几种重要的微电子器件

关于几种重要的微电子器件主要内容薄膜晶体管（TFT）光电器件（LED，LD）电荷耦合器件（CCD）第2页,共61页，2024年2月25日，星期天8.0薄膜晶体管薄膜晶体管(ThinFilmTransistor，TFT)

通常是指利用半导体薄膜材料制成的绝缘栅场效应晶体管非晶硅薄膜晶体管(a-SiTFT)多晶硅薄膜晶体管(poly-SiTFT)碳化硅薄膜晶体管(SiCTFT)第3页,共61页，2024年2月25日，星期天1.TFT的结构1）立体结构型（底栅结构型）2）平面结构型（顶栅结构型）第4页,共61页，2024年2月25日，星期天2.TFT的应用领域1）大面积平板显示──有源矩阵液晶显示(ActiveMatrixLiquidCrystalDisplay,缩写为AMLCD)2）电可擦除只读存储器(ROM)3）静态随机存储器(SRAM)4）线阵或面阵型图像传感器驱动电路第5页,共61页，2024年2月25日，星期天3.液晶显示器1）驱动电压和功耗低、体积小、重量轻、无X射线辐射等一系列优点2）为了降低串扰，提高扫描线数，在每个像素上配置一个开关器件，形成有源矩阵液晶显示，消除了像素间的交叉串扰第6页,共61页，2024年2月25日，星期天TFT有源矩阵的结构第7页,共61页，2024年2月25日，星期天第8页,共61页，2024年2月25日，星期天衬底：硅片、石英、玻璃为了降低成本，TFT采用廉价的衬底：玻璃玻璃的软化点低于600℃，需PECVD等低温沉积方法第9页,共61页，2024年2月25日，星期天8.1光电子器件光电子器件：光子担任主要角色的电子器件发光器件：将电能转换为光能发光二极管(LightEmittingDiode，缩写LED)半导体激光器（LaserDiode,缩写LD）太阳能电池：将光能转换为电能光电探测器：利用电子学方法检测光信号第10页,共61页，2024年2月25日，星期天8.1固体中的光吸收和光发射Eg＝1.24/λ（eV）λ：波长，单位μmEg：禁带宽度，单位eV第11页,共61页，2024年2月25日，星期天辐射跃迁和光吸收：

在固体中，光子和电子之间的相互作用有三种基本过程：吸收、自发发射、受激发射图8.1两个能级之间的三种基本跃迁过程(a)吸收(b)自发发射(c)受激发射第12页,共61页，2024年2月25日，星期天图8.2半导体中的光吸收过程本征吸收：从价带到导带。如（a）、（b）非本征吸收：如（c）本征吸收的特点是吸收系数高：105～106cm－18.1.1固体中的光吸收过程第13页,共61页，2024年2月25日，星期天8.1.2固体中的光发射过程图8.1两个能级之间的三种基本跃迁过程(a)吸收(b)自发发射(c)受激发射激发过程：（a）发射过程：（b）、（c）（b）：自发辐射（c）：受激发射自发发射的种类：

1）光致发光；

2）阴极射线发光；

3）放射线发光；

4）电致发光第14页,共61页，2024年2月25日，星期天带间跃迁：a导带底至价带顶的跃迁非本征跃迁：c、d、e；带内电子跃迁：f辐射效率（内量子效率）：

ηr＝单位时间内产生的光子数/单位时间内注入的非平衡载流子数第15页,共61页，2024年2月25日，星期天Eg＝hν

＝

1.24/λ（eV）直接带隙的发光效率比间接带隙高第16页,共61页，2024年2月25日，星期天发光器件发光二极管（LED）：靠注入载流子自发复合而引起的自发辐射；非相干光半导体激光器（LD）：在外界诱发的作用下，促使注入载流子复合而引起的受激辐射；相干光，具有单色性好、方向性强、亮度高等特点8.2半导体发光二极管第17页,共61页，2024年2月25日，星期天半导体电致发光有着悠久的历史1907年观察到电流通过硅检波器时发黄光现象1923年在碳化硅检波器中观察到类似的现象1955年观察到III-V族化合物中的辐射1961年观察到磷化镓pn结的发光60年代初期GaAs晶体制备技术的显著发展1962年制成GaAs发光二极管和GaAs半导体激光器异质结的发展对结型发光器件性能的提高也起了很大的推进作用第18页,共61页，2024年2月25日，星期天扩散电流：（1）

包括电子扩散电流和空穴扩散电流空间电荷区复合电流：（2）

通常w＜＜Ln、Lp，所以耗尽区两侧Ln、Lp长度内的扩散电流是导致二极管辐射复合的主要电流。第19页,共61页，2024年2月25日，星期天外量子效率：从半导体中实际发射出的光子数占产生的总光子数的比例。

GaAs的内量子效率可达50％，而外量子效率仅1％左右。第20页,共61页，2024年2月25日，星期天第21页,共61页，2024年2月25日，星期天InGaN蓝色LED结构图第22页,共61页，2024年2月25日，星期天超高亮度LED的制法和特性注：

1.LPE（DH）液相外延（双异质结）

2.LPMOCVD低压金属有机物化学气相沉积

3.TFMOCVD双气流金属有机物化学气相沉积第23页,共61页，2024年2月25日，星期天8.3半导体激光器半导体发射激光，即要实现受激发射，必须满足下面三个条件：通过施加偏压等方法将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带，产生足够多的电子空穴对，导致粒子数分布发生反转形成光谐振腔，使受激辐射光子增生，产生受激振荡，导致产生的激光沿谐振腔方向发射满足一定的阈值条件，使电子增益大于电子损耗，即激光器的电流密度必须大于产生受激发射的电流密度阈值第24页,共61页，2024年2月25日，星期天第25页,共61页，2024年2月25日，星期天8.4光电探测器光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件热探测器光子探测器第26页,共61页，2024年2月25日，星期天热探测器：利用探测元吸收入射光(通常是红外光)产生热量，引起温度上升，然后再借助各种物理效应把温度的变化转变成电学参量

其中最常用的是电阻温度效应（热电阻）、温差电效应（热电偶，热电堆）和热释电效应。热探测器进行光电转换的过程：探测器吸收光辐射引起温度上升利用探测器的某些温度效应把温升转换成电学参量第27页,共61页，2024年2月25日，星期天光子探测器：利用入射光子与半导体中处于束缚态的电子(或空穴)相互作用，将它们激发为自由态，引起半导体的电阻降低或者产生电动势光子探测器的三个基本过程：光子入射到半导体中并产生载流子载流子在半导体中输运并被某种电流增益机构倍增产生的电流与外电路相互作用，形成输出信号，从而完成对光子的探测第28页,共61页，2024年2月25日，星期天8.4.2光电导探测器光敏电阻：光敏电阻通常由一块状或薄膜状半导体及其两边的欧姆接触构成紫外光：硫化镉（CdS）硒化镉（CdSe）可见光：硫化铊（TIS）硫化镉（CdS）红外光：硫化铅（PbS）锑化铟（InSb）碲镉汞（HgCdTe）碲锡铅（PbSnTe）第29页,共61页，2024年2月25日，星期天8.4.3光电二极管1.PIN光电二极管

光电二极管实际上就是一个工作在反向偏置条件下的pn结，p-i-n光电二极管是最常用的光电探测器件I区：掺杂极轻的半导体，近似于本征半导体。增加耗尽区宽度，提高光电探测器的灵敏度。第30页,共61页，2024年2月25日，星期天2.雪崩光电二极管：在高的反向偏压下，借助强电场作用产生载流子倍增效应(即雪崩倍增效应)的一种高速光电器件

避免二极管击穿是设计和制备雪崩光电二极管的关键第31页,共61页，2024年2月25日，星期天8.4.5CCD器件电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice，简称CCD)：70年代初由美国贝尔实验室研制成功的一种新型半导体器件CCD器件不同于其他器件的突出特点：以电荷作为信号，即信息用电荷量(称为电荷包)代表，而其他器件则都是以电压或电流作为信号的第32页,共61页，2024年2月25日，星期天第33页,共61页，2024年2月25日，星期天CCD器件的应用广泛用于影像传感、数字存储和信息处理等三个领域，其中最重要的应用是作为固态摄像器件，其次是作为存储器件第34页,共61页，2024年2月25日，星期天

新型可再生能源特别是太阳能，作为环保、可再生以及使用安全等优势将逐渐成为未来能源最主要的组成部分。光伏发电是太阳能利用的最佳方式之一。8.5半导体太阳能电池第35页,共61页，2024年2月25日，星期天光伏发电有无可比拟的优点：（1）充分的清洁性；（2）绝对的安全性；（3）相对的广泛性；（4）确实的长寿命和免维护性；（5）初步的实用性；（6）资源的充足性及潜在的经济性等。第36页,共61页，2024年2月25日，星期天吸收光辐射而产生电动势，它是半导体太阳能电池实现光电转换的理论基础产生光生伏特效应的两个基本条件：半导体材料对一定波长的入射光有足够大的光吸收系数，即要求入射光子的能量h

大于或等于半导体的禁带宽度Eg具有光生伏特结构，即有一个内建电场所对应的势垒区第37页,共61页，2024年2月25日，星期天光照下P-N结光电效应：第38页,共61页，2024年2月25日，星期天影响太阳能电池转换效率的主要因素有：表面太阳光的反射、pn结漏电流和寄生串联电阻等第39页,共61页，2024年2月25日，星期天1、体单晶硅太阳能电池制备工艺第40页,共61页，2024年2月25日，星期天第41页,共61页，2024年2月25日，星期天太阳能电池组件

组件线又叫封装线，封装是太阳能电池生产中的关键步骤，没有好的封装工艺，再好的电池也生产不出好的组件板。

1、电池检测；2、正面焊接及检验；3、背面串接及检验；4、敷设（玻璃清洗、材料切割、玻璃预处理、敷设）；5、层压；6、去毛边（去边、清洗）；7、装边框（涂胶、装角键、冲孔、装框、擦洗余胶）；8、焊接接线盒；9、高压测试；10、组件测试及外观检验；11、包装入库敷设层次：玻璃、EVA、电池、EVA、TPT背膜

第42页,共61页，2024年2月25日，星期天2、体多晶硅太阳能电池制备工艺第43页,共61页，2024年2月25日，星期天第44页,共61页，2024年2月25日，星期天AM:大气质量AM=p/p0sinθP0=1.013bar第45页,共61页，2024年2月25日，星期天序号公司名称产量1无锡尚德327.02保定英利142.53河北晶奥113.24江苏林阳88.05南京中电78.06苏州阿特斯55.07宁波太阳能45.08常州天合光能37.09江苏浚鑫35.010常州亿晶30.0序号公司名称产量11交大泰阳25.012无锡尚品17.013深圳拓日10.0(a-Si:8)14上海超日10.015上海太阳能科技8.016浙江向日葵光能8.017云南田达7.018杉杉尤利卡7.019北京中轻7.020深圳珈伟5.0其他公司产量：33.3（a-Si:20.3）合计：1088.0（a-Si:28.3）2007年产量大于20MWp的有35家公司，大陆及台湾占14家。2007年我国太阳能电池产量（MWp/年）第46页,共61页，2024年2月25日，星期天国家和地区产量（MWp）比例（％）中国（ML）1088.027.2日本920.023.0德国810.020.25中国（TW）368.09.2美国266.16.65欧洲其他252.86.32世界其他295.157.38合计4000.051002007年不同国家和地区太阳能电池产量及份额第47页,共61页，2024年2月25日，星期天2007年不同国家和地区太阳能电池市场及份额国家和地区安装量（MWp）份额（％）排序德国132846.991西班牙64022.652日本2308.143美国2207.184意大利200.715中国200.716韩国200.717法国150.538世界其他33311.78－总计2826100－第48页,共61页，2024年2月25日，星期天深圳国际园林花卉博览园1MWp并网光伏系统第49页,共61页，2024年2月25日，星期天北京奥运国家体育馆100KWp并网光伏系统施工现场第50页,共61页，2024年2月25日，星期天西藏羊八井100kWp光伏高压并网电站第51页,共61页，2024年2月25日，星期天第52页,共61页，2024年2月25日，星期天2004年各种电池技术的市场份额第53页,共61页，2024年2月25日，星期天晶体硅电池走向大规模应用需要解决两大难题

提高光电转换效率降低生产成本

降低生产成本必须从材料入手。其关键是减少所用硅片的厚度，从而降低硅材料的消耗。

模拟表明，硅片厚度可降至几个到几十个微米，但此时薄膜厚度不能再自我支撑，需合适的衬底来支撑薄膜。

薄膜可通过各种方法沉积到低成本衬底上。这样不仅降低了硅材料的消耗，还可避免晶化和切割等成本以及硅材料的损失。由此制作的晶体硅薄膜电池被看作是光伏第二代，被认为是未来光伏电池的主流产品。

第54页,共61页，2024年2月25日，星期天3、硅薄膜太阳能电池薄膜电池的特点还表现为：由长光子产生的载流子在薄膜电池中容易在复合前收集到，可增大短路电流；如果忽略表面复合，由于薄膜电池中体复合远小于晶硅电池，从而降低了饱和暗电流，因此薄膜电池可具有较高的开路电压和填充因子，从而具有较高的电池转换效率。

非晶硅(a-Si)属直接转换型半导体，具有光的吸收率较大，较容易制造厚度小于0.5微米、面积大于1平方米的薄膜，且易于制造对近红外光高吸收的非晶硅锗(a-SiGe)叠层光电池等诸多优点，但非晶硅薄膜电池稳定性差，在受到长时间光照后，光电导和暗电导的性能均有所降低，从而影响了它的迅速发展。多晶硅薄膜电池既具有晶体硅电池的高效、稳定、无毒和资源丰富的优势，又具有薄膜电池工艺简单、重量轻、体积小、材料节省、成本大幅度降低以及光谱响应范围广、灵敏度高等诸多优点。从而为人们广为研究。第55页,共61页，2024年2月25日，星期天晶体硅薄膜电池目前主要集中于实验室研究。

1997年召开的第26届IEEEPVSC、第14届欧洲光伏科学与工程大会（PVSEC）和世界太阳能大会报道：

美国联合太阳能系统公司（UnitedSolarSystem）薄膜硅太阳电池,转换效率为16.6%

日本的Hanebo为9.8%

美国国家再生能源研究所（NREL）提供的测试结果，USSA的Si/SiGe/SiGe薄膜电池,面积为903cm2，其转换效率为10.2%，功率为912W。

2004年日本三洋电机报道的a-Si/μ-Si电池（厚度仅为2μm）效率为12.6％目前德国佛莱堡太阳能系统研究所（ISE）的以颗粒带硅为衬底制备的薄膜电池效率为11.2％。多晶硅薄膜电池发展现状第56页,共61页，2024年2月25日，星期天根据统计，已有不少关于多晶硅薄膜制备技术的报道,如固相再结晶法，激光结晶法和金属诱导结晶法等。这些技术中有些要求很高的生长温度，有些需要昂贵的设备且难于大面积制备，而有些工艺又较为复杂，这势必阻碍太阳能电池的推广使用。近年来随着太阳能电池的迅速发展和需求，促进人们去深入研究多晶硅薄膜的各种制备工艺，寻求在低廉的衬底材料上低温(≤600℃)沉积多晶硅(poly－Si)薄膜。然而大量的实验证实在低温条件下，很难用SiH4

气体在一般的衬底材料上直接沉积到多晶硅薄膜。多晶硅薄膜电池发展现状第57页,共61页，2024年2月25日，星期天多晶硅薄膜电池发展现状我国晶体硅薄膜