半导体光电子器件结构和基本原理

1、1半导体光电子器件结构和基本原理2 “Complete Guide to Semiconductor Device” 指出： 半导体器件有67种，110余变种。 概 述3构结本基基本结构漂移-扩散电子器件半导体器件基本类型pn结MISM-S异质结组合光电子器件电子-光子互作用物理过程理论基础理论基础4课程主要内容CH1 半导体光电子器件物理基础CH2 半导体太阳电池（Solar Cells）CH3 半导体光电探测器（Photodetectors） CH4 半导体电荷耦合器件（CCD）CH5 半导体发光二极管（LED）CH6 半导体激光器（LD）5层 次基本结构与原理 主要概念与性能理论基础与机

2、理 性能提升与措施重点理解与掌握基本物理概念 基本物理过程 基本物理图像6Ch1 半导体光电子器件物理基础一、 pn结二、 MIS结构三、 金属与半导体接触四、 异质结与量子阱五、 半导体光吸收与光辐射六、 平板介质光波导基本理论 基本物理属性 基本电学特性71-1 pn结（同质）一、基本物理属性 1、基本类型 2、空间电荷区与自建电场 3、能带结构（平衡与非平衡） 4、载流子分布（平衡与非平衡）二、基本电学特性 1、载流子输运过程 2、I-V特性 3、势垒电容与扩散电容 4、击穿机制及机理8空间电荷区形成物理过程及属性9能带结构及载流子分布?10P区n区pp0pn0nn0np0pn0exp(

3、qVF/kT)np0exp(qVF/kT)P区n区pp0pn0nn0np0pn0exp(qVR/kT)np0exp(qVR/kT)正 偏：反 偏：11费米能级12载流子输运过程13I-V特性LnLp?WPWn14势垒电容物理机制P区n区P区n区空穴补偿电子补偿空穴释放电子释放偏压上升： 变窄偏压下降： 变宽15扩散电容物理机制P区n区pn161-2 MIS结构一、MIS结构物理基础 1、半导体表面状态与能带结构 2、半导体表面势与表面电荷 3、氧化层电荷与界面态作用 4、强反型与阈值电压 5、深耗尽状态及机理二、MISFET电学特性 1、MISFET基本原理与结构 2、MISFET基本类型与特

4、性17MIS基本结构及属性VGn-Si or p-SimetalinsulatorVoxVSSurface Space Charge Region18(WmWs)/q(EiEF)/q可略表面状态与能带结构表面势与表面电荷?强反型与阈值电压?VG =VT=VFB (Q反+Q耗尽 )/ Cox +2F = VFBQ耗尽/ Cox +2F VFB = ms QSiO2 / Cox 19深耗尽状态及机制VGVGVGdVG/dt ppp20VGVTp-SiMOSFET结构、原理及类型n+n+结构及类型?211-3 金属与半导体接触一、金-半接触物理基础 1、金-半接触类型与能带结构 2、势垒形成与界面态

5、 3、空间电荷区与电势二、肖特基结基本电学特性 1、基本电学特性 2、载流子输运过程及机制22势垒接触23非势垒接触24非势垒接触（欧姆接触？）25表面态影响与欧姆接触EFm261-4 异质结与量子阱一、异质结物理基础 1、基本类型与能带结构 2、空间电荷区与电势二、异质结基本电学特性 1、载流子输运过程 2、基本电学特性与特征三、量子阱与超晶格 1、量子阱 2、超晶格 3、量子点与量子线四、二维电子气（2DEG）与二维空穴气（2DHG）27一、异质结物理基础 异质结： 两种禁带宽度不同的半导体材料组成的结。 1、基本类型与能带结构 类型： 异型异质结-两种材料导电类型不同； 同型异质结-两种

6、材料导电类型相同。 主要应用： 微电子器件-提高增益、频率特性、线性 度，减小噪声、功耗等。 光电子器件-提高器件光电转换效率等。 主要结构材料： GaAs基材料，如，AlxGa1-xAs/GaAs、 InxGa1-xAs/GaAs；Si基：Si1-xGex/Si，- 28 2、能带结构特 征：导带、价带分别存在带隙差EC和EV特点： 高、低势垒ECEVEcor缓变异性异质结293、空间电荷区与电势 1）空间电荷区形成过程 2）电场及其分布 掺杂浓度：和； 介电常数p S和n Sxp x 0： 0 x xn：特征： 场线性分布； 电场在界面处不连续； 电位移失量连续。 303）接触电位差-D

7、空间电荷区p区侧-P n区侧-n正、负空间电荷区电势差与掺杂浓度关系 VDp/VDn = n s ND/p s NA !314） 空间电荷区宽度 联解上述方程 非平衡异质pn结-上式用（）替换。 -表示正偏；-表示反偏。 p区侧：n区侧：325） 势垒电容 空间电荷区正的或负的电荷量 : 单位面积势垒电容 与掺杂浓度、偏置电压的关系与同质结相同33二、异质结基本电学特性(n区宽带p区窄带为例) 1、载流子输运过程（载流子势垒）图a)和(c)所示异质结： 电子从n区导带渡越到p区 导带跨越的势垒高度为 ： （qVD-EC） 空穴从p区价带渡越到n区 价带跨越的势垒高度为： （qVD+Ev）图(b

8、)所示异质结： 电子从n区导带到p区导带跨越势垒高度为：qVDn 空穴从p区到n区跨越势垒高度仍为（qVDE） 特征: 电子和空穴渡越的势垒高度不同 VDn低势垒异质结高势垒异质结缓变异质结342、基本电学特性与特征 1）基本电学特性 低势垒异质结和缓变异质结: 形式与同质pn结相同，但少子密度项表示有差别35 高势垒异质结： 36 2）电子流与空穴流特征-注入比同质结电子流与空穴流注入比 异质结电子流与空穴流注入比 若Eg = 250mv，注入比可以比同质结高104倍以上37要 点能带结构及特征； 载流子渡越势垒特征； I-V方程形式； 电流注入比。38IVB#异质结基本应用A1. 限制BJ

9、T频率特性因素存在极限？39 A2.解决途径HBT(异质结双极晶体管)qVpqVnEmitterBaseCollectorSi BJTqVn=qVpqVpqVnEmitterBaseCollectorSiGe HBTqVn qVp40势垒# 三、量子阱与超晶格 1、量子阱 二个异质结组成，其中间层导带底最低、价带顶 最高；或仅导带底最低；或仅价带顶最高。 2、超晶格 量子阱（或不同导电类型材料）组成的一维周期性结 构，其势垒宽度小于电子的德布罗意波长。L小于德布罗意波长( 50nm）LEg1Eg2ECEVpnn异质结超晶格掺杂超晶格4142 3、量子线与量子点 量子线： 二个方向物理尺寸小于德

10、布罗意波长 量子点： 三个方向物理尺寸小于德布罗意波长43 1、量子阱载流子能量量子化 量子阱近似0LV0 1）单量子阱中电子状态-遵循薛定谔方程xxyz44二维电子气（2DEG）二维空穴气（2DEG）0LV0 xxyz45EhhELh0L46EhhELh47 2）单量子阱中电子状态密度(E)482、超晶格 1） 多量子阱 单量子阱周期性组成，势垒宽度大于德布罗意波长。 量子阱内电子状态与单量子阱相同。EhhELh49 2）超晶格 势垒宽度小于德布罗意波长的多量子阱。 特点：电子在阱间共优化运动； 量子化能级展宽成微带； 量子阱xy面内电子能量仍连续。EhhELh50 3、量子线与量子点 量子

11、线： 二个方向物理尺寸小于德布罗意波长 量子点： 三个方向物理尺寸小于德布罗意波长3D2D1D0D51# 超晶格能级状态 -载流子受晶格周期性势场和可控的超晶格周期性势场作用。那么载流子的波函数也可人为控制。薛定谔方程边界条件V(z)=0 0 z Eg 转变为热能 6、表面反射 (1.41.6eV)？1017、寄生电阻影响(非理想I-V方程)寄生电阻影响大RS=0RSh= RS=0RSh=100 RS=5RSh= RS=5RSh=100 RSRshVRS=5降30%102八、太阳电池设计考虑 几何结构参数(尺寸)、表面反射、复合主要考虑因素。 掺杂分布与结深一般决定开路电压和光生电流。 pn结

12、厚度（吸收系数决定）： Si吸收系数小（=10-210-3/m）,典型300400。 直接带隙半导体，典型1。 层厚度： 底层厚度：Ln1；Si Ln300 m。 顶层厚度：高能光子主要在表面吸收，xj-0.30.5 ； 紫光电池， xj-0.10.2 。 掺杂浓度： 表层：基于寄生电阻， ND尽量高，典型51019/cm3。 低层： NA高，反向饱和电流低，开路电压高； 迁移率和寿命低，短路电流小； 典型1016/cm3。103103九、常规pn结太阳电池不足太阳电池关键参数效率 光生载流子在表面与衬底复合； 扩散至扩散长度外复合。 低的表面区掺杂接触电阻高。 表面反射降低光吸收。Si表面反

13、射系数 30%。 调节pn结厚度，使表面反射光与衬底反射光相位差/4，反射消 失。此时最小反射系数 高能粒子在半导体表面产生缺陷，降低载流子寿命。(p)(n)104十、其它结构太阳电池1.异质结结构 光子窄带区吸收； 宽带表面高掺杂； 抗辐射能力强。2.背面高掺杂结构 控制扩散长度外载流子复合。3.绒面结构 增加吸收。 4.“阳光”结构5.肖特基结构结构7. 结联结构8.量子阱结构9.集光 - - - - - -pnnpEg1Eg2Eg1Eg2105十一、高效太阳电池结构 1、异质结电池2、级联电池三级： 32%四级： 40%光生载流子复合产生的荧光在pn结再产生电子-空穴对1063、量子阱电

14、池 pin结构，i层中有量子阱（阱宽615nm，势垒5nm）4、聚光电池 聚集太阳光，提高光强。i增加光谱吸收范围提高量子效率615nm5nmI-V fig13.29,30输出电压（V）输出电压（V）107十二、其它材料太阳电池多晶体；非晶体；有机薄膜； - - - - - -。十三、其它 转换效率：Si-1418%(24%); GaAs-1821%; GaInP/GaAs/Ge-2629%(三结) 电流容限：并联 电压容限：串联 效率关键：光子吸收效率； 光生载流子输运效率。108太阳电池原理、开路电压、短路电流物理机制；开路、短路、负载等效电路；光生载流子有贡献区域；光电流常数（结构与光强

15、一定）；光谱吸收特性；光吸收系数与np结和pn结；寄生电阻影响。109Ch3 半导体光电探测器Photodetectors一、光电探测器物理基础二、光电探测器性能参数三、光电导体四、光电二极管五、pin光电二极管六、雪崩光电二极管七、光电晶体管八、色敏光电二极管110一、光电探测器物理基础-光生载流子 1、光子效应 光子与电子直接相互作用 电子受激跃迁至高能级 hE 本征跃迁， hEg ； 杂质电离； hE D，or，hEA 2、光热效应 吸收光子能量转换成晶格振动能量 温度升高激发载流子跃迁 h Eg hE 111 3、光电探测器工作的主要物理过程 1）吸收光子能量，产生光生载流子； （通常

16、为电子-空穴对） 2）载流子定向输运； （产生增益或无增益） 3）在器件端点或外电路形成与光对应信息。 4、光电探测器类型 电导型（光致电导）； pn结型； 量子阱、超晶格型。112二、光电探测器主要性能参数 1、量子效率-（关键参数） Ip：光电流；P-入射光功率；hv-光子能量 P：如为入射探测器表面的光功率-外量子效率 P：如为探测器吸收的光功率-内量子效率 理想情况下内量子效率：113 2、响应度-R 3、灵敏度-S 4、光谱响应率-单色 Vp-输出光电压Ip-输出光电流# P-某光谱范围内光功率1145、响应时间（响应速度）ptItI00.37I00.63I01156、探测器噪声参数

17、1）噪声表述 类型：固有噪声，自然噪声 特点：随机，不可预测； 统计平均值为0。 表征：均方值（方均值）表述。 总噪声： 噪声特性： 与频率相关, or 与频率无关-白噪声。tt1162）噪声源 热噪声-载流子无规则热运动（白噪声） 散粒噪声-载流子输运(含渡越势垒区)随机起伏（白噪声） 产生-复合噪声：载流子产生-复合随机起伏 1/f 噪声-低频（ If)P+P-nP+P-nWinn-P+WiP+nQ0常规9156（B）pin光电二极管基本原理 对光电流贡献区域： 中性区 扩散区 本征区n+-Si-+pppnP (1-R)exp(-x)W 通过调制本征区宽度： 提高量子效率； 提高频率响应特

18、性。1571.光生电流1) 势垒区量子效率pin0W1582) 扩散区pnXW加！159# 中性区pnXH0因pin结构希望光生电流在本征区，所以讨论效率略该区1603) 量子效率？可略加！即希望光生载流子在本征区161（C） 频率响应 -载流子渡越势垒区延迟 （交流状态，渡越势垒区有传导电流与位移电流）npx0162163？提高和f 希望光子在本征区吸收p反射层n-+？不足：p/n区吸收164P型窄带反射层N型窄带-+折射率半绝缘InPp+-InPp+-InGaAsPi-InGaAsn+-InGaAsP优点： 1、效率高； 2、响应快折射率# 利用异质结改善性能？ 结构考虑165（D） 噪声

19、166pin结构优点；pin光电二极管工作物理机制；效率与频率响应措施。167同质pn结光电二极管异质pn结光电二极管金-半结光电二极管pin结光电二极管缺点：光生载流子不能放大雪崩光电二极管；双极型光电晶体管；单极型光电晶体管。解决方案？1681.基本结构示意图(六) 雪崩光电二极管(APD)p+-pn+n+-npp+金-半结p+nn+p+-p-n+nnp+-+pn+nn+n+pE+nP+EE1692.基本工作原理 a. 器件偏置于临界雪崩状态； b. 光生载流子渡越空间电荷区雪崩倍增。 输出载流子获得增益。 优势：有增益； 噪声低1703.雪崩增益-Mph雪崩倍增输出光电流与雪崩倍增前光电

20、流比一般取100左右VRR雪崩击穿电压M=C?MC M nn p1743）最大信噪比175 (七) 光电晶体管n+pn1、双极型光电晶体管异质结晶体管？增益近似为1210-11176IVB#异质结基本应用A1. 限制BJT频率特性因素？0:fmax:fT:177 A2.解决途径HBT(异质结双极晶体管)qVpqVnEmitterBaseCollectorSi BJTqVn=qVpqVpqVnEmitterBaseCollectorSiGe HBTqVn 2|F|； 耗尽层宽度大: xd xdm ； 存在热弛豫时间： 频率周期小于弛豫时间，反型电荷来不及积累； 反型后表面势降低。xd1892.信

21、号检测电输入光输入hEg n+p1VinVG0V10p1VG0V10SDSDS (n+)完成储存深耗尽反型输入栅表面反型状态1903.信号电荷转移t12310V? 2V?表面反型状态12191三、线阵信号电荷读出2.线阵信号电荷转移与储存1.线阵信号电荷检测1 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 3hv-信号区转移区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储存区1923.线阵信号电荷输出-电流输出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储存区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获取信号区321321321321四、面阵信号转移、储存、读出-CCD摄像器件第一行向外传的同时，读取下一帧194 五、CCD 器件主要性能参数 1.电荷转移损失率(t) t时刻转移结束仍留在电极下的电荷Q(t)与原在该电极下电荷Q(0)之比 那么转移效率 初始为Q(0)的电荷，经过n次转移后，所剩电荷

23、若=99%，n=192,那么Q(n)=14Q0%MIS界面复合；漏电；频率高电荷损失机理？胖零-表面始终耗尽状态措施？1952.工作频率f 频率若少子转移时间为t，寿命为，对三相有（ T-周期） t tth频率上限频率再低时，载流子传输不到下一势阱则被复合。频率再高时，载流子传输跟不上驱动信号，输运不到下一阱。t Egab# 直接带隙复合: h Eg 间接带隙复合: h Eg+ n (1)带间复合 (2)杂质与带间复合fjdec.导带受主d.施主价带e.施主受主(3)深能级杂质复合 ch俄歇复合202 (4)激子复合 激子-电子和空穴束缚形成的可在晶体中移动的中性粒子。激子中电子和空穴复合-激

24、子复合。(5)等电子复合: 同价原子取代主原子-称为等电子。但原子序数不同，内层电子结构不同，电负性不同。原子序数小的，电子亲和力大，易俘获电子成为负电中心。原子序数大的，易俘获空穴成为正电中心。该中心称为等电子中心。 等电子中心再俘获相反类型载流子形成束缚激子。之后复合发光-称等电子复合。(6)等分子复合: 一种分子取代主分子-称为等分子。若其电子亲和力大，易俘获电子成为负电中心。反之，易俘获空穴成为正电中心。然后再俘获相反类型载流子复合-称等分子复合。 2032. 非辐射复合（1）多声子跃迁 电子和空穴复合所放出的能量产生声子，这一过程叫 做子跃迁。声子跃迁的结果，使电子放出的能量转变为

25、晶格振动能。（2）俄歇复合 电子和空穴复合时，把多余的能量传给第三个载流子。 获得能量的载流子又会产生多声子过程。这种复合称为俄 歇复合。 另外还存在许多其它的非辐射复合过程。 # 色散: 由于热能,电子能量略高于EC，空穴能量略低于EV， 所以，发射光子能量204二、半导体发光二极管1.基本结构2.基本工作原理少子扩散长度pnn+衬底正偏；非平衡少子辐射复合；能量-动量守恒。205a.本征型 直接带隙 动量守恒-效率高； 能量守恒 间接带隙 动量不等-效率低。 直接跃迁间接跃迁直接跃迁206Zn-OZnN施主-受主（几个晶格距离）：激子： 等电子中心-等分子中心- b.非本征型2073.发光

26、效率 内效率：外量子效率：2084.截至频率2094、影响发光效率因素1）LED材料吸收2）菲涅耳（fresnel）损耗 光子从一种介质入射另一种介质，因折射率不同而 部分光子被反射回，称菲涅耳损耗。3）斯涅耳（snell）损耗 光子从折射率大的介质向折射率小的介质入射时， 若入射角大于其临界角C ，则，入射光从界面全 反射回原介质。4）表面反射2103）菲涅耳（fresnel）损耗 GaAs: C= 16；GaP: C= 171）LED材料吸收 h Eg（衬底、表面）-吸收。 GaAs吸收85%，GaP吸收25%2）斯涅耳（snell）损耗pn衬底pn衬底C2115、考虑效率的LED结构 1

27、）抗反射膜 垂直入射光菲涅尔反射系数2122）异质结LED+-有源层限制层限制层有源层掺杂浓度与效率p型限制层掺杂浓度与效率n型限制层掺杂浓度与效率P型1017n型1017降低吸收；减小临界角角101710181016 1017 2133）封装外形与效率2147、光纤通信LED 8、侧光高强度LED 2159、白光LED 1）多基色 2）单色LED覆盖色彩转换材料 如荧光材料、有机染料、半导体材料等，吸收原色后发 出宽谱。 3）蓝光LED覆盖黄色磷，蓝光与磷产生的黄光合成白光。电致发光光致发光21610、发光二极管主要材料红-GaP:Zn-O; GaAs0.6P0.4; Ga0.7Al0.3A

28、s -6500 7600 橙-GaAs0.35P0.65; In0.3Ga0.7P - 5900 6500 黄-GaP:N:N; GaAs0.15P0.85 - 5900 6500 绿- GaP:N ；GaInP- 5700 5900 兰-GaN ;GaInP- 4300 4600 易获电子易获空穴可见光：4000 7600 ；Eg2172181、GaAs1-xPx（ GaAs+ GaP）-红、橙、黄、绿，亮度较低 转化为间接带隙，效率降低 措施：GaAs1-x（Px）1-y：Ny引入等电子中心 机理：等电子中心复合能级接近导带底。 电子波函数在空间高度局域化，基于测不准原理，波函数动量 在k

29、空间可有较大的范围，动量的变化量被等电子杂质吸收。 Eg：0 0.5 1.01.53.02.02.5xxxX0.45：带隙转化0 0.5 1.00.0011.00.010.1x未掺N掺N归一化效率2192、(AlxGa1-x)yIn1-yP -红、橙、黄，高亮度 x 0. 53转换为间接带隙； 常用作双异质结LED有源区材料，长波长小较低， 0.45转换为间接带隙；与GaAs晶格匹配220221影响内外发光效率因素；增强发光效率的主要技术措施。222Ch6 半导体激光器-Semiconductor Lasers-223一、 半导体激光器物理光谐振光子限定受激辐射受激吸收1.光子与电子的相互作用

30、ECEVh受激吸收ECEVhhh受激发射ECEVh自发发射2242.基本结构-正偏pn结hpn有源区-谐振腔 光子限定区3.基本本特性 相干光束方向、频率、相位差相同2254.产生激光条件a.受激辐射+自发辐射 受激吸收 受激辐射+自发辐射受激辐射 受激吸收 （粒子数反转）b.光子限定； 光子限定于确定区域。c.光谐振 -产生谐振：使增益大于损耗； 形成单色光。 光谐振光子限定受激辐射受激吸收226a.受激辐射 受激吸收 pn结处非平衡状态 用准费米能级227228粒子数反转条件229物理意义：受激发射大于受激吸收：导带底电子占据几率 价带顶电子占据几率。EFn EFp h Eg：简并半导体，

31、但不能使其形成负阻效应粒子数翻转-又称电子限定辐射复合区域ECECEVEVEFECEVECEVEFnEFp230b.光子限定hpn有源区-复合发光区npp 型区折射率；n1 有源区折射率；nn n型区折射率。根据斯捏耳(Snell Law):c1 = arc sin(np/n1)c2 = arc sin(nn/n1)有：n1np; n1nn光波导-又称光子限定，折射率差是产生光波导效应基础。光子被反射c2 c1 231xzy0-d/2+d/2# 光波导理论-光在平板介质波导中的传输特性 (对称三层介质波导)传播方向：Z考虑y方向偏振的TE波： Ez=0 波导宽度(y)厚度(x)， 根据Maxwell方程，只有Ey存在，其波动方程满足232xzy0-d/2+d/2233234# 对称三层介质波导中光的限定因子-235结构：AlxGa1-xAs/ Ga As/ AlxGa1-xAsEg(x)=1.42+1.247x (eV)n(x)=3.590-0.710 x+0.091x2电场平方与波导内位置关系基波md m限定因子与折