半導(dǎo)體器件物理課

1半導(dǎo)體器件物理哈爾濱工業(yè)大學(xué)微電子科學(xué)與技術(shù)系劉曉為2課程安排目的在半導(dǎo)體物理和晶體管原理先修課程基礎(chǔ)上拓展器件理論基礎(chǔ)知識內(nèi)容（36學(xué)時）第一章器件工作的基本方程第二章特種二極管（變?nèi)荻O管、PIN二極管、隧道二極管、雪崩二極管）第三章電荷耦合器件（CCD)第四章太陽電池第五章電力電子器件（晶閘管、IGBT）參考書1.王家驊等編著[半導(dǎo)體器件物理]科學(xué)出版社19832.（美）施敏著[半導(dǎo)體器件與工藝]科學(xué)出版社19923.（美）施敏著[現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理]科學(xué)出版社20014.王志良主編[電力電子新器件]國防出版社1995教學(xué)方式講授+討論（80%）；自學(xué)（20%）考試方式筆試+報告(40+60=100分)3基本方程包括：麥克斯韋方程、電流密度方程、連續(xù)性方程1、麥克斯韋方程對均勻各向同性材料有

在靜態(tài)或低頻狀態(tài)下，;B=μHs和μ分別為介電率和導(dǎo)磁率第一章半導(dǎo)體工作的基本方程42、電流密度方程D和μ分別為載流子的擴(kuò)散系數(shù)和遷移率3、連續(xù)性方程τ、G和U分別為載流子壽命、產(chǎn)生率和復(fù)合率,化簡應(yīng)用、做題5第二章特種二極管§2.1變?nèi)荻O管（TuningDiode）利用p-n結(jié)電容隨外加電壓的非線性變化工作的半導(dǎo)體器件，1958年提出后，已制成Ge、Si和GaAs變?nèi)菸⒉ㄆ骷?，得到了廣泛的應(yīng)用：微波開關(guān)、調(diào)制器；混頻器；壓控振蕩器和參量放大器。自動調(diào)諧收音機(jī)AFC系統(tǒng)2.1.1變?nèi)荻O管的電容-電壓關(guān)系理想變?nèi)荻O管要求損耗小一般利用p-n結(jié)勢壘電容工作，工作區(qū)反偏（0~擊穿電壓）。6變?nèi)荻O管的雜質(zhì)分布p+-n結(jié)為例，低摻雜側(cè)雜質(zhì)濃度:N(x)=Bxmx0,B為常數(shù)m=1線性緩變結(jié)m=0單邊突變結(jié)m<0超突變結(jié)由泊松方程：利用V(0)=0;V(W)=VD+Va解出：當(dāng)m=-3/2時，n=2超突變結(jié)，變?nèi)荻O管的共振頻率

串聯(lián)電阻的影響使得超突變結(jié)并不是最好的雜質(zhì)分布。72.1.2變?nèi)荻O管的結(jié)構(gòu)和參數(shù)等效電路中Rj10M,Cj幾pF,因此簡化為Cj與Rs的串聯(lián)1.電容變化系數(shù)越大越好。2.品質(zhì)因數(shù)存儲能量/消耗能量微波頻段Cj0為零偏結(jié)電容，RsQQ=1時，為零偏截止頻率83.串聯(lián)電阻RS=Rp+Rn+RB+RC非外延變?nèi)莨埽篟SRB=（B/4rm)F

10-50外延變?nèi)莨埽篟S0.幾-幾

一般變?nèi)莨茈s質(zhì)分布如圖3.1.3變?nèi)荻O管的設(shè)計(jì)材料：遷移率大；介電常數(shù)??；禁帶寬度大；雜質(zhì)電離能??；導(dǎo)熱率高。結(jié)構(gòu)：外延臺面管；臺面小；摻雜高，提高截止頻率。9§2.2PIN二極管PIN二極管：在p型區(qū)和n型區(qū)之間加入本征層（10-200m）I層一般為高阻區(qū)（高阻p型稱為PN；高阻n型稱為PN）用途：大功率微波開關(guān)（速度W/2v）、微波可變衰減器（電阻控制）大功率整流器等2.2.1PIN二極管的定性分析10PIN二極管的能帶、電荷及電場分布（以長I區(qū)為例）結(jié)構(gòu)相當(dāng)于：I區(qū)電阻+PI突變結(jié)+IN突變結(jié)正向工作：兩個結(jié)正向?qū)ㄏ騃區(qū)注入電荷電荷；I區(qū)電阻受到調(diào)制。11外電壓的影響等效電路RS為接觸電阻；RJ，CJ為PI和IN二極管結(jié)電阻和電容；CD為擴(kuò)散電容（高頻忽略）；RI（正向電荷控制）CI（未耗盡部分I區(qū)）122.2.2

正偏I(xiàn)區(qū)電阻一維情況下，設(shè)：I層，恒定；電子和空穴，相同；I層n(x)=p(-x)，即電中性PI只有空穴電流、NI只有電子電流。I區(qū)中：I區(qū)正偏時，E0，p,n?ni，穩(wěn)態(tài)：n,p與t無關(guān)，令方程簡化為：方程解與邊界條件：解得：13由（8）作圖可見W越小，越大，載流子濃度越平坦。（x)=2qn(x),I區(qū)電阻：帶入n(x)得到：當(dāng)W<L時，可見RF1/IF受到電流IF的調(diào)制;142.2.3反偏電阻、電容和擊穿電壓反偏電阻：反偏下，I區(qū)為耗盡區(qū)，但從0偏到反偏有一個I區(qū)串聯(lián)電阻降低為近似0的過程。因此曲線有相應(yīng)的變化。電容和擊穿電壓電容：反偏下，PIN二極管為平行板電容CJ=.rA/W擊穿電壓：VBEmW因?yàn)镮區(qū)為本征材料，Em很高，且W也可較大，所以PIN二極管可以達(dá)到高擊穿電壓。PIN二極管作為微波開關(guān)應(yīng)用時要求Ron小，Roff大。反向阻抗：RS+CJ的串聯(lián)Roff=RS+1/(CJ)=RS+Wτ/(.rA),τ-1要提高Roff，應(yīng)增加W和τ152.2.4PIN二極管的開關(guān)時間PIN二極管相當(dāng)于電容器：正向?qū)ù鎯﹄姾桑聪蜥尫烹姾蛇_(dá)到截止?fàn)顟B(tài)。開關(guān)時間主要取決于反向恢復(fù)時間：減少存儲電荷將增加通態(tài)電阻，只能減少電荷的抽取時間。關(guān)斷時：極端情況：IR=0,可見減小壽命可減小關(guān)斷時間；忽略復(fù)合：IR大，可有效減小關(guān)斷時間，實(shí)際上一般采用大反向脈沖電流的措施。16§2.3隧道二極管1957年江崎鈴實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在重?fù)诫sp-n結(jié)正向特性中的負(fù)阻現(xiàn)象，1958年用量子隧穿理論解釋了這種反?，F(xiàn)象。隧道二極管具有超高速、低噪聲特點(diǎn)，在小功率微波放大、開關(guān)、振蕩和頻率鎖定電路中應(yīng)用。2.3.1隧道二極管的定性分析由重?fù)诫s（簡并）的p+和n+

區(qū)組成的二極管，qVp和qVn為數(shù)kT;Xd≤100?

17摻雜濃度1019-1020/cm3。下圖定性說明隧道二極管電流電壓特性。18直接隧穿（直接帶隙半導(dǎo)體），間接隧穿（間接帶隙半導(dǎo)體）由于動量守恒要求，間接隧穿要有聲子輔助，因此，直接隧穿幾率大于間接隧穿。192.3.2隧道幾率和隧道電流1.隧道幾率由量子力學(xué)的WKB（文策耳-克萊默-布里淵法）近似，隧穿幾率可見P取決于Eg和△x~摻雜濃度。

K=1.33K=2.0K=1.59202.隧道電流假設(shè)：1）小電壓下，P為常數(shù)；2）狀態(tài)密度函數(shù)∝（E-EC)1/2和(EV-E)1/2;3）qVn和qVp≤2kT；正向隧道電流2.3.3過量電流V≥Vp+Vn，隧道電流應(yīng)為0過量電流：谷電流+指數(shù)過量電流21谷電流：重?fù)诫s半導(dǎo)體的帶尾效應(yīng)，造成禁帶變窄，從而導(dǎo)致勢壘變窄，隧道電流加強(qiáng)。對隧道二極管，重?fù)诫s是必要條件，因此谷電流不可避免。22指數(shù)過量電流：載流子通過禁帶中的能級發(fā)生的隧道效應(yīng)電流，這種隧道電流Ix隨V電壓指數(shù)上升。232.3.4等效電路等效電路如圖所示，RS為串聯(lián)電阻包括歐姆接觸、引線和材料的擴(kuò)展電阻；LS為串聯(lián)電阻電感；C為突變結(jié)電容。負(fù)阻區(qū)開始點(diǎn)的斜率為最小負(fù)阻，近似為：Rmin≈2Vp/Ip24隧道二極管阻抗：令電阻部分為0，得電阻截止頻率令電抗部分等于0，得電抗截止頻率252.3.5反向二極管當(dāng)p區(qū)和n區(qū)摻雜濃度達(dá)到弱簡并狀態(tài)，但費(fèi)米能級未進(jìn)入導(dǎo)帶或價帶。能帶如下圖所示：26但因高摻雜效應(yīng)使得勢壘區(qū)寬度Xd很小，正向特性無隧道電流發(fā)射條件，無負(fù)阻或很小負(fù)阻效應(yīng)；反向特性因薄勢壘，存在很大隧道電流。問題：為什么圖（b）存在正向負(fù)阻現(xiàn)象？反向二極管，在零偏附近特性曲線有較大的曲率，比點(diǎn)接觸二極管檢波和混頻特性更好，常用于小信號微波檢波和混頻。27§2.4雪崩二極管IMPATTD(IMPactAvalancheTransitTimeDiode)

雪崩二極管利用p-n結(jié)的雪崩倍增和載流子的渡越效應(yīng)產(chǎn)生負(fù)阻效應(yīng)，能夠產(chǎn)生微波振蕩，雪崩二極管主要用于大功率微波振蕩器。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)電路簡單、輸出功率大、效率高、高頻特性好。缺點(diǎn)是噪聲大，電壓高。1958年Read提出N+-P-I-P+結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生微波振蕩；1965年Johnston觀察到p-n結(jié)的微波振蕩效應(yīng)；同年Lee制成了Lead二極管；1966年Misawa證明任何雜質(zhì)分布的p-n結(jié)都可產(chǎn)生碰撞電離、雪崩渡越時間決定的微波振蕩；1967年P(guān)rager和K.N.Chang發(fā)現(xiàn)了俘越模式的雪崩二極管。雪崩二極管采用Si、Ge和GaAs制作。282.4.1雪崩二極管結(jié)構(gòu)（1）P+NIN+型：Read二極管29（2）P+NN+型：（N+PP+型）微波震蕩、放大（3）PIN型：大頻寬、高效、脈沖應(yīng)用（圖與Read二極管相似）（4）P+PNN+型：雙漂移型，高效率、高功率30（5）P+NP+或MNP+型：低噪聲（勢壘注入渡越時間二極管）（6）PN1N2N+和MN1N2N3型：高效率312.4.2負(fù)阻概念普通電阻:R=V/I

電壓與電流同相，R＞0，為正阻。電阻消耗的能量P=I2R

P＞0，為耗能元件。負(fù)阻:R負(fù)=-V/I=-R

電壓與電流反相，R負(fù)＜0，為負(fù)阻。負(fù)阻消耗的能量P負(fù)=-I2R

P負(fù)＜0，為能量供給元件。32正阻包括非線性電阻，電流隨電壓的增加而增加；而負(fù)阻特性電壓增加，電流減小。負(fù)阻的作用：交流振蕩：i(t)與v(t)反相，直流能量I0V0→i(t)v(t)交流振蕩；交流放大：若R＜RL，則Av＞1，產(chǎn)生放大。

332.4.3崩越振蕩機(jī)理以Read二極管為例，負(fù)阻特性是由于雪崩倍增過程和載流子的渡越時間所造成的電流和電壓的相移而產(chǎn)生的。假設(shè)：載流子的電離率相等αn=αp=α，發(fā)生雪崩擊穿，雪崩區(qū)0~xA：臨界直流電壓VD+射頻電壓v(t)，v(t)正半周，雪崩擊穿；v(t)負(fù)半周，雪崩停止。漂移區(qū)xA~xA+W：雪崩產(chǎn)生的載流子進(jìn)入漂移區(qū)以飽和速度通過漂移區(qū)，渡越時間τ=W/vs。34波形分析：雪崩區(qū)：射頻電壓v正半周時，0~π/2，N+P結(jié)開始發(fā)生擊穿，積累電子空穴對，形成Ia；π/2~π范圍，繼續(xù)雪崩過程積累電子空穴對，Ia增加；π~3π/2，雪崩擊穿結(jié)束，雪崩區(qū)積累的載流子（空穴）進(jìn)入漂移區(qū)，Ia繼續(xù)存在，但不斷減小；

Ia相對于v落后π/2相位，這就是雪崩區(qū)延遲。漂移區(qū)：漂移區(qū)電場低于擊穿臨界電場，載流子數(shù)量不變，以飽和速度渡越通過漂移區(qū)。這個恒定的勻速空穴電荷流，將在外電路產(chǎn)生脈沖電流Ic。設(shè)：x=0，雪崩倍增產(chǎn)生空穴電流I0(t)流入漂移區(qū)，任意點(diǎn)x，t時刻的空穴電流I(x,t)=I0(0,t-x/v)=I0(t-x/v)，則外電路電流其基波相對于Ia相位延遲了τ/2，上述分析中忽略了對相移無貢獻(xiàn)的外電路對N+P結(jié)勢壘的充電電流。設(shè)v的頻率為f，Ic相對與Ia落后的相位為φ

令φ=π/2，則有可見f與W成反比，上式確定的f為漂移頻率。令渡越角為：θ

=ωτ，θ＞0，出現(xiàn)負(fù)阻，θ

=π時，負(fù)阻最大。35雪崩二極管振蕩：器件結(jié)構(gòu)如圖雪崩二極管，雪崩二極管置于微波諧振腔中，反偏到雪崩擊穿點(diǎn)附近，絕緣的活塞可以上下活動改變諧振頻率，使f=1/(2τ)時，能產(chǎn)生頻率為f的微波振蕩，從耦合口輸出。振蕩產(chǎn)生過程：自激振蕩、熱起伏、微擾等形成廣譜噪聲振蕩，頻率為f的振蕩諧振加強(qiáng)形成射頻電壓輸出，負(fù)阻效應(yīng)隨振幅的增加而減小，電源提供的能量等于腔體的消耗時，達(dá)到穩(wěn)定振蕩。36能量轉(zhuǎn)換(N+PIP+)：漂移的載流子為空穴直流電場將能量注入或轉(zhuǎn)換成交變電場π3372.4.4崩越二極管的等效電路崩越二極管的等效電路出自其交流小信號分析結(jié)果。過程繁雜（忽略）模型：雪崩區(qū)等效電路38崩越二極管總阻抗Z是雪崩區(qū)阻抗ZA、漂移區(qū)阻抗Zd和無源區(qū)電阻RS之和。當(dāng)θ＜π/4時，上式簡化為C=εε○A/W耗盡層電容第一項(xiàng)為有源電阻，當(dāng)ω＞ωr時，為負(fù)阻。39小渡越角崩越二極管的等效電路如圖第三項(xiàng)是電抗性的，由等效電路圖可見相當(dāng)于二極管電容與電感并聯(lián)的諧振電路。ω＜ωr時，＞0電感；ω＞ωr時，＜0電容。40崩越二極管的交流導(dǎo)納YG為導(dǎo)納的實(shí)部；B為導(dǎo)納的虛部。412.4.5崩越二極管的特性1.崩越二極管的效率定義：交流輸出功率Pa/直流功率Pd為崩越二極管的效率ηφ為注入相位延遲，Si:m=1/2;GaAs:m=1對理想Read二極管的尖峰脈沖近似下，Va/Vd≈1/2;Ia/Id≈2/π，因此效率η大于1/π，超過30%。實(shí)際崩越二極管的效率只達(dá)到20%以下，影響因素包括：空間電荷效應(yīng)、反向飽和電流效應(yīng)、少子注入電流效應(yīng)、趨膚效應(yīng)和未耗盡外延層串聯(lián)電阻效應(yīng)等。42空間電荷效應(yīng)圖（a）雪崩電荷之間的電場與外電場相反可造成關(guān)閉雪崩過程，減少了相位延遲。圖（b）改變了電場和端電流分布，降低了效率。反向飽和電流效應(yīng)反向飽和電流會使雪崩過程建立太快，從而引起雪崩相位延遲減小。少子注入電流也會引起這種效應(yīng)加劇。趨膚效應(yīng)和未耗盡外延層串聯(lián)電阻會使得有效輸出功率下降從而減小效率。432.崩越二極管的噪聲噪聲大是崩越二極管的致命缺點(diǎn)，其噪聲電平高達(dá)20-40db。然而在微波頻段崩越二極管可作為噪聲源。崩越二極管的噪聲可分為調(diào)幅（AM）和調(diào)頻（FM），包含三部分：雪崩噪聲雪崩倍增過程中的固有的擾動引起載流子電流的起伏，包括載流子電離率的起伏和載流子電離離化時間間隔的雜亂起伏。頻率轉(zhuǎn)換噪聲主要是低頻噪聲經(jīng)過器件的非線性變頻而轉(zhuǎn)換的近載波頻率的噪聲。熱噪聲器件內(nèi)部的熱噪聲+偏置電路的熱噪聲，與雪崩噪聲相比，熱噪聲可忽略。44崩越二極管的噪聲調(diào)幅（AM）調(diào)頻（FM）顯然噪聲特性調(diào)速管優(yōu)于GaAs崩越二極管優(yōu)于Si崩越二極管。453.崩越二極管的小信號Q值定義：單位時間內(nèi)，儲存能量和損耗能量值比與角頻率的乘積為Q值（品質(zhì)因數(shù)）。Wd是器件所存儲的電場能，在一個振蕩周期中的平均值dWd/dt是功耗，其平均值為46崩越二極管小信號Q值與偏置電流的關(guān)系Q＜0，Q絕對值越小越好，對于固定偏流，低頻Q值較好；對于固定頻率，較高電流Q值較好。474.崩越二極管的輸出功率器件的輸出功率受兩方面限制即電學(xué)和熱學(xué)限制。電學(xué)限制：Pmax=Vmax×Imax=(EmW)(qnvsA)式中W為器件長度；A為器件面積，由上式可見GaAs比Si器件好，上式可得到以下形式：其中XC=1/2πfC，為器件的電抗；XC不變情況下，Pmax∝1/f2。高頻下電學(xué)限制是器件的主要限制因素。熱學(xué)限制：低頻下，連續(xù)工作的限制因素是器件的最大耗散功率P，穩(wěn)定條件下，有上式可見減小熱阻能夠有效的提高功率，P與f成反比表明頻率增加將減小輸出功率。48第三章電荷耦合器件（CCD)§3.1CCD的工作原理CCD(Charge-CoupledDevice) 1969年發(fā)明，結(jié)構(gòu)為密排的MOS電容陣列，利用適當(dāng)相序的時鐘脈沖，信息電荷包以可控的形式在電容產(chǎn)生的勢阱中存儲或轉(zhuǎn)移。CCD器件被廣泛用于影像傳感、信息處理和數(shù)字存儲。影像傳感用CCD：光注入產(chǎn)生信息電荷；信息處理和數(shù)字存儲CCD：電注入產(chǎn)生信息電荷。CCD與MOSFET工作的本質(zhì)區(qū)別：MOS管工作在平衡態(tài)；CCD工作在非平衡態(tài)。CCD掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、攝像頭、手機(jī)等493.1.1MOS電容的瞬態(tài)特性以P型襯底的MOS電容為例，結(jié)構(gòu)如圖（a）所示，正常的穩(wěn)態(tài)情況下能帶圖見圖（b），在正向柵電壓的作用下，形成多子耗盡和反型狀態(tài)，半導(dǎo)體表面電荷QS=Qn+Qb，強(qiáng)反型后，勢壘區(qū)寬度為xsmax。柵極上突然加一個大于VT的正電壓，半導(dǎo)體處于深耗盡狀態(tài)，形成單純的耗盡層勢阱，半導(dǎo)體表面電荷QS=Qb，勢壘區(qū)寬度x’s＞xsmax。TS為電荷存儲時間或熱弛豫時間，TS≈2τNA/ni可達(dá)秒的數(shù)量級。SONY、Philips、Kodak、Matsushita、Fuji和Sharp等公司生產(chǎn)CCD目前有兩種分色方式：RGB原色分色法，CMYK補(bǔ)色分色法。50Si的Ts可達(dá)1-100s。3.1.2MOS電容的表面勢阱表面勢Φs=V0+V-(V02+2VV0)1/2V=VG-VFB-|Q信號|/CjV0=εε?qNA/Cj2通過控制VG→改變Φs，從而實(shí)現(xiàn)對信號的存儲和轉(zhuǎn)移。51

ΔΦs∝Q信號，如下圖所示52因?yàn)?，Ci＞>Cs,，所以Q信號=Ci|ΔΦs|。533.1.3三相CCD的工作原理以三相表面P溝CCD為例，結(jié)構(gòu)及時鐘見下圖，器件有對稱的柵極和相似的三相時鐘脈沖控制，負(fù)電壓形成勢阱。t=t1時，1，4，7柵極形成勢阱，存儲電荷；t=t2至t=t3時，電荷向2，5，8柵極下轉(zhuǎn)移。t=t4時所有的電荷完成了從1，4，7向2，5，8的轉(zhuǎn)移。54電荷在勢阱下的轉(zhuǎn)移過程示意圖553.1.4二相硅鋁交迭柵CCD器件采用多晶硅存儲柵和鋁轉(zhuǎn)移柵交迭的雙層結(jié)構(gòu)，具有封閉溝道提高器件的集成度和穩(wěn)定渡的優(yōu)點(diǎn)，存儲柵一般比轉(zhuǎn)移柵長，以保證器件的速度和足夠的電荷量。脈沖時鐘的幅值小能夠形成不完全轉(zhuǎn)移，如圖所示，要避免。56實(shí)現(xiàn)電荷完全轉(zhuǎn)移的兩種時鐘脈沖控制：降落時鐘；推進(jìn)時鐘。57§3.2CCD的結(jié)構(gòu)3.2.1交迭柵結(jié)構(gòu)采用交迭柵減小極間勢壘對電荷轉(zhuǎn)移的影響58C4D結(jié)構(gòu)和電阻柵結(jié)構(gòu)能夠起到與交迭柵相同的作用：極間成為高電導(dǎo)區(qū)，自對準(zhǔn)工藝。593.2.2減少界面態(tài)的影響通常CCD為SCCD器件，為了避免界面態(tài)的影響，采用埋溝道CCD即BCCD在器件表面采用離子注入或外延制作一層與襯底導(dǎo)電相反的薄層。60有無柵壓下BCCD器件的能帶圖比較SCCD與BCCD器件比較，態(tài)密度降低一個數(shù)量級，提高了轉(zhuǎn)移效率。61§3.3CCD的輸入輸出特性3.3.1輸入方式作為CCD光電圖像傳感：采用薄多晶硅透光、背面透光或在電極上開孔的方法，使光照射硅表面層內(nèi)在勢阱中產(chǎn)生載流子電荷輸入，勢阱中的光生少數(shù)載流子和光照度成正比，經(jīng)過電荷轉(zhuǎn)移由輸出端讀出圖像信號；作為信息存儲和轉(zhuǎn)移器件：通過輸入電路把電流或電壓信號轉(zhuǎn)變成電荷信號存入勢阱。輸入電路要求將電壓或電流信號線性的轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾尚盘?。電流積分法圖（a）經(jīng)過TC時間注入后，Φ2勢阱中可見Q信號與VID線性度不好。622.電壓輸入法圖（b）IG選通脈沖，寬度小于Φ2開關(guān)S與Φ2勢阱之間通道，缺點(diǎn)：噪聲大，線性也不好。3.電位平衡法改進(jìn)了噪聲和線性度，IG=IS，ID加測量脈沖。ΦIG=ΦΦ2達(dá)到電勢平衡時，VIG=VΦ2-|Q信號|/Ci因VΦ2=const,所以Q信號~VIG滿足線性。633.3.2輸出方式采用輸出電路對CCD的電荷信號進(jìn)行有效的收集和檢測，輸出方式主要有：電流輸出、浮置擴(kuò)散放大器和浮置柵放大器輸出。1.電流輸出輸出二極管反偏，控制OG可使電荷流入OD之下形成輸出電流iD，則642.浮置擴(kuò)散放大器輸出檢測前，T1管復(fù)位，清FD電荷，T2柵極電位變化因此V輸出=KV×ΔV。缺點(diǎn)是需每次復(fù)位和破壞性讀出。3.浮柵放大器輸出在轉(zhuǎn)移溝道上做出浮柵，利用其感應(yīng)的鏡象電荷控制T2的柵極，浮柵由信號電荷所產(chǎn)生的電壓變化非破壞性測量。65§3.3CCD的特性參數(shù)3.3.1電荷轉(zhuǎn)移效率轉(zhuǎn)移效率η和轉(zhuǎn)移損失率εN次轉(zhuǎn)移后Q(n)=Q(0)η

n影響因素：1）電極間隙阻擋；2）轉(zhuǎn)移速率太高；3）界面態(tài)或體陷阱俘獲信號電荷產(chǎn)生的部分電荷滯后解決措施：1）重疊柵結(jié)構(gòu)；2）富零技術(shù)或BCCD。66富零技術(shù)（胖零技術(shù)）利用胖零電荷使陷阱能級無論電荷轉(zhuǎn)移與否都為載流子填充，從而不能產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移損失。采用富零技術(shù)達(dá)到的信號轉(zhuǎn)移效果見下圖673.3.2器件工作頻率CCD器件顯然存在一個工作頻率范圍：頻率上限：頻率太高電荷來不及完全轉(zhuǎn)移，若以t1表示轉(zhuǎn)移效率為η1的轉(zhuǎn)移時間，則對于三相CCD，時鐘周期TC≥3t1

對應(yīng)頻率fC1≤1/（3t1）為上限，一般為數(shù)十kHz。頻率下限：CCD工作在非平衡狀態(tài)，頻率太低，熱激發(fā)產(chǎn)生的少子加入將干擾Q信號，下限取決于少子壽命τ，設(shè)t2為電荷從一個電極轉(zhuǎn)移到下一個電極的轉(zhuǎn)移時間，對三相CCD，應(yīng)有t2＜τ，

t2=1/（3fC2），fC2為對應(yīng)頻率下限，fC2＞1/（3τ），室溫下，可達(dá)0.1~數(shù)kHz。683.3.3電荷存儲容量電荷存儲容量為器件所能存儲和轉(zhuǎn)移的最大信號電荷量，存儲容量取決于器件結(jié)構(gòu)和時鐘脈沖。對時鐘電壓為Vp，電極有效面積為A1的SCCD，存儲容量若Q信號＞Q1，則發(fā)生電荷溢出，導(dǎo)致信號失真和幅值衰減。Emax為SiO2的最大擊穿場強(qiáng)，一般為5~10×106V/cm。所以Qmax/A1≈103/cm2器件單位時間轉(zhuǎn)移的最大信號電荷量為最大信號電流，若時鐘頻率為fa則時鐘設(shè)計(jì)是影響器件電荷存儲容量的主要因素69交疊時鐘脈沖設(shè)計(jì)可保證新勢壘在存儲電荷的舊勢壘被破壞之前產(chǎn)生，從而有利于提高電荷存儲容量。70時鐘脈沖波形的影響電荷容量隨脈沖電壓的增加而增加，三相大于二相時鐘脈沖，矩形波最高。713.3.4噪聲本征噪聲源：電荷包的存儲、轉(zhuǎn)移有關(guān)的散粒噪聲（白噪聲）包括暗電流噪聲、熱產(chǎn)生噪聲和光量子噪聲；外來噪聲源：輸入噪聲、輸出噪聲。上述噪聲疊加在Q信號上，降低了信號的精度。散粒噪聲熱或光激發(fā)產(chǎn)生的電荷與勢阱收集電荷的漲落而引起的噪聲。有效噪聲電子數(shù)的均方值722.轉(zhuǎn)移噪聲包括電荷不完全轉(zhuǎn)移引起的噪聲和電荷陷阱噪聲，電荷包轉(zhuǎn)移n個電極后的均方漲落為

。73SCCD和BCCD有效轉(zhuǎn)移噪聲與信號包的大小和頻率的關(guān)系743.電輸入噪聲輸入電荷漲落引起的噪聲Nn=q-1(kTCin)1/2≈400Cin1/2754.輸出噪聲包括輸出二極管和偏內(nèi)輸出放大器噪聲可分為復(fù)位噪聲和浮柵放大器噪聲。3.3.5暗電流產(chǎn)生暗電流包括中性區(qū)產(chǎn)生的擴(kuò)散電流、耗盡區(qū)產(chǎn)生的電流和界面產(chǎn)生的電流。CCD工作在非穩(wěn)態(tài)，正常情況下，勢阱不為電荷所飽和，但由于少子的不斷產(chǎn)生和被勢壘收集，經(jīng)過一段時間，存儲電荷就被暗電流所淹沒。Si的此時間大約100毫微安/厘米2，攝像CCD應(yīng)努力減小暗電流。3.3.6功耗MOS電容為低功耗器件，一般器件的內(nèi)功耗＜＜外功耗，內(nèi)功耗為載流子勢阱中轉(zhuǎn)移所消耗的能量；外功耗為柵電容充放電所消耗的能量。若時鐘脈沖頻率為fC，則外功耗PC=fCCGVP276第四章太陽電池（SolarCell）太陽電池是利用半導(dǎo)體p-n結(jié)光生伏特效應(yīng)直接將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的能量轉(zhuǎn)換器件。1883年Frist制成第一塊硒光電池；1941年Ohl制成單晶硅生長結(jié)光電池；1954年貝爾實(shí)驗(yàn)室的Chapin,Fuller和Pearson制成了實(shí)用型硅p-n擴(kuò)散結(jié)太陽電池。此后太陽電池的性能不斷提高并得到了廣泛的應(yīng)用。太陽電池的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：長壽命、無污染、效率高和可靠性高，缺點(diǎn)：成本高。太陽電池的應(yīng)用由于太陽電池的優(yōu)點(diǎn)突出在許多領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用：空間探測飛行器、衛(wèi)星、地面或海上無人燈塔、氣象站通信設(shè)施、現(xiàn)代電器等，太陽電池是一種綠色能源。77化合物半導(dǎo)體太陽電池效率30%單晶硅太陽電池效率25%多晶硅太陽電池效率<20%非晶硅太陽電池效率10%7821世紀(jì)初估計(jì)太陽電池板成本10年前大約$8-10/W，$500/50W，兩年前$3-5/W，2007年可望達(dá)到$1/W，2010年可望達(dá)到6cents/W。（10cents/W常規(guī)燃料發(fā)電費(fèi)用）2009年加州Nanosolar公司99cents/W79太陽電池陣列的跟蹤系統(tǒng)輸出與天氣、地點(diǎn)、云和時間等條件有關(guān)夏天5倍標(biāo)準(zhǔn)輸出功率冬天2倍標(biāo)準(zhǔn)輸出功率80太陽能汽車ThetwoseatHondaDream,onitswaytowinningthe1996WorldSolarChallenge

81Spectrolab’ssolarcellsApproximately3,000dual-junctiongalliumarsenidesolarcellswereusedtopowertheUniversityofMichigan"M-Pulse"solar-poweredcar,whichtookfirstplaceattheAmericanSolarChallengein2001.ninedays;2,247.5-mileracein56hours,10minutesand46seconds,82TheDutchNuna3havenowwontheWorldSolarChallenge3timesinarow.Theycrossedthefinishlinetoday,havingdriven3,021km(1,877miles)inarecordtimeof29hoursand11minutes,breakingtheirownrecordby43mins.Whilethecarsweresometimestravellingatspeedsover110kph(68mph)83市場預(yù)測84廣泛的應(yīng)用85§4.1太陽輻射和p-n結(jié)光生伏特效應(yīng)4.1.1太陽輻射太陽核聚變：每秒6×1011kgH2→He，質(zhì)量損失：4×103kg，能量E=△MC2=4×1020J太陽總質(zhì)量：2×1030kg，估計(jì)近恒定輸出的壽命超過100億年。太陽常數(shù)和光譜太陽投射到地球的能量：1/3被反射；近1/3被大氣吸收（主要為紅外波段的水汽吸收，紫外波段的臭氧層吸收及懸浮粒子的散射）；大于1/3到達(dá)地球表面。由太陽常數(shù)和大氣質(zhì)量描述太陽常數(shù)：在地-日平均距離自由空間上，與陽光垂直的單位面積太陽輻射能量叫一個太陽常數(shù)S0（1353W/m2或135.3mW/cm2）862.大氣質(zhì)量太陽與天頂夾角的正割Secθ為大氣質(zhì)量太陽處于天頂時，m=1，稱為AM1情況；大氣層以外稱為AM0情況。太陽輻射通量(Pin)m~大氣透明度Km和大氣質(zhì)量m的關(guān)系：(Pin)m=(Pin)0KmK=0.85;0.80;0.75;0.70;0.65大氣質(zhì)量對太陽輻射光譜的影響874.1.2p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)1、p-n結(jié)光生伏特效應(yīng)的物理過程光照產(chǎn)生非平衡載流子→p-n結(jié)收集產(chǎn)生光電流JL→在勢壘區(qū)兩側(cè)產(chǎn)生電荷積累→光生電動勢VS。2、理想p-n結(jié)光電池特性理想情況下，負(fù)載電阻上的電壓短路：VS=0，IS=IL=ISC開路：VS=VOC，IS=088§4.2p-n結(jié)太陽電池的主要參數(shù)太陽電池：p-n結(jié)太陽電池；異質(zhì)結(jié)太陽電池；集光太陽電池；薄膜太陽電池等，p