1、1半導體光電子器件結構和基本原理2 “Complete Guide to Semiconductor Device” 指出： 半導體器件有67種，110余變種。 概 述3構結本基基本結構漂移-擴散電子器件半導體器件基本類型pn結MISM-S異質結組合光電子器件電子-光子互作用物理過程理論基礎理論基礎4課程主要內容CH1 半導體光電子器件物理基礎CH2 半導體太陽電池（Solar Cells）CH3 半導體光電探測器（Photodetectors） CH4 半導體電荷耦合器件（CCD）CH5 半導體發光二極管（LED）CH6 半導體激光器（LD）5層 次基本結構與原理 主要概念與性能理論基礎與機

2、理 性能提升與措施重點理解與掌握基本物理概念 基本物理過程 基本物理圖像6Ch1 半導體光電子器件物理基礎一、 pn結二、 MIS結構三、 金屬與半導體接觸四、 異質結與量子阱五、 半導體光吸收與光輻射六、 平板介質光波導基本理論 基本物理屬性 基本電學特性71-1 pn結（同質）一、基本物理屬性 1、基本類型 2、空間電荷區與自建電場 3、能帶結構（平衡與非平衡） 4、載流子分布（平衡與非平衡）二、基本電學特性 1、載流子輸運過程 2、I-V特性 3、勢壘電容與擴散電容 4、擊穿機制及機理8空間電荷區形成物理過程及屬性9能帶結構及載流子分布?10P區n區pp0pn0nn0np0pn0exp(

3、qVF/kT)np0exp(qVF/kT)P區n區pp0pn0nn0np0pn0exp(qVR/kT)np0exp(qVR/kT)正 偏：反 偏：11費米能級12載流子輸運過程13I-V特性LnLp?WPWn14勢壘電容物理機制P區n區P區n區空穴補償電子補償空穴釋放電子釋放偏壓上升： 變窄偏壓下降： 變寬15擴散電容物理機制P區n區pn161-2 MIS結構一、MIS結構物理基礎 1、半導體表面狀態與能帶結構 2、半導體表面勢與表面電荷 3、氧化層電荷與界面態作用 4、強反型與閾值電壓 5、深耗盡狀態及機理二、MISFET電學特性 1、MISFET基本原理與結構 2、MISFET基本類型與特

4、性17MIS基本結構及屬性VGn-Si or p-SimetalinsulatorVoxVSSurface Space Charge Region18(WmWs)/q(EiEF)/q可略表面狀態與能帶結構表面勢與表面電荷?強反型與閾值電壓?VG =VT=VFB (Q反+Q耗盡 )/ Cox +2F = VFBQ耗盡/ Cox +2F VFB = ms QSiO2 / Cox 19深耗盡狀態及機制VGVGVGdVG/dt ppp20VGVTp-SiMOSFET結構、原理及類型n+n+結構及類型?211-3 金屬與半導體接觸一、金-半接觸物理基礎 1、金-半接觸類型與能帶結構 2、勢壘形成與界面態

5、 3、空間電荷區與電勢二、肖特基結基本電學特性 1、基本電學特性 2、載流子輸運過程及機制22勢壘接觸23非勢壘接觸24非勢壘接觸（歐姆接觸？）25表面態影響與歐姆接觸EFm261-4 異質結與量子阱一、異質結物理基礎 1、基本類型與能帶結構 2、空間電荷區與電勢二、異質結基本電學特性 1、載流子輸運過程 2、基本電學特性與特征三、量子阱與超晶格 1、量子阱 2、超晶格 3、量子點與量子線四、二維電子氣（2DEG）與二維空穴氣（2DHG）27一、異質結物理基礎 異質結： 兩種禁帶寬度不同的半導體材料組成的結。 1、基本類型與能帶結構 類型： 異型異質結-兩種材料導電類型不同； 同型異質結-兩種

6、材料導電類型相同。 主要應用： 微電子器件-提高增益、頻率特性、線性 度，減小噪聲、功耗等。 光電子器件-提高器件光電轉換效率等。 主要結構材料： GaAs基材料，如，AlxGa1-xAs/GaAs、 InxGa1-xAs/GaAs；Si基：Si1-xGex/Si，- 28 2、能帶結構特 征：導帶、價帶分別存在帶隙差EC和EV特點： 高、低勢壘ECEVEcor緩變異性異質結293、空間電荷區與電勢 1）空間電荷區形成過程 2）電場及其分布 摻雜濃度：和； 介電常數p S和n Sxp x 0： 0 x xn：特征： 場線性分布； 電場在界面處不連續； 電位移失量連續。 303）接觸電位差-D

7、空間電荷區p區側-P n區側-n正、負空間電荷區電勢差與摻雜濃度關系 VDp/VDn = n s ND/p s NA !314） 空間電荷區寬度 聯解上述方程 非平衡異質pn結-上式用（）替換。 -表示正偏；-表示反偏。 p區側：n區側：325） 勢壘電容 空間電荷區正的或負的電荷量 : 單位面積勢壘電容 與摻雜濃度、偏置電壓的關系與同質結相同33二、異質結基本電學特性(n區寬帶p區窄帶為例) 1、載流子輸運過程（載流子勢壘）圖a)和(c)所示異質結： 電子從n區導帶渡越到p區 導帶跨越的勢壘高度為 ： （qVD-EC） 空穴從p區價帶渡越到n區 價帶跨越的勢壘高度為： （qVD+Ev）圖(b

8、)所示異質結： 電子從n區導帶到p區導帶跨越勢壘高度為：qVDn 空穴從p區到n區跨越勢壘高度仍為（qVDE） 特征: 電子和空穴渡越的勢壘高度不同 VDn低勢壘異質結高勢壘異質結緩變異質結342、基本電學特性與特征 1）基本電學特性 低勢壘異質結和緩變異質結: 形式與同質pn結相同，但少子密度項表示有差別35 高勢壘異質結： 36 2）電子流與空穴流特征-注入比同質結電子流與空穴流注入比 異質結電子流與空穴流注入比 若Eg = 250mv，注入比可以比同質結高104倍以上37要 點能帶結構及特征； 載流子渡越勢壘特征； I-V方程形式； 電流注入比。38IVB#異質結基本應用A1. 限制BJ

9、T頻率特性因素存在極限？39 A2.解決途徑HBT(異質結雙極晶體管)qVpqVnEmitterBaseCollectorSi BJTqVn=qVpqVpqVnEmitterBaseCollectorSiGe HBTqVn qVp40勢壘# 三、量子阱與超晶格 1、量子阱 二個異質結組成，其中間層導帶底最低、價帶頂 最高；或僅導帶底最低；或僅價帶頂最高。 2、超晶格 量子阱（或不同導電類型材料）組成的一維周期性結 構，其勢壘寬度小于電子的德布羅意波長。L小于德布羅意波長( 50nm）LEg1Eg2ECEVpnn異質結超晶格摻雜超晶格4142 3、量子線與量子點 量子線： 二個方向物理尺寸小于德

10、布羅意波長 量子點： 三個方向物理尺寸小于德布羅意波長43 1、量子阱載流子能量量子化 量子阱近似0LV0 1）單量子阱中電子狀態-遵循薛定諤方程xxyz44二維電子氣（2DEG）二維空穴氣（2DEG）0LV0 xxyz45EhhELh0L46EhhELh47 2）單量子阱中電子狀態密度(E)482、超晶格 1） 多量子阱 單量子阱周期性組成，勢壘寬度大于德布羅意波長。 量子阱內電子狀態與單量子阱相同。EhhELh49 2）超晶格 勢壘寬度小于德布羅意波長的多量子阱。 特點：電子在阱間共優化運動； 量子化能級展寬成微帶； 量子阱xy面內電子能量仍連續。EhhELh50 3、量子線與量子點 量子

11、線： 二個方向物理尺寸小于德布羅意波長 量子點： 三個方向物理尺寸小于德布羅意波長3D2D1D0D51# 超晶格能級狀態 -載流子受晶格周期性勢場和可控的超晶格周期性勢場作用。那么載流子的波函數也可人為控制。薛定諤方程邊界條件V(z)=0 0 z Eg 轉變為熱能 6、表面反射 (1.41.6eV)？1017、寄生電阻影響(非理想I-V方程)寄生電阻影響大RS=0RSh= RS=0RSh=100 RS=5RSh= RS=5RSh=100 RSRshVRS=5降30%102八、太陽電池設計考慮 幾何結構參數(尺寸)、表面反射、復合主要考慮因素。 摻雜分布與結深一般決定開路電壓和光生電流。 pn結

12、厚度（吸收系數決定）： Si吸收系數?。?10-210-3/m）,典型300400。 直接帶隙半導體，典型1。 層厚度： 底層厚度：Ln1；Si Ln300 m。 頂層厚度：高能光子主要在表面吸收，xj-0.30.5 ； 紫光電池， xj-0.10.2 。 摻雜濃度： 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。103103九、常規pn結太陽電池不足太陽電池關鍵參數效率 光生載流子在表面與襯底復合； 擴散至擴散長度外復合。 低的表面區摻雜接觸電阻高。 表面反射降低光吸收。Si表面反

13、射系數 30%。 調節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 高能粒子在半導體表面產生缺陷，降低載流子壽命。(p)(n)104十、其它結構太陽電池1.異質結結構 光子窄帶區吸收； 寬帶表面高摻雜； 抗輻射能力強。2.背面高摻雜結構 控制擴散長度外載流子復合。3.絨面結構 增加吸收。 4.“陽光”結構5.肖特基結構結構7. 結聯結構8.量子阱結構9.集光 - - - - - -pnnpEg1Eg2Eg1Eg2105十一、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1063、量子阱電

14、池 pin結構，i層中有量子阱（阱寬615nm，勢壘5nm）4、聚光電池 聚集太陽光，提高光強。i增加光譜吸收范圍提高量子效率615nm5nmI-V fig13.29,30輸出電壓（V）輸出電壓（V）107十二、其它材料太陽電池多晶體；非晶體；有機薄膜； - - - - - -。十三、其它 轉換效率：Si-1418%(24%); GaAs-1821%; GaInP/GaAs/Ge-2629%(三結) 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。108太陽電池原理、開路電壓、短路電流物理機制；開路、短路、負載等效電路；光生載流子有貢獻區域；光電流常數（結構與光強

15、一定）；光譜吸收特性；光吸收系數與np結和pn結；寄生電阻影響。109Ch3 半導體光電探測器Photodetectors一、光電探測器物理基礎二、光電探測器性能參數三、光電導體四、光電二極管五、pin光電二極管六、雪崩光電二極管七、光電晶體管八、色敏光電二極管110一、光電探測器物理基礎-光生載流子 1、光子效應 光子與電子直接相互作用 電子受激躍遷至高能級 hE 本征躍遷， hEg ； 雜質電離； hE D，or，hEA 2、光熱效應 吸收光子能量轉換成晶格振動能量 溫度升高激發載流子躍遷 h Eg hE 111 3、光電探測器工作的主要物理過程 1）吸收光子能量，產生光生載流子； （通常

16、為電子-空穴對） 2）載流子定向輸運； （產生增益或無增益） 3）在器件端點或外電路形成與光對應信息。 4、光電探測器類型 電導型（光致電導）； pn結型； 量子阱、超晶格型。112二、光電探測器主要性能參數 1、量子效率-（關鍵參數） Ip：光電流；P-入射光功率；hv-光子能量 P：如為入射探測器表面的光功率-外量子效率 P：如為探測器吸收的光功率-內量子效率 理想情況下內量子效率：113 2、響應度-R 3、靈敏度-S 4、光譜響應率-單色 Vp-輸出光電壓Ip-輸出光電流# P-某光譜范圍內光功率1145、響應時間（響應速度）ptItI00.37I00.63I01156、探測器噪聲參數

17、1）噪聲表述 類型：固有噪聲，自然噪聲 特點：隨機，不可預測； 統計平均值為0。 表征：均方值（方均值）表述。 總噪聲： 噪聲特性： 與頻率相關, or 與頻率無關-白噪聲。tt1162）噪聲源 熱噪聲-載流子無規則熱運動（白噪聲） 散粒噪聲-載流子輸運(含渡越勢壘區)隨機起伏（白噪聲） 產生-復合噪聲：載流子產生-復合隨機起伏 1/f 噪聲-低頻（ If)P+P-nP+P-nWinn-P+WiP+nQ0常規9156（B）pin光電二極管基本原理 對光電流貢獻區域： 中性區 擴散區 本征區n+-Si-+pppnP (1-R)exp(-x)W 通過調制本征區寬度： 提高量子效率； 提高頻率響應特

18、性。1571.光生電流1) 勢壘區量子效率pin0W1582) 擴散區pnXW加！159# 中性區pnXH0因pin結構希望光生電流在本征區，所以討論效率略該區1603) 量子效率？可略加！即希望光生載流子在本征區161（C） 頻率響應 -載流子渡越勢壘區延遲 （交流狀態，渡越勢壘區有傳導電流與位移電流）npx0162163？提高和f 希望光子在本征區吸收p反射層n-+？不足：p/n區吸收164P型窄帶反射層N型窄帶-+折射率半絕緣InPp+-InPp+-InGaAsPi-InGaAsn+-InGaAsP優點： 1、效率高； 2、響應快折射率# 利用異質結改善性能？ 結構考慮165（D） 噪聲

19、166pin結構優點；pin光電二極管工作物理機制；效率與頻率響應措施。167同質pn結光電二極管異質pn結光電二極管金-半結光電二極管pin結光電二極管缺點：光生載流子不能放大雪崩光電二極管；雙極型光電晶體管；單極型光電晶體管。解決方案？1681.基本結構示意圖(六) 雪崩光電二極管(APD)p+-pn+n+-npp+金-半結p+nn+p+-p-n+nnp+-+pn+nn+n+pE+nP+EE1692.基本工作原理 a. 器件偏置于臨界雪崩狀態； b. 光生載流子渡越空間電荷區雪崩倍增。 輸出載流子獲得增益。 優勢：有增益； 噪聲低1703.雪崩增益-Mph雪崩倍增輸出光電流與雪崩倍增前光電

20、流比一般取100左右VRR雪崩擊穿電壓M=C?MC M nn p1743）最大信噪比175 (七) 光電晶體管n+pn1、雙極型光電晶體管異質結晶體管？增益近似為1210-11176IVB#異質結基本應用A1. 限制BJT頻率特性因素？0:fmax:fT:177 A2.解決途徑HBT(異質結雙極晶體管)qVpqVnEmitterBaseCollectorSi BJTqVn=qVpqVpqVnEmitterBaseCollectorSiGe HBTqVn 2|F|； 耗盡層寬度大: xd xdm ； 存在熱弛豫時間： 頻率周期小于弛豫時間，反型電荷來不及積累； 反型后表面勢降低。xd1892.信

21、號檢測電輸入光輸入hEg n+p1VinVG0V10p1VG0V10SDSDS (n+)完成儲存深耗盡反型輸入柵表面反型狀態1903.信號電荷轉移t12310V? 2V?表面反型狀態12191三、線陣信號電荷讀出2.線陣信號電荷轉移與儲存1.線陣信號電荷檢測1 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 3hv-信號區轉移區1 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 3儲存區1923.線陣信號電荷輸出-電流輸出n+VD+DS32VG01931 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31

22、 2 31 2 31 2 31 2 31 2 3儲存區1 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 3獲取信號區321321321321四、面陣信號轉移、儲存、讀出-CCD攝像器件第一行向外傳的同時，讀取下一幀194 五、CCD 器件主要性能參數 1.電荷轉移損失率(t) t時刻轉移結束仍留在電極下的電荷Q(t)與原在該電極下電荷Q(0)之比 那么轉移效率 初始為Q(0)的電荷，經過n次轉移后，所剩電荷

23、若=99%，n=192,那么Q(n)=14Q0%MIS界面復合；漏電；頻率高電荷損失機理？胖零-表面始終耗盡狀態措施？1952.工作頻率f 頻率若少子轉移時間為t，壽命為，對三相有（ T-周期） t tth頻率上限頻率再低時，載流子傳輸不到下一勢阱則被復合。頻率再高時，載流子傳輸跟不上驅動信號，輸運不到下一阱。t 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202 (4)激子復合 激子-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

24、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。 2032. 非輻射復合（1）多聲子躍遷 電子和空穴復合所放出的能量產生聲子，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為

25、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，發射光子能量204二、半導體發光二極管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。205a.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206Zn-OZnN施主-受主（幾個晶格距離）：激子： 等電子中心-等分子中心- b.非本征型2073.發光

26、效率 內效率：外量子效率：2084.截至頻率2094、影響發光效率因素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。4）表面反射2103）菲涅耳（fresnel）損耗 GaAs: C= 16；GaP: C= 171）LED材料吸收 h Eg（襯底、表面）-吸收。 GaAs吸收85%，GaP吸收25%2）斯涅耳（snell）損耗pn襯底pn襯底C2115、考慮效率的LED結構 1

27、）抗反射膜 垂直入射光菲涅爾反射系數2122）異質結LED+-有源層限制層限制層有源層摻雜濃度與效率p型限制層摻雜濃度與效率n型限制層摻雜濃度與效率P型1017n型1017降低吸收；減小臨界角角101710181016 1017 2133）封裝外形與效率2147、光纖通信LED 8、側光高強度LED 2159、白光LED 1）多基色 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 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。電致發光光致發光21610、發光二極管主要材料紅-GaP:Zn-O; GaAs0.6P0.4; Ga0.7Al0.3A

28、s -6500 7600 橙-GaAs0.35P0.65; In0.3Ga0.7P - 5900 6500 黃-GaP:N:N; GaAs0.15P0.85 - 5900 6500 綠- GaP:N ；GaInP- 5700 5900 蘭-GaN ;GaInP- 4300 4600 易獲電子易獲空穴可見光：4000 7600 ；Eg2172181、GaAs1-xPx（ GaAs+ GaP）-紅、橙、黃、綠，亮度較低 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。 電子波函數在空間高度局域化，基于測不準原理，波函數動量 在k

29、空間可有較大的范圍，動量的變化量被等電子雜質吸收。 Eg：0 0.5 1.01.53.02.02.5xxxX0.45：帶隙轉化0 0.5 1.00.0011.00.010.1x未摻N摻N歸一化效率2192、(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有源區材料，長波長小較低， 0.45轉換為間接帶隙；與GaAs晶格匹配220221影響內外發光效率因素；增強發光效率的主要技術措施。222Ch6 半導體激光器-Semiconductor Lasers-223一、 半導體激光器物理光諧振光子限定受激輻射受激吸收1.光子與電子的相互作用

30、ECEVh受激吸收ECEVhhh受激發射ECEVh自發發射2242.基本結構-正偏pn結hpn有源區-諧振腔 光子限定區3.基本本特性 相干光束方向、頻率、相位差相同2254.產生激光條件a.受激輻射+自發輻射 受激吸收 受激輻射+自發輻射受激輻射 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226a.受激輻射 受激吸收 pn結處非平衡狀態 用準費米能級227228粒子數反轉條件229物理意義：受激發射大于受激吸收：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，

31、但不能使其形成負阻效應粒子數翻轉-又稱電子限定輻射復合區域ECECEVEVEFECEVECEVEFnEFp230b.光子限定hpn有源區-復合發光區npp 型區折射率；n1 有源區折射率；nn n型區折射率。根據斯捏耳(Snell Law):c1 = arc sin(np/n1)c2 = arc sin(nn/n1)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 231xzy0-d/2+d/2# 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232xzy0-d/2+d/2233234# 對稱三層介質波導中光的限定因子-235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md m限定因子與折