時，一個電子就從能量為E1的狀態(tài)激發(fā)到E2；感應吸收自發(fā)輻射受激輻射若電子自發(fā)地回到低能級，并且伴隨著放出光子。當一個電子在高能級狀態(tài)時，入射光子和電子相互作用，使得電子回到低能級。向低能級躍遷會產生光子。光探測器和太陽電池發(fā)光二極管激光二極管電子在低能級E1的基態(tài)和高能級E2的激發(fā)態(tài)之間的躍遷方式自發(fā)輻射中各電子的躍遷是隨機的，所產生的光子雖然能量相同，但位相和傳播方向各不相同。受激輻射所發(fā)射的光子的全部特征（能量、頻率、位相、方向和偏振狀態(tài)）同入射光子相同。受激吸收hυ終態(tài)E2E1初態(tài)E2E1

產生激光的必要條件一：受激輻射占主導地位hυ初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1受激輻射當注入一定能量的光子時，能級E1和E2間光的吸收和受激輻射同時存在，且兩者的躍遷概率相等。究竟哪一種占主導地位，取決于能級E1和E2上的原子分布，如果E2能態(tài)的原子數(shù)多，受激輻射將大于吸收過程，這種現(xiàn)象稱為光量子放大。把處在激發(fā)態(tài)的原子數(shù)大于處于基態(tài)原子數(shù)的的反常情況叫分布反轉。