半导体器件原理 第七章

半导体器件原理

PrinciplesofSemiconductorDevices刘宪云逸夫理科楼229室半导体器件原理第七章光器件OpticalDevices半导体光电器件

前面讨论了用于放大或者转换电信号的晶体管的基本物理结构。半导体同样可以设计和生产出探测和产生光信号的器件。光电二极管：把光子能量转换为电能，目的是探测或获取光信息。太阳能电池：把光子能量转换为电能，目的是产生电能。发光二极管（LED）：光子发射是由于电子从导带向价带的自发跃迁，导致很宽的光谱输出带宽。激光二极管：改进的LED，带宽很窄且光子输出连续把电能转换为光能第七章：光器件7.1光学吸收7.2太阳能电池7.3光电探测器7.4光致发光和电致发光7.5发光二极管7.6激光二极管*

光具有波粒二象性，表明光波能被看成粒子，即光子。光子的波长和能量具有如下关系：能量动量频率波长7.1光学吸收几种可能的光电半导体的作用机理：光子和晶格作用，将能量转换为焦耳热；光子与杂质、施主或者受主作用；与半导体内部缺陷作用；最容易与价电子作用，释放出的能量足够将电子激发到导带。这样就产生了电子-空穴对，形成过剩载流子浓度。7.1.1光子吸收系数当一定波长的光照射半导体时，若>Eg则价带电子吸收光子跃迁到导带。这种电子由带与带之间的跃迁所形成的吸收过程，称为本征吸收。本征吸收发生的条件：即：光子的频率下限当才能发生本征吸收光子的波长上限当才能发生本征吸收7.1半导体的光吸收7.1.1

光子吸收系数若E=hυ>Eg，光子能和价电子作用，把电子激发到导带。光流强度Iυ(x)推导(α是吸收系数）不同长度的光吸收α称为吸收系数，单位cm-1光流强度随深入半导体材料的距离指数衰减。吸收系数大，光的吸收实际上集中在很薄的表面层内。两种不同吸收系数的光强度与距离关系半导体的吸收系数是光能和禁带宽度的函数。几种不同波长的半导体材料的吸收系数与波长的关系。若hυ>Eg，或λ<1.24/Eg，则吸收系数上升很快。若hυ<Eg，则吸收系数很小。不同半导体材料的吸收限：光波长范围（大气窗口）：7.1.1

光子吸收系数SiEg=1.12eVλ0=1.1μmGeEg=0.66eVλ0=1.88μmGaAsEg=1.43eVλ0=0.867μmCdSEg=2.42eVλ0=0.513μm从紫外区到红外区的电磁波谱图7.1.1

光子吸收系数假设半导体被一光子能量hυ大于禁带宽度的光源均匀照射。光谱与波长和禁带宽度之间的关系7.1半导体的光吸收硅和砷化镓可以完全吸收可见光1、单位体积吸收的能量：2、电子-空穴对的产生率：3、过剩载流子浓度：单位体积7.1.2电子-空穴对的产生率光能大于Eg时，光子能够被半导体吸收，从而产生电子-空穴对第七章：光器件7.1光学吸收7.2太阳能电池7.3光电探测器7.4光致发光和电致发光7.5发光二极管7.6激光二极管*

7.2太阳能电池

pn结太阳能电池即使施加0偏压，在空间电荷区也存在电场。入射光照射能够在空间电荷区产生电子-空穴对，它们将被扫到结两边，形成相反方向的光电流IL。带有负载的pn结太阳能电池太阳能电池是一种在pn结处没有施加电压的半导体器件P-N结的光生伏特效应

P-N结光生伏特效应就是半导体吸收光能后在P-N结上产生光生电动势的效应。光生伏特效应涉及到以下三个主要的物理过程：半导体材料吸收光能产生出非平衡的电子—空穴对；非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区的扩散和漂移运动；非平衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运动而分离。这种非均匀势场可以是结的空间电荷区，也可以是金属—半导体的肖特基势垒或异质结势垒等。a无光照平衡PN结b光照PN结开路状态c光照PN结短路状态d光照PN结有串联电阻光生电流的方向相当于普通二级管反向电流方向。光照使PN结势垒降低，等效于PN结外加正向偏压，同样能引起P区空穴和N区电子向对方的扩散，形成正向注入电流。此电流与光生电流相反，对电池不利，应使之减小。PN结为例，分析光电转换的物理过程

理想硅太阳能电池的转换效率：实际硅太阳能电池的转换效率：转换效率影响因素：串联电阻、表面反射改进方法：聚光（增大短路电流）砷化镓太阳能电池：注意：串联电阻与光透过率是矛盾的表面减反和纳米结构可以增强光吸收大的光学透镜可用来将太阳光集中到太阳能电池上，使光照强度提高几百倍。短路电流随光照强度线性增加，开路电压仅随光强呈对数增大。串联电阻与复合电流—影响电池效率的因素串联电阻与结的深度，掺杂浓度，欧姆接触等有关。具有串联电阻的太阳电池的电流电压特性与等效电路提高太阳电池的转换效率的因素：最大功率考虑：选用合适Eg的半导体材料；光谱考虑；串联电阻与分流电阻的考虑：采用栅格接触形式，这种结构能够有大的曝光面积，而同时又使串联电阻保持合理的数值；表面反射考虑：采用抗反射层；聚光考虑：聚光是用聚光器面积代替许多太阳能电池的面积，从而降低太阳能电池造价，它的另一个优点是增加效率。异质结太阳能电池优点：双能隙，光谱范围宽，转换效率高异质结由两种不同禁带宽度的半导体形成热平衡时pn异质结能带图7.2.4

非晶硅太阳能电池材料：非晶态薄膜，大面积化学气相沉积。氢化：减少悬挂键，提高载流子迁移率。迁移率隙宽带隙状态导带价带状态密度N(E)氢化非晶硅单晶硅太阳能电池很昂贵，且直径限制在6英才左右。一般太阳能电池供电系统需要一个大面积的电池组。非晶硅状态密度与能量关系铟锡氧化层玻璃非晶硅具有很高的光学吸收系数，大多数太阳光能在表面1微米处被吸收。因此，太阳能电池只需要非常薄的一层非晶硅。典型非晶硅太阳电池是一个pin器件。非晶硅被沉积到一个光学透明的铟锡氧化层玻璃衬底上热平衡时的能带图在光照射下，非晶硅PIN太阳能电池的能带图在本征区产生的过剩载流子在电场作用下形成光电流第七章：光器件7.1光学吸收7.2太阳能电池7.3光电探测器7.4光致发光和电致发光7.5发光二极管7.6激光二极管*

光电探测器可以探测光子的存在；把光学信号转换成电信号的半导体器件；当过剩电子和空穴在半导体中产生时，材料的导电率就会增加；导电率的变化是光电探测器的基础。7.3

光电探测器平衡电导率：面积A非平衡电导率（半导体内产生

过剩载流子）：光电导率（电导率的变化量）：

光电电流：7.3.1光电导体两端具有欧姆接触的半导体材料产生光电电流：电子漂移时间光电导增益：电荷收集速率与电荷产生速率的比值收集收集7.3.1光电导体

工作于反向偏置下的pn结或金属-半导体接触光信号打在光电二极管上时，耗尽区会将由光产生的电子-空穴对分离，有电流输出到外电路。距离耗尽层边界不超过一个扩散长度的准中性区中，产生的少子可以在足够长的时间内扩散到耗尽区。然后被结电场扫到结的另一边。7.3.2光电二极管光电二极管工作原理：光照反偏PN结，产生的光生载流子被空间电荷区电场漂移形成反向电流。光电二极管把光信号转换成了电信号。反向的光电流的大小与入射光的强度和波长有关。光电二极管用于探测光信号。光电二极管的I-V特性说明：光电流的方向是反偏方向，它比pn结二极管的反向饱和电流大几个数量级pn结光电二极管光谱响应特性和频率响应特性频率响应在几十MHz的范围内，因为扩散是相对较慢的过程。7.3.3p-i-n光电二极管光电探测器中，探测器对随时间变化的光信号的响应速度很重要，在空间耗尽层中产生的瞬时光电流才是感兴趣的光电流，为增加光电探测器的灵敏度，耗尽区的宽度应该做的比较宽。p-i-n光电二极管就是为满足这个要求而设计的。PIN光电二极管是最常用的光电二极管，其耗尽区宽度可调制，优化量子效率和频率响应。p-i-n光电二极管的截面图p-i-n光电二极管反偏状态下的能带图和光子产生过程本征区（1）顶部的p+区很薄，使光吸收最小（2）i区掺杂很小，宽度经过特殊设计，以获得所需要的特征响应。如宽度等于待测波长的吸收系数的倒数，就能在这一波长下获得最大响应（3）p+,n+区的耗尽层宽度基本可忽略，i层是全耗尽的。大部分的光生载流子是由中间耗尽区产生的载流子组成。（4）i区掺杂很低，电场可近似看作参数，电势和电势能是位置的线性函数。（5）频率响应特性：耗尽层宽度Wi,饱和漂移速度vsat=107m/s,

光生载流子渡越耗尽区的时间t=Wi/vsat

响应频率f=1/t=vsat/Wi

（a）

反偏PIN光电二极管（b）

非均匀光子吸收的几何形状

p-i-n光电二极管比普通pn结光电二极管的瞬时光电流大很多，并具有优良的频率响应特性,在光纤通讯领域中采用最多。半导体材料的响应截止波长G=1.24/EG，不同的材料可做不同波段的光电二极管。Si的禁带宽度1.12eV,响应截止波长1.1m；Ⅲ-Ⅴ族化合物常用来做光电二极管。

Ⅲ-Ⅴ族化合物的能带宽度和晶格常数关系图InGaAsp-i-n光电二极管截面图1.3或1.5m的光电二极管InP(G=0.95m)窗口，1.3或1.5m的光很容易通过窗口透射到i层，缓冲层是使晶格匹配，减少i层中的缺陷。7.3.4雪崩光电二极管与pn结或pin光电二极管相似，只是它所加的反偏电压必须大到能引起碰撞电离。在耗尽区光生电子-空穴现在可以通过碰撞电离产生电子-空穴对，雪崩光电二极管的电流增益与雪崩倍增因子有关。显著的优点:在光信号的放大中使信噪比得到了改善。电场特点：反偏电压足够高，电子空穴可以产生雪崩倍增；电流增益大，响应频率快。7.3.4雪崩光电二极管7.3.5光电晶体管双极晶体管也可以用作光电探测器。特点：光电流得到放大；响应频率降低（B-C结电容的弥勒效应）；非雪崩放大，噪声低。双极光电晶体管基极开路光电晶体管结构图

电荷耦合器件

MOS型半导体器件，核心是MOS电容，密排MOS二极管有序阵列，加上输入与输出部分就构成了CCD的基本结构。电荷耦合器件可用做图像传感器,也可用做移位寄存器.栅极上施加适当的时钟脉冲电压，半导体表面耗尽，形成能存储少子的势阱，用光或电方法把代表信号的少子注入势阱中，再通过时钟脉冲的有规律变化，使势阱深度发生相应的变化，从而使注入势阱中的少子在半导体表面内定向运动，通过对少子的收集得到信号的输出。CCD存储和转移电荷都是在非稳定状态下进行。CCD沟道内的载流子仅由信号大小决定，与时钟脉冲无关，时钟脉冲只起存储和转移电荷作用。通常有表面沟道CCD（SCCD)和隐埋沟道CCD(BCCD)。表面沟道CCD：沟道在紧靠绝缘层的半导体表面表面沟道CCD中，在适当的时钟电压脉冲作用下，少数载流子电荷包沿半导体表面运动。埋沟CCD对于SCCD，由于电荷包沿边导体表面传输，主要的限制是表面陷阱效应导致的电荷损失。埋沟CCD：电荷包不在半导体表面流过，而是被约束在紧贴半导体表面的沟道内，具有消除界面陷阱效应的潜力。与衬底相反类型的窄N型半导体层，在栅极加正电压时，窄n型层全部耗尽，成为沟道。迁移率高，界面陷阱导致的电荷损失少。第七章：光器件7.1光学吸收7.2太阳能电池7.3光电探测器7.4光致发光和电致发光7.5发光二极管7.6激光二极管*

光子吸收产生电子-空穴对时，复合过程产生的光子发射称为光致发光；电致发光是由于电流激发过剩载流子，从而发射光子的过程。电子和空穴的产生与复合7.4光致发光和电致发光7.4.1基本跃迁产生电子-空穴对有很多可能的复合过程。（a）直接复合（b）R-G中心复合（d）直接产生（e）R-G中心产生在复合过程中电子多余的能量可以以发射光子的形式释放出来，这种复合称为辐射复合，它是光吸收的逆过程。在复合过程中电子的多余能量也可以以其它形式释放出来，而不发射光子，这种复合称为非辐射复合。光电器件利用的是辐射复合过程，非辐射复合过程则是不利的。了解半导体中辐射复合过程和非辐射复合过程是了解光电器件的工作机制和进行器件设计的基础。辐射复合和非辐射复合辐射复合带间辐射复合

带间辐射复合是导带中的电子直接跃迁到价带与价带中的空穴复合。发射的光子的能量接近等于半导体材料的禁带宽度。由于半导体材料能带结构的不同，带间辐射复合又可以分为直接辐射复合和间接辐射复合两种:导带价带导带价带带间复合：（a）直接能隙复合（b）间接能隙复合非辐射复合

多声子过程多声子跃迁

0125102050100200300400500600光子能量（meV）(b)间接复合导带电子跃迁到未电离的受主能级;施主能级上的电子跃迁到价带；施主能级上的电子跃迁到受主能级；深能级中的复合(a)直接复合禁带宽度非常小的材料本征发射;(iii)具有能量的电子和空穴。(c)俄歇复合-非辐射复合电子-空穴复合时伴随着将能量传给其他自由空穴;电子-空穴复合时伴随着将能量传给其他自由电子。III-V化合物半导体是制作发光器件的主要材料。可以通过控制三元和四元化合物中不同组分的比例来调节禁带宽度和晶格常数。可见光：波长0.4-0.72m,带隙1.7-3.1eV.GaAs是直接带隙半导体，AlAs是间接带隙半导体，AlxGa1-xAs的禁带宽度随x的变化而变化。Eg=1.424+1.247x从直接带隙变间接带隙7.4.2发光效率辐射复合只是所有复合中的一部分：量子效率是辐射复合率与总复合率的比值：辐射复合对应直接带隙复合，Rr是带与带间的辐射符合率，B是比例常数：第七章：光器件7.1光学吸收7.2太阳能电池7.3光电探测器7.4光致发光和电致发光7.5发光二极管7.6激光二极管*

LED的基本结构和工作过程7.5发光二极管光电探测器和太阳能电池都可以把光能转换成电能，即光子产生过剩电子和空穴，从而形成电流。也可以给pn结加电压形成电流，依次产生光子和光输出，这种反转机制称为注入电致发光。5.5.1光的产生（1）正偏二极管（2）二极管发光P区N区|||||||+Va-EcEvEFiEFpEFn发光波长：发光光强：

pn结二极管正向偏置，导致n区电子注入p区一侧的准中性区，p区的空穴注入n区一侧的准中性区，随后这些注入的过剩少子在准中性区扩散并与多数载流子复合，如果这个复合是直接的带与带间的复合，就有光子发射。二极管的扩散电流是正比于复合率的，因此发射光子的强度也将正比于理想二极管的扩散电流。

LED的基本结构和工作过程

LED的基本结构和工作过程

LED的基本结构和工作过程

器件结构Pn结正向偏置，电子从n侧注入，与从p侧注入的空穴复合。双异质结中更高的载流子浓度和载流子限定，辐射效率显著提高。LED的特性参数V-I特性发光二极管的电流—电压特性和普通二极管大体一致。发光二极管的开启电压很低,GaAs是1.0伏,GaP（红光）大约1.8伏，GaP（绿光）大约2.0伏。工作电流约为10mA。工作电压和工作电流低，使得可以把它们做的很小，以至于看作点光源，这使得LED极适宜用于光显示。量子效率量子效率是发光二极管特性中一个与辐射量有关的重要参数。它反映了注入载流子复合产生光量子的概率。外量子效率：单位时间内实际输出二极管外的光子数目与注入的载流子数目之比。内量子效率：单位时间内半导体的辐射复合产生的光子数与注入的载流子数目之比。量子效率1.注射效率：注射效率就是可以产生辐射复合的二极管电流在二极管的总电流中所占的百分比。量子效率提高注射效率的途径是：(a)P区受主浓度要小于N区施主浓度，即pn+结。(b)减小耗尽层中的复合电流。这就要求LED所用的材料和制造工艺尽可能保证晶体完整，尽量避免有害杂质的掺入。(c)选用电子迁移率比空穴迁移率大的材料。由于III-V族化合物半导体的电子迁移率比空穴迁移率大很多，例如GaAs，所以它们是制造LED的首选材料。量子效率

2.辐射效率发生辐射复合的电子数与总的注入电子数比：

量子效率三种可能的复合过程三种可能的复合过程浅施主能级浅受主能级深复合中心量子效率提高

辐射效率的方法：减少复合中心密度增加P区的掺杂浓度，较高的NA还有降低串联电阻从而减小正向电压降和欧姆损耗的作用。然而，高的掺杂浓度使得晶体缺陷增加，导致非辐射复合中心Nt

的增加。同时，P侧的高掺杂会使注射效率下降。实验证明，对于GaPLED,外部测得的峰值效率发生在NA=2.51017cm-3处。根据以上分析，内量子效率可以写作

3.逸出几率逸出几率0

也叫做出光效率，被定义为PN结辐射复合产生的光子射到晶体外部的百分数。外量子效率可以写作：

影响逸出几率的主要因素：再吸收，界面反射和临界角损耗。LED的pn结处的光子发射图光子可以向任何方向发射，且发射光子能量h>Eg,因此这些光子可以被半导体材料再吸收光子从半导体界面发射到空气中，在界面发生反射反射系数例：GaAs：n2=3.66,空气：n1=1=0.33GaAs辐射复合发出的光子有33%在界面被反射回GaAs半导体里面。光从光密媒质射向光疏媒质，入射角大于临界角时，发生全反射第七章：光器件7.1光学吸收7.2太阳能电池7.3光电探测器7.4光致发光和电致发光7.5发光二极管7.6激光二极管*

7.6激光二极管LED的光子输出归因于电子从导带到价带的跃迁放出了能量。光子发射是自发的，带与带之间的跃迁是独立的。LED发射谱的带谱较宽。激光是受激辐射，产生一致的光谱输出，其谱宽小于0.1nm。这种新型的器件就是激光二极管，激光代表“辐射的受激发射引起的光放大”。半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。光受激辐射、发出激光必须具备三个要素：1、激活介质经受激后能实现能级之间的跃迁；2、能使激活介质产生粒子数反转的泵浦装置；3、放置激活介质的谐振腔，提供光反馈并进行放大，发出激光。Figure7.317.6.1受激辐射和分布反转入射光子被吸收时，一个电子就从能量为E1的状态激发到E2；感应吸收自发辐射受激辐射若电子自发地回到低能级，并且伴随着放出光子。当一个电子在高能级状态时，入射光子和电子相互作用，使得电子回到低能级。向低能级跃迁会产生光子。光探测器和太阳电池发光二极管激光二极管电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁方式自发辐射中各电子的跃迁是随机的，所产生的光子虽然能量相同，但位相和传播方向各不相同。受激辐射所发射的光子的全部特征（能量、频率、位相、方向和偏振状态）同入射光子相同。受激吸收hυ终态E2E1初态E2E1

产生激光的必要条件一：受激辐射占主导地位hυ初态E2E1终态E2E1受激辐射当注入一定能量的光子时，能级E1和E2间光的吸收和受激辐射同时存在，且两者的跃迁概率相等。究竟哪一种占主导地位，取决于能级E1和E2上的原子分布，如果E2能态的原子数多，受激辐射将大于吸收过程，这种现象称为光量子放大。把处在激发态的原子数大于处于基态原子数的的反常情况叫分布反转。