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半导体光电子器件ppt

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  半导体光电子器件、、、班张鹤鸣()hm▪…□▷▷•zhangxidianeducn“CompleteGuidetoSemiconductorDevice”指出:半导体器件有种余变种。概述课程主要内容CH半导体光电子器件物理基础CH半导体太阳电池(SolarCells)CH半导体光电探测器(Photodetectors)CH半导体电荷耦合器件(CCD)CH半导体发光二极管(LED)CH半导体激光器(LD)层次基本结构与原理主要概念与性能理论基础与机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Ch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§pn结(同质)一、基本物理属★△◁◁▽▼性、基本类型、空间电荷区与自建电场、能带结构(平衡与非平衡)、载流子分布(平衡与非平衡)二、基本电学特性、载流子输运过程、IV◁☆●•○△特性、势垒电容与扩散电容、击穿机制及机理空间电荷区形成物理过程及属性能带结构及载流子分布正偏:反偏:费米能级载流子输运过程IV特性LnLp势垒电容物理机制偏压上升:变窄偏压下降:变宽扩散电容物理机制§MIS结构一、MIS结构物理基础、半导体表面状态与能带结构、半导体表面势与表面电荷、氧化层电荷与界面态作用、强反型与阈值电压、深耗尽状态及机理二、MISFET电学特性、MISFET基本原理与结构、MISFET基本类型与特性MIS基本结构及属性(Wm–Ws)q(Ei–EF)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)CoxΦF=VFB–Q耗尽CoxΦFVFB=Φms–QSiOCox深耗尽状态及机制dVGdt↑↑pppVG≥VTpSiMOSFET结构、原理及类型结构及类型§金属与半导体接触一、金半接触物理基础、金半接触类型与能带结构、势垒形成与界面态、空间电荷区与电势二、肖特基结基本电学特性、基本电学特性、载流子输运过程及机制势垒接触非势垒接触非势垒接触(欧姆接触?)表面态影响与欧姆接触§异质结与量子阱一、异质结物理基础、基本类型与能带结构、空间电荷区与电势二、异质结基本电学特性、载流子输运过程、基本电学特性与特征三、量子阱▪▲□◁与超晶格、量子阱、超晶格、量子点与量子线四、二维电子气(DEG)与二维空穴气(DHG)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。、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AlxGaxAsGaAs、InxGaxAsGaAsSi基:SixGexSi、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or缓变异性异质结、空间电荷区与电势)空间电荷区形成过程)电场及其分布掺杂浓度:NA和ND介电常数εpS和εnS–xpx:xxn:特征:场线性分布电场在界面处不连续电位移失量连续。)接触电位差VD空间电荷区p区侧VDPn区侧VDn正、负空间电荷区电势差与掺杂浓度关系VDpVDn=εnsNDεpsNA!!!)空间电荷区宽度联解上述方程非平衡异质pn结上式VD用(VD-VA)替换。VA>0表示正偏VA<0表示反偏。p区侧:n区侧:)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二、异质结基本电学特性(n区宽带p区窄带为例)、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:(qVDΔEC)空穴从p区价带渡越到n区价带跨越的势垒高度为:(qVDΔEv)图(b)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(qVD+ΔEV)特征:电子和空穴渡越的势垒高度不同、基本电学特性与特征)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高势垒异质结:)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=mv注入比可以比同质结高倍以上要点能带结构及特征载流子渡越势垒特征IV方程形式电流注入比。#异质结基本应用A限制BJT频率特性因素IVBA解决途径HBT(异质结双极晶体管)势垒#三、量子阱与超晶格、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。、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。异质结超晶格掺杂超晶格、量子线与量子点量子线: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、量子阱载流子能量量子化近似)单量子阱中电子状态遵循薛定谔方程二维电子气(DEG)二维空穴气(DEG)L)单量子阱中电子状态密度、超晶格)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。)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。、量子线与量子点量子线: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#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V(z)=V(znL)L=bcn为正整数势阱内设有薛定谔方程势垒外设有薛定谔方程分别代入薛定谔方程:阱内:势垒内:布洛赫定理有阱内:势垒外:解分别为A、B、C、D为常数。联解决定电子能量的超越方程对于给定的b、c、V、m*可得到F(Ez)所满足的条件即:F(Ez)coskLEzV根据上突即可求出允带内Ezkz关系曲线:微布里渊区#布里渊区变成了正常晶体的La倍个。#四、二维电子气(DEG)与二维空穴气DHG)应用DEG沟道区掺杂区与沟道区分离杂质散射减小迁移率高减小离化电荷散射加入本征层。GaAsMESFET:电子迁移率从㎝V·s下降到~cmV·s。AlxGaxAsGaAs量子阱:电子迁移率可做到cmV·s。、DEG、DHG应用?量子阱超晶格量子线量子点能级量子化态密度DEGDHG禁带可调概念特征应用§半导体光吸收与光辐射一、折射率与吸收系数介电常数表征介质宏观电学性质折射率与吸收系数描述光在介质中的传播。二、半导体光吸收吸收机制与机理三、半导体光辐射辐射(发光)机制与机理§半导体光吸收与光辐射一、折射率与吸收系数、折射率:光在半导体中传播服从Maxwell方程ε、μ真空介电常数与磁导率εr媒质相对介电常数设:沿z方向传播的平面波电场在y方向偏振则:波动方程()变为速度、吸收系数常用半导体材料吸收系数与光子能量关系吸收系数与光波长、材料禁带宽度、杂质有关结论:光波在介质中以速度cN沿z方向传播时其分别在y与x方向偏振的电场和磁场矢量的振幅都按衰减。折射率N=njK成为复数。n是通常的折射率K表征光振幅衰减的参数称为消光系数。光振幅衰减是由于介质内存在自由电荷光波的部分能量激起传导电流。光子在距表面α处基本吸收。载流子密度高折射率大二、半导体光吸收机理:载流子吸收光能跃迁晶格振动吸收光能。机制:本征吸收杂质吸收自由载流子吸收激子吸收晶格振动吸收。条件:能量守恒动量守恒特征:存在长波限。跃迁后波矢直接带隙、本征吸收价带电子吸收▲●…△光子能量跃迁至导带。长波限:#高掺杂半导体:)、直接带隙半导体能量守恒:动量守恒:即电子跃迁保持波矢不变直接跃迁。吸收系数:C与折射率、有效质量、介电常数、光速等有关的量近似为常数。)、间接带隙半导体存在:直接跃迁间接跃迁。间接跃迁光子、电子、声子共同参与。能量守恒:动量守恒:吸收系数:、杂质吸收杂质能级载流子跃迁跃迁过程:施主能级电子导带受主能级空穴价带电离受主能级电子导带电离施主能级空穴价带能量关系:施主能级电子导带受主能级空穴价带电离受主能级电子导带电离施主能级空穴价带动量关系:束缚状态无一定准动量跃迁后状态不受波矢限制可越迁至任意能级引起连续吸收光谱。、自由载流子吸收导带及价带内电子从低能级跃迁到高能级。能量守恒:动量守恒:吸收或释放声子。特征:吸收系数随波长增大而增强。(跃迁能量间隔小参与声子少)、激子吸收激子:处于禁带中的电子与价带中的空穴在库仑场作用下束缚在一起形成的电中性系统。激子可以在整个晶体中运动不形成电流。激子吸收:价带电子受激跃至禁带形成激子。激子吸收特征:晶格吸收光子能量直接转换成晶格振动动能。子带吸收量子阱、超晶格子带间跃迁#半导体的光吸收机理:载流子吸收光能跃迁晶格振动吸收光能。机制:本征吸收杂质吸收自由载流子吸收激子吸收晶格振动吸收子带吸收。条件:能量守恒动量守恒三、半导体的光辐射处▲★-●于激发态(高能态)的电子跃迁至低能态能量以光辐射(光子)形式释放光辐射。光辐射光吸收逆过程。、辐射跃迁过程)本征跃迁导带电子跃迁到价带与空穴复合直接跃迁(直接复合):能量守恒:波矢相等:辐射效率高。间接跃迁(间接复合):能量守恒:波矢不等:辐射效率低。、辐射跃迁过程)非本征跃迁a导带电子跃迁到杂质能级b杂质能级电子跃迁到价带、杂质能级c激子复合:激子中电子与空穴复合d等电子中心复合:等电子:同价原子替代晶体原子。等电子中心:替代原子与晶体原子序数不同内层原子结构不同电负性不同。原子序数小对电子亲和力大易俘获电子形成负电中心。反之形成正电中心。该中心称为等电子中心。等电子中心复合:等电子中心俘获相反类型载流子形成激子复合。e等分子中心复合:等分子中心:化合物材料中分子被另一种等价分子替代电负性不同形成等分子中心。等分子中心复合:等分子中心俘获电子或空穴形成负电或正电中心再俘获相反类型载流子形成激子复合。#半导体的光辐射辐射跃迁机制)本征跃迁)非本征跃迁激子复合等电子中心复合等分子中心复合能量关系折射率与吸收系数光波在σ≠的介质中传播时:折射率成为复数虚部为表征光振幅衰减的参数消光系数偏振的电场和磁场矢量的振幅都按exp(ωKzc)衰减光振幅衰减是由于介质内自由电荷吸收光强按I(x)=I()∙exp(ɑx)衰减。半导体的光吸收机制:本征吸收杂质吸收自由载流子吸收激子吸收晶格振动吸收子带吸收。半导体的光辐射)本征跃迁导带电子跃迁到价带与空穴复合直接跃迁(直接复合)波矢相等:辐射效率高。间接跃迁(间接复合)波矢不等:辐射效率低。)非本征跃迁a导带电子跃迁到杂质能级b杂质能级电子跃迁到价带、杂质能级c激子复合:激子中电子与空穴复合d等电子中心复合:e等分子中心复合:条件能量守恒动量守恒。、光子与电子相互作用的物理过程a光的自发辐射处于激发态的电子以一定几率随机地跃迁到低能态与空穴复合发光。特征:非相干光发光二极管工作原理基础。b光的受激光辐射处于激发态的电子在光子作用下跃迁至能量差与光子能量相等的低能级同时发射一个与入射光子全同的光子。特征:相干光激光器工作原理基础。c光的受激吸收低能态电子吸收光子能量跃迁高能态。特征:hν≥△E太阳电池、光电探测器工作原理基础。a光的自发辐射自发发射(辐射)速率r(sp):单位时间、单位体积内E能级跃迁到E能级的电子数。与电子占据E能级几率f(E)、未占据E能级几率f(E)成正比。受激发射(辐射)速率r(st):单位时间、单位体积在能量为hv=EE光子作用下E能级跃迁到E能级电子数。与电子占据E能级几率f(E)、未占据E能级几率f(E)、光子流(光子密度)密度正比。b光的受激辐射c光的受激吸收受激吸收速率rα(st)::单位时间、单位体积内E能级上电子在能量为hv=EE光子作用下跃迁到E能级电子数。与电子占据E能级几率f(E)、未占据E能级几率f(E)、光子流(光子密度)密度正比。、自发发△▪▲□△射、受激发射、受激吸收爱因斯坦系数的关系自发辐射光子数受激辐射光子数受激吸收光子数热平衡条件下总发射速率等于总吸收速率即:A自发发射系数B受激发射系数B受激吸收系数。著名的爱因斯坦关系物理意义?受激发射与受激吸收几率相等#光子与电子相互作用的物理过程光电子器件物理基础相互作用过程:a光的自发辐射(发射)特征:非相干光b光的受激光辐射(发射)特征:相干光c光的受激吸收发射速率:相关因素?发射速率?爱因斯坦系数(几率)?器件物理基础?折射率与吸收系数半导体光吸收机制与机理半导体光辐射机制与机理电子与光子相互作用物理过程*Ch太阳电池SolarCells(×kWS)×(×)×=目前世界总能耗太阳能利用率转换效率绪预期:年可与火力发电竞争应用:卫星~m只重量~原理:光生伏特效应()Si电池:Bell,,η~GaAs基电池:η:~(同质结)η:~(异质结)(pGaAsAlGaAs)方向:多结量子结构太阳光谱与大气质量数光强AMm大气质量数太阳辐射强度:大气层外(Χkm):kWmAM垂直海平面(一个大气质量辐射):kWmAM与垂直方向有入射角时定义:*一、太阳电池基本结构ornorp*二、光生伏特效应hν≥Ega扩散区、势垒区、中性区吸收光子产生电子空穴对开路时:b扩散区、势垒区:空穴漂移到p区电子漂移到n区形成光生电流与积累c积累的部分空穴和电子分别中和空间电荷区的正、负电荷空间电荷区变窄pn结正偏d光生电流与正向电流平衡时达稳定状态e开路时呈现开路电压短路时:输出短路电流。原理hν≥Eg、扩散区、势垒区、中性区吸收光子产◆▼生电子空穴对开路时:、势垒区空穴漂移到p区电子漂移到n区分别形成积累扩散区空穴漂移到p区电子漂移到n区分别形成积累(条件:空穴扩散距离≤Lp,电子扩散距离≤Ln)中性区光生电子空穴对复合分别漂移到n区与p区的电子和空穴称为光生电流、p区和n区积累的空穴与电子分别中和势垒区部分正、负电荷势垒区变窄pn结正偏产生与光生电流反方向的正向电流、光生电流与正向电流平衡时达稳定状态开路时:呈现电压开路电压短路时:输出电流短路电流。一定光强下光生电流是否常数?常数?#n(顶层)p(底层)结?p(顶层)n(底层)结?结深和材料特性决定(一般顶层高掺杂浓度、结深浅):、Si:间接带隙吸收系数低n(顶层)p(底层)结(电子扩散长度大)、GaAs:直接带隙吸收系数高浅结(≤μ)np结(电子扩散长度大)深结pn结(光生载流子主要在顶层)、辐照:高能粒子辐照产生缺陷主要在深层p型区缺陷≤n型区缺陷np结构(掺少量Cu可降低缺陷复合)。InP抗辐照能力远高于Si和GaAs三、等效电路理想等效电路三、等效电路非理想等效电路光生电流IL=C二极管电流输出电流四、IV特性(理想)开路IV方程有负载时IV方程光生电流光子流密度及理想光电流与带隙关系*IV特性曲线(理想)*短路电流Isc开路电压Voc五、特性参数(理想)短路时有无载流子积累???*转换效率ηPom=Vom×Iom(最大输出功率)Pin:入射太阳光的功率由因为:有式中过程由图可见效率与表述输出功率的面积有关定义:填充因子(FillFactor):从IscVoc中取得的功率比率即F∙F一般为~#*入射光子数cms六、光谱响应(归一化)高能光子主要被表面吸收低能光子主要被深处吸收空间电荷区光生载流子少对效率Eg存在优化。hv(n)(p)七、影响转换效率主要因素、EgK个与个太阳时理想效率与带隙关系最佳Eg:~eV、T、复合扩散区内、外缺陷、高能粒子辐射、hνEg转变为热能、表面反射、寄生电阻影响(非理想IV方程)寄生电阻影响大RSVRS=Ωη降八、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结厚度(吸收系数决定):Si吸收系数小(α=~μm),典型~μ。直接带隙半导体典型μ。层厚度:底层厚度:αLn≤SiLn~μm。顶层厚度:高能光子主要在表面吸收xj~μ紫光电池xj~μ。掺杂浓度:表层:基于寄生电阻ND尽量高典型∙cm。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cm。*九、常规pn结太阳电池不足太阳电池关键参数效率半导体复合光生载流子在表面与衬底复合扩散至扩散长度外复合。串联电阻大低的表面区掺杂接触电阻高。表面反射表面反射降低光吸收。Si表面反射系数~。调节pn结厚度使表面反射光与衬底反射光相位差λ反射消失。此时最小反射系数抗高能粒子能力差高能粒子在半导体表面产生缺陷降低载流子寿命。低能光子不被吸收十、其它结构太阳电池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。背面高掺杂结构控制扩散长度外载流子复合。绒面结构增加吸收。“阳光”结构肖特基结构MIS结构结联结构量子阱结构集光np十一、高效太阳电池结构、异质结电池、级联电池三级:η~四级:η~光生载流子复合产生的荧光在pn结再产生电子空穴对、量子阱电池pin结构i层中有量子阱(阱宽~nm势垒~nm)、聚光电池聚集太阳光提高光强。增加光谱吸收范围提高量子效率~nmnmIVfig,输出电压(V)输出电压(V)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~()GaAs~GaInPGaAsGe~(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。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。Ch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、色敏光电二极管一、光电探测器物理基础光生载流子、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hν≥△E本征跃迁hν≥Eg杂质电离hν≥△EDorhν≥△EA、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hν≠Eghν≠△E、光电探测器工作的主要物理过程)吸收光子能量产生光生载流子(通常为电子空穴对))载流子定向输运(产生增益或无增益))在器件端点或外电路形成与光对应信息。、光电探测器类型电导型(光致电导)pn结型量子阱、超晶格型。二、光电探测器主要性能参数、量子效率η(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:、响应度R、灵敏度S、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、响应时间(响应速度)、探测器噪声参数)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。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。)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▼f噪声低频(kHz)▼光子噪声光子随机起伏#噪声频谱特性#)等效噪声功率NEPIp(输出光信号电流)=)归一化探测率D*探测率:归一化探测率消除面积与测试频率影响(噪声电流)时光功率习惯灵敏度三、光电导体(光电导)、器件物理半导体材料吸收光子能量产生电子-空穴对(hν≥Eg)杂质电离产生电子或空穴(hν≥ΔEghν≥ΔEA)。光生载流子定向移动形成光电流电信号。#本征光电导杂质光电导(常用n型半导体)。、常用表征参数量子效率增益灵敏度。光生载流子使材料电导增大,将光信号转换成电信号的器件。、光电导光电导率无▼▲光照时电导率暗电导率:光生非平衡载流子电导率(光电导率):总电导率:、光电流f(x)f(x)提高Ip措施p总光电流强度、光电流灵敏度本质反映增益性质、光电导增益一个光生载流子对外电路贡献的载流子数。考虑二点:复合寿命载流子存在寿命动态平衡光生载流子形成一定分布一端流出另一端补存直至载流子复合寿命期间向外电路提供的载流子数即增益:、光电导弛豫光照时光电导逐渐上升光照停止后光电导逐渐下降的现象。#载流子★-●=•▽寿命小注入时常数大注入时非常数。)小注入)大注入复合概率、光谱响应常用光电导材料:紫外光CdS,CdSe可见光TiS,CdS,CdSe红外光PbS,PbTe,bSe,InSb,HgCdTe,PbSnTePbS光谱特性、增益•☆◆◁•■▲带宽积、器件噪声源▼热噪声载流子无规则热运动(白噪声)▼产生复合噪声:载流子产生复合随机起伏#▼产生复合噪声:▼信噪比:关键参数增益增益主要措施提高寿命方法?、nipi…型光电导优点:电子、空穴分离寿命提高增益上升电子与空穴分离光电导工作物理机制增益物理机制。四、光电二极管功能:将光信号转换成电信号的pn结二极管。类型:光电二极管(常规pn结型)pin光电二极管雪崩光电二极管金属半导体(势垒接触)光电二极管光电晶体管(双极型、单极型)。原理:光生载流子定向运动光生载流子区域中性区、扩散区、空间电荷区。(一)、(常规)光电二极管(同质结)基本结构pn结工作条件及原理pn结反偏光生载流子构成输出电流。对光生电流有贡献区域光生电流与光电池是否相等?光生电流是否常数(理想)所有光生载流子区常数不等等效电路(理想等效电路)、负载光生电流IL=C二极管输出电流I=IRIL?原理与太阳电池?太阳电池等效电路(非理想)直流交流RshRSRLIV特性(直流)光生电流与pn结电流叠加负载电阻(RL)与工作电压(V)给定工作电压和光功率从手册可查出G、G、S则有G即RLor给定RL和光功率从手册可查出G、G、S则有工作电压输出电压幅度光强由Pn增强到Pi输出电压幅度:ΔV=VmaxVmin(V′)因为G(VVmax)=G×VmaxS×PnG(VV′)=G×V′S×Pi有Vmax=(G×VS×Pn)(GG)V′=(G×VS×Pi)(GG)所以ΔV=VmaxVmin(V′)=S(PiPn)(GG)=S(PiPn)(GG)与光强和灵敏度正比输出电流幅度ΔI=IM–In=ΔV×G=G×S(Pi–Pn)(GG)输出功率Po=ΔI×ΔV=GL×S×(Pi–Pn)(GG)×S×(Pi–Pn)(GG)=G×S×(Pi–Pn)(GG)与光强和灵敏度正比阻容耦合交流特性设输入光信号P=PPmsinωt输出交流电流、电压振幅分别为Im与VmV)负载Zin功率)Zin最佳负载功率截止频率设输入光信号P=PPmsinωt输出交流电流I=imsinωt影响因素:扩散时间(扩散区)S漂移时间(势垒区)S结电容延迟时间S噪声表征噪声源:热噪声、散粒噪声热噪声主要负载散粒噪声信号光电流背景光电流反向饱和电流措施:减小反向饱和电流、背景光电流优化信号电流与负载。信噪比输入光信号P=Poutmexp(jωt)量子效率频率响应见pin光电二极管见pin光电二极管缺点:表面反射表面复合寄生电阻(二)、异质结光电二极管工作原理与前述光电二极管相同优点:、被检测光子与电子的相互作用主要在窄带有效改善表面吸收及复合转换效率提高、波长选择、暗电流小。(三)、肖特基光电二极管工作原理与前述光电二极管相同优点:、势垒区在表面有效改善高能光子产生的电子空穴对的表面复合转换效率提高、电容小速度高。#如果采用金属本征n(或p)器件性能会如何?#金属本征半导体势垒区宽效率高响应速度快。E工作物理机制等效电路对光生电流有贡献区域光生电流与光电池是否相等(相同结构)光生电流是否常数(理想)异质结与MIS光电二极管优点。(四)pin光电二极管优点:▼量子效率高调节本征层吸收▼响应速度快势垒电容小寄生电阻小扩散区减小。RSCj如何发挥优点?!(A)pin二级管基本结构与特性基本结构pin是在高掺杂p区和n区之间有一本征层(i区)的二极管。本征层很难实现通常用高阻p型层或高阻n型层代替:ppnpπnpnnpνn图(a)结构斯示意图(c)杂质分布。空间电荷区电荷与电场分布pin:负电荷在p区侧正电荷在n区侧ppnpπn:负电荷在p区侧和p正电荷在n区侧pnnpνn:负电荷在p区侧正电荷在n区侧和n电荷分布电场分布pinppnpnn基本特性单位面积势垒电容近似常数:击穿电压高:储存时间(电荷消失时间)短:εm临界击穿电场τ少数载流子寿命(IRIf)Q常规(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通过调制本征区宽度:提高量子效率提高频率响应特性。光生电流)势垒区量子效率)扩散区加!#中性区pnXH因pin结构希望光生电流在本征区所以讨论效率略该区)量子效率??可略加!即希望光生载流子在本征区(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)??提高η和f希望光子在本征区吸收优点:、效率高、响应快折射率#利用异质结改善性能?▲结构考虑(D)噪声pin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。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。基本结构示意图(六)雪崩光电二极管(APD)金半结基本工作原理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:有增益噪声低雪崩增益Mph雪崩倍增输出光电流与雪崩倍增前光电流比一般取左右雪崩击穿电压M=C雪崩噪声)信噪比)噪声与电子和空穴电离率雪崩增益可降低噪声所以噪声优于其它器件ɑpɑnɑnɑp)最大信噪比(七)光电晶体管、双极型光电晶体管异质结晶体管?增益近似为β•β#异质结基本应用A限制BJT频率特性因素IVB??α:fmax:fT:A解决途径HBT(异质结双极晶体管)、单极型光电晶体管JFETorMESFETMOSFETVTn=VFB(εεsqNAVF)CoxVFBVTp=VFB–(εεsqNDVF)Cox–VFBGaeVIneV(八)色敏光电二极管基本结构基本原理利用:浅结短波长响应度高深结长波长响应度高不同波长电流比不同、双结光电二极管、全色光电二极管基本原理标准色度系统根据电流比确定颜色具有光电流增益器件的工作物理机制雪崩光电二极管增义与雪崩电离系数异质结光电晶体管光电增益如何提高。Ch电荷耦合器件ChargeCoupledDevicesCCD年作为移位寄存器提出同年形成线阵扫描系统形成面阵扫描系统。可作▪•★为图像传感器件、电荷转移器件。#深耗尽状态在MIS加周期性电压时如果空间电荷层内的少子产生速率赶不上电压的变化反型层来不及建立只有靠耗尽层延伸向半导体内深处而产生大量离化电荷满足电中性条件。这种情况耗尽层宽度可远大于强反型时的最大耗尽层宽度且其宽度随电压VG幅度的增大而增大这种状态称为深耗尽状态。一般情况下热弛豫时间τth为s。深耗尽状态表面势高热弛豫时间τth设:初始深耗尽层宽度为xd耗尽层内少子净产生率为G。且则:由耗尽到反型一般情况下热弛豫时间τth为s。由此可见反型层的建立并不是一个很快的过程。CCD基本功能处理线阵列或面阵列光信号、电信号CCD概述一、基本结构一定规则排列的MOS结构阵列包含:二、基本工作原理MOS表面处深耗尽状态:ΦSΦF耗尽层宽度大:xdxdm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。信号电荷转移tVV表面反型状态三、线阵信号电荷读出线阵信号电荷转移与储存线阵信号电荷输出电流输出四、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五、CCD器件主要性能参数电荷转移损失率ε(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()之比那么转移效率初始为Q()的电荷经过n次转移后所剩电荷若η=n=,那么Q(n)=QMIS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?工作频率f频率若少子转移时间为t寿命为τ对三相有(T周期)tτtτth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。tτ频率下限限制因素:、电荷转移时间、深耗尽热弛豫时间六、二相CCD结构七、CMOS图像传感器CCD工作物理基础信号检测信号传输信号读出信号损失物理机制与控制措施。Ch半导体发光二极管LightEmittingDiodeLED概述LED、Laser基本结构与特点:结构:半导体二极管(pn结)特点:单色性好LED:~nmLaser:~nmLED与Laser区别:LED:自发发射产生非相干光Laser:受激发射产生相干光。LED与Laser发光机理:正偏pn结电子与空穴复合释放光子。可能的辐射复合一、辐射复合与非辐射复合过程辐射复合a本征复合hν~Egb高能复合hνEgab#直接带隙复合:hν~Eg间接带隙复合:hν~Egnθ()带间复合()杂质与带间复合fjdec导带受主d施主价带e施主受主()深能级杂质复合ch俄歇复合()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子复合。()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。()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。非辐射复合()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晶格振动能。()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所以发射光子能量二、半导体发光二极管基本结构基本工作原理少子扩散长度正偏非平衡少子辐射复合能量动量守恒。a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。b非本征型施主受主(几个晶格距离):激子:等电子中心等分子中心发光效率内效率:外量子效率:截至频率、影响发光效率因素)LED材料吸收)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。)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θC则入射光从界面全反射回原介质。)表面反射)菲涅耳(fresnel)损耗GaAs:θC=°GaP:θC=°)LED材料吸收hν≥Eg(衬底、表面)吸收。GaAs吸收GaP吸收)斯涅耳(snell)损耗、考虑效率的LED结构)抗反射膜垂直入射光菲涅尔反射系数)异质结LEDP型ⅹn型ⅹ降低吸收减小临界角角)封装外形与效率、光纤通信LED、侧光高强度LED、白光LED)多基色)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。)蓝光LED覆盖黄色磷蓝光与磷产生的黄光合成白光。、发光二极管主要材料可见光λ:Å~ÅEg:~eV、GaAsxPx(GaAsGaP)红、橙、黄、绿亮度较低x~转化为间接带隙效率降低措施:GaAsx(Px)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空间可有较大的范围动量的变化量被等电子杂质吸收。归一化效率、(AlxGax)yInyP红、橙、黄高亮度x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λnm首选。、InGaN绿、蓝、紫高亮度、AlxG▼▼▽●▽●axAs红、红外高亮度Al转换为间接带隙与GaAs晶格匹配影响内外发光效率因素增强发光效率的主要技术措施。Ch半导体激光器SemiconductorLasers一、半导体激光器物理基本结构正偏pn结hνpn有源区谐振腔光子限定区基本本特性相干光束方向、频率、相位差相同产生激光条件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。a受激辐射受激吸收∵pn结处非平衡状态∴用准费米能级粒子数反转条件物理意义: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–EFphν≥Eg:简并半导体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b光子限定hνpn有源区复合发光区npp型区折射率n有源区折射率nnn型区折射率。根据斯捏耳(SnellLaw):θc=arcsin(npn)θc=arcsin(nnn)有:nnpnnn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#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=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#对称三层介质波导中光的限定因子Γ电场平方与波导内位置关系基波波长μmdμm限定因子与折射率限定因子与有源层有源区宽出现高阶模式(限定性变差)基波模式限定因子与有源层厚度和折射率关系c光谐振产生激光需相干光且光子限定区内增益大于损耗法布里珀罗共振腔Z①②①阈值增益维持振荡最小增益(等于损耗的增益)gth:可确定维持振荡激发激光最小电流②振荡模式激光波长选择光频率与L关系#产生激光条件:a受激辐射受激吸收粒子数反转电子限定b光子限定有源区折射率有源区外折射率c光谐振谐振腔增益大于损耗激光频率波长取决于谐振腔长度阈值电流产生激光振荡最小工作电流峰值光增益与归一化电流密度关系)标称电流密度Jnom量子效率为时激发μ有源层所需电流密度。)实际电流密度J与Jnom关系若有源区宽度为d效率为η则J•η=Jnom•d即:J=Jnom•dη)峰值光增益与标称电流密度关系如图所示可见光增益与标称电流密度基本为线性关系可表示为g=(gJ)(JnomJ)aJ与g分别为与横轴沿线交点电流和响应增益)阈值电流密度Jth阈值电流分析光增益、光子能量与偏置电流阈值电流密度与有源层厚度光谱与光强功率与效率)内受激辐射产生功率)外量子效率单位注入载流子发射光子率)总量子效率导通延迟与频率响应实验曲线波长调制)电流有源区载流子浓度变化致折射率变化)温度禁带宽度变化)有源区应变禁带宽度、折射率变化)谐振腔长度)磁场导带、价带量子化能量间隔增加二、激光器基本结构分析反射面:光定向粗糙面:控制光侧面传播同质结单异质结光子限定性宽带侧好双异质结EFnEFpECECEVEFXyLnp光子限定光子限定性好阱宽度小于德布罗意波长限定性变差载流子平均自由程若大于阱的宽度则载流子不能被有效收集。同质结掺杂致折射率变化小于单异质结双异质结异质结激光器增强载流子与光子限定降低阈值电流、大光腔激光器为提高输出功率:增大波导面积同时保持载流子限定区面积载流子、光子分开限定(d二侧有效限定载流子但折射率不足以限定光子)大光学腔(d有效限定载流子w限定光子)、增益引导型激光器减小阈值电流频率响应快分布反馈激光器激光器布拉格反射激光器、波导折射率周期变化激光器温度特性好易集成量子阱激光器双异质结有源层厚度小于德布罗意波长特点:量子阱中载流子能量量子化每个量子化能级的能级密度为常数轻、重空穴能级高低与材料特性有关量子阱激光器优点:)改变阱宽度可调变量子化能级即:激光波长)最低子带态密度高分布反转易)载流子、光子限定作用强)阈值电流低量子效率高输出功率大)波长调整范围宽。机理:)改变阱宽度量子化能级位置变化)最低子带态密度载流子分布集中)势阱和折射率差异载流子、光子限定作用◇…=▲强阈值电流低量子效率高输出功率大)多子带积累载流子易波长调整。量子阱激光器缺点:光子限定性差改善措施:超晶格结构量子化能级形成微带受激辐射由微带间跃迁实现量子线和量子点激光器量子线二个维度方向小于德布罗意波长量子点三个维度方向小于德布罗意波长优点:增益高阈值电流密度低量子级联激光器特点:载流子在量子化的子带间跃迁激光为长波范围结构:可由注入器与有源区周期性组成(如数十至数百)原理:注入器中载流子共振隧穿致有源区高量子化能级高量子化能级载流子跃迁到次能级辐射次能级载流子继续共振隧穿致下一高量子化能级优点:同一载流子可产生多次光子量子效率高阈值电流低。、激光器材料与光纤通信应用微观原理结构产生激光条件(激光形成要素):a受激辐射自发辐射(粒子数反转电子限定):b光子限定:n(有源区)n(有源区外)c光谐振谐振腔:增益大于损耗激光频率波长取决于谐振腔长度。粒子数反转条件求解光子限定机理异质结激光器、多量子阱激光器结构、高效原理。重点基本物理概念物理过程物理图像祝取得优异成绩

  很多人都会好奇,为什么中国女◆■子怀孕,会说身怀六甲呢?原来这六甲来源“天干”,即甲子、甲寅、甲辰、甲午、甲申、甲戌六个甲日,是象征着生命起始的日子。由于天干地支这一历法与古人的生活息息相关,并被赋予了神秘的符号内容,因此成为了我们研究古人智慧及其生活方式的重要资料。

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