无机材料物理化学第8章.ppt

无机材料物理与化学,在半导体能带结构中，把价带顶取作能量零点，能量零点以下称为价带，能量零点以上称为导带。在导带底和价带顶之间的间隙则称为禁带。其宽度称为禁带宽度，用Eg表示。E-K能带结构中波矢K是一个矢量，构成一个复杂的三维空间。在画能带结构图时，人们往往只画出K空间的、X、L等几个重要方向上能量E的变化。、X和L分别为K空间的零点、100方向上的边界点和111 方向上的边界点。多数半导体的价带顶都位于点，当其导带底也位于点时，这种半导体被称为直接带隙半导体，如果导带底和价带顶不在同一点，就称为间接带隙半导体。例如GaAs是直接带隙半导体，Si是间接带隙半导体。,Si 的能带结构(a)和 GaAs 的能带结构(b),2.1.1 PN结PN结是半导体器件的最基本的结构要素。将P型半导体和N型半导体相互接触即可形成PN结。下面我们以硅为例说明P型半导体和N型半导体的概念。硅有4个价电子，能与邻近的4个硅原子形成共价键。这些电子在原子核的作用下处于束缚状态，但在一定的外场作用下会挣脱束缚成为自由电子，形成电子载流子。电子载流子的移动会在原来位置形成空穴，并形成空穴载流子。因此，硅半导体中存在电子和空穴两种载流子。不过常温下硅中的载流子较少，硅半导体导电性能的控制要靠掺杂来解决。人们把掺入磷、砷、锑等V族施主元素杂质形成的电子导电型半导体，称为N型半导体；把掺入硼、镓、铟等III族受主元素杂质形成的空穴导电型半导体，称为P型半导体。将PN结适当组合，即可制成晶体管、可控硅管和集成电路（IC）。PN结的重要特性是具有整流作用，即电流只能沿着某一个方向流动（见图2.1）。,图2.1半导体PN结示意图,半导体的两种导电机构(a)P 型半导体及其导电机构;N型半导体及其导电机构,实际使用的半导体器件和电路都是用不同特性的N型半导体和P型半导体相互连接制成的。图2.2（a）是N型和P型半导体的能带图。图中Ec和Ev分别为导带底和价带顶，导带中的电子和价带中的空穴分别用黑点和小圆圈来表示。EF为费米能级。图2.2（b）为成结后在热平衡状态下的能带图。在热平衡状态下，N区的多数载流子电子和P区的多数载流子 空穴分别向P区和N区扩散，形成扩散电流A。另一方面，由于N区中的电子向P区扩散，就留下了带正电的电离施主中心，形成一个带正电荷的区域。同样，由于P区中的空穴向N区扩散，留下了带负电的电离受主中心，形成一个带负电荷的区域。于是在交界处两侧形成了带正负电荷的区域，称为空间电荷区。这一区域已无载流子存在，故又称为耗尽层。空间电荷区的正负电荷会产生一个由N区指向P区的自建电场。自建电场会使电子从P区向N区漂移，使空穴从N区向P区漂移。从而形成与扩散电流A的方向相反的漂移电流B。当这两股电流A和B处于动态平衡时，就无电流流过。这时，耗尽层内的空间电荷产生了接触电势差（也称为扩散电势差）B。在PN结上加上正向偏压，即P区加上正电压VF,P、N之间的电势差T(T=B-VF)降低，热平衡状态被破坏，由多数载流子（即电子）形成的扩散电流远大于漂移电流，如图2.2(c)所示。正向偏压越大，该电势差越小，其结果是使电流指数式地增加。与此相反，当P区上加上负电压VR时,电势差T变大(T=B+VR),多数载流子难以扩散，几乎无电流流动，如图2.2(d)所示。这就是PN结的整流效应。,图2.2半导体PN结能带图,2.1.2 PN结型晶体管晶体管是20世纪最重要的发明之一。尽管晶体管种类繁多，制造工艺多种多样，用途和功能五花八门，但晶体管的基本结构却是简单而共同的。PN结型晶体管的内部都有两个PN结。主要分为两种，即PNP型和NPN型。晶体管的两个PN结共有三个区。对应三个区的引出线，分别称为发射极、基极和集电极。发射极和基极之间的PN结叫发射结，集电极和基极之间的PN结叫集电结（见图2.3）。图2.3PNP型和NPN型晶体管的结构和符号,如图2.4所示，如果我们在发射极电路中施加一直流电源电压VEB并保持其不变，在该电路中串接一个待放大的交变信号电压Vs,并且在集电极电路中串接一个电阻R的话，当集电极电流的变化部分iC流过集电极电路中的电阻R时，就会在上面产生一个交变电压iCR。尽管iC 略小于iE，只要电阻R的值比较大，就可以使iCR比信号电压Vs大很多倍。这表明，晶体管具有放大功能。实际上半导体收音机就是用晶体管放大信号的。图2.4 晶体管共基极电路放大原理图晶体管放大电路除了上述共基极电路外，还有共发射极电路和共集电极电路。,2.1.2 结型场效应晶体管（JFET）JFET共有四个电极，其中，在P型半导体（N型时情况相似）两端各有一个称为“源”和“漏”的电极；P型半导体两侧则各有一个N型区和相应的称为“栅”的电极。如果在源和漏之间加上一个电压,源接电压正端，漏接负端，P型半导体的多数载流子空穴传导的电流就会在源与漏之间通过；在栅和源间加上反向电压VG,栅接电压正端，源接负端，因此没有电流通过栅和源之间的PN结。当加大栅与源之间的反向电压VG时，两个PN结的耗尽层就会向P型区扩散，使从源到漏的电流通道变细，该电流通道的电阻就会随之增大，导致源与漏之间的电流ID减小。若减小反向电压VG，ID就会增大。若在栅与源之间附加一个输入信号电压，工作电流就会随着信号电压变化，在串接的负载电阻上就会产生一个放大了的输出信号电压。这就是场效应晶体管的放大原理。如果在栅与源之间附加适当的忽大忽小的电压，使得从源到漏的电流通道忽通忽断，漏极输出电流也就会时有时无，在这种情况下，场效应晶体管就等效于一个电流开关 图2.5 结型场效应晶体管(JFET)工作原理图,2.1.4 金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）MOSFET是在JFET的基础上发展起来的，是构成集成电路的主要器件。其结构如图2.6所示。图2.6 MOS晶体管结构示意图在绝缘栅极上不加电压时，即使在源与漏之间加有电压，流过的电流也是非常小的（因为由N+区和P型硅片构成的两个PN结中总有一个被加上反向电压）。如果我们在绝缘栅极上施加一个适当程度的正电压，所形成的垂直电场就能把半导体表层的空穴全部驱至半导体表层下面。此时若继续增大电场强度，半导体中的电子就会在电场的吸引下移至表面层，这样在二氧化硅绝缘层下的源与漏之间，就会形成一个N型的电流通道。这种电流通道被称为沟道，电流可以从源经过N型沟道流至漏。因此栅极上所加电压的大小可用来控制漏电流的大小。,2.2.1 硅材料硅是地壳外层含量仅次于氧的元素，约占地壳的25%。主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。由于储量非常丰富，硅原料是半导体原料中最便宜的。与锗相比较，硅有很多重要优点。硅的禁带宽度为1.1eV,锗只有0.72eV。因此，锗器件的最高工作温度只有85C,而硅可以达到200C。故在功率器件的研究中硅明显优于锗。硅的另一个重要优点是能在高温下氧化生成二氧化硅薄膜。这种二氧化硅薄膜可以用作为杂质扩散的掩护膜，从而能和光刻、扩散等工艺结合起来制成各种结构的器件和电路。而且氧化硅层又是一种性能很好的绝缘体，在集成电路制造中可以用它作为电路互连的载体。氧化硅膜还是一种很好的保护膜，它能防止器件工作时受周围环境影响而导致性能退化。硅的第三个优点是，硅的受主和施主杂质有几乎相同的扩散系数，这就为硅器件和电路的工艺制作提供了更大的自由度。硅材料的这些优点促成了平面工艺的发展，简化了工艺程序，降低了制造成本，改善了可靠性，并大大提高了集成度，使超大规模集成电路得到了迅猛的发展。,第 3 章 半导体激光器材料激光的特点及发光原理激光的特点方向性好、亮度高、能量集中，可在微米大小圆斑内产生几万乃至几百万摄氏度的高温；单色性好，谱线宽度小；相干性好，即相干长度很长，是普通光束的数十至数百倍；传递信息的容量大强激光与物质发生作用时，会引起倍频、和频、差频等许多新的物理效应激光的特点是由发光机制决定的。普通光源的发光机制主要是自发辐射从激光器中射出的激光主要由受激辐射产生,当频率为 f 的光子作用在具有相同能级的原子系统时，将发生两个不同作用：当光子与已处于高能级的激发原子作用时，会产生受激辐射，光子增殖；当光子与低能级原子作用时，低能级原子被激发到高能级，入射光子被吸收，光子数减少。因此，当光子射入原子系统时，系统使光子增殖还是减少，完全取决于该原子系统处于高能态与低能态原子的比率。若以 N1 和 N2 分别表示系统中处于低能态和高能态的原子数，则当 N1 N2，光被吸收；反之，N1 N2，光便增殖。原子的能级分布遵循玻耳兹曼统计：即在通常的热平衡条件下，N1 总是大于 N2的。为了使受激辐射成为主导，必须使高能级粒子数超过低能级粒子数，即要求实现“粒子数反转”。激光材料实质上就是具有适当的能级结构，可实现粒子数反转的工作物质。,为了得到粒子数反转的状态，一般需要两个条件：外界有能量输入，将粒子源源不断地激发到高能级（称为泵激）；体系中有亚稳态能级，使被激发到该能级的粒子不会立即返回基态。图2.1 示出了两种获得粒子数反转的例子：三能级系统：0为基态，1为寿命较长的亚稳态，2是上能级，1和0之间可实现粒子数反转；四能级系统：0为基态，2为寿命较长的亚稳态，3是上能级，2和1之间可实现粒子数反转，由于1不是基态，原来粒子数就比较少，故四能级系统比三能级系统更容易建立粒子数反转；,图 2.1 粒子数反转,处于粒子数反转状态的材料称为激活介质。若有适当频率的光子（其能量恰为粒子数反转的两能级的能量差）射入这种激活介质，则会形成受激辐射大于吸收的情况，从而增加同种频率的光子，使出射的光子数会大于入射的光子数。因为激活介质具有放大的作用，故被称为受激辐射放大器，简称激光放大器。通常所说的激光器是指受激辐射的振荡器，它由上述激光放大器及一个光学谐振腔组成。光学谐振腔的作用是使输出中的一部分反馈到放大器中，以产生谐振振荡而进一步获得同步放大。谐振腔的反射镜具有反馈的功能，从部分反射镜中透射出的光束就是激光器的输出(图 2.2)。图2.2(a)具有反馈的振荡器;(b)激光器(包括放大和反馈)为了达到振荡，放大器的增益必须比反馈系统的损耗大，从而保证信号在一次完整的反馈回路中有净增益。此外，为了达到振荡，振荡器还应满足相位条件：2L=m，式中，L 为谐振腔的长度，是光的波长，m 是整数。固体激光材料就是指用于制作激光放大器的一类材料，按基质结构可分为两大类：激光晶体和激光玻璃。,3.1 半导体激光器原理半导体激光器又称激光二极管，是利用少数载流子注入产生受激发射的器件和所有的激光器一样，半导体激光器必须具备三个条件：粒子数反转共振腔激励源半导体激光器从结构上可分为：pn 结激光器异质结激光器量子阱激光器分布反馈激光器,3.1.1 pn 结激光器组成 pn 结激光器的材料必须是高掺杂的“简并半导体”,即 p 型材料的费米能级在价带中，而 n 型材料的费米能级进入导带。（1）粒子数反转的条件用简并的 p 型半导体和 n 型半导体组成 pn 结后，其能带结构如图3-1 所示。pn 结组成后，p 型半导体和 n 型半导体的费米能级应保持一致，故 p 区的价带顶高于 n 区的导带底，结区形成势垒qVD。图3-1(a)简并半导体PN结,对 pn 结施加正向偏压V以后，pn 结势垒下降为 q（VD-V），p区和 n 区的费米能级分开，两费米能级之差 Efn EFp=qV。由于少数载流子的注入，Efn 和 Efp 各自延伸并穿过空间电荷区，成为空间电荷区的导带准费米能级（EF）C 和价带准费米能级（EF）V。因此，只要外加偏压满足qV Eg，可得（EF）C-（EF）V=EF Eg h。这就是半导体中产生受激发射的粒子数反转条件。其物理意义可由图3-2表示。,图3-2半导体中的粒子数反转,图3-1（b）形成粒子数反转示意图,准费米能级代表的是电子填充的能级水平。如图3-2 所示，导带中（EF）C 以上的能级是空的，价带中（EF）V 以下的能级被电子充满，在这种情况下若 h EF，则只会产生受激吸收，电子从价带中被填满的能级跳到导带中空的能级上去；若 h EF,则电子只能从导带中填满的能级跃迁到价带顶部未被电子占据的能级,产生受激辐射。因此，粒子数反转是由于外加正向电压后的少子注入而在 pn 结区形成的。在半导体激光器中，把形成粒子数反转的这一区域称为激活区。,图3-2半导体中的粒子数反转,（2）共振腔的形成半导体的共振腔是利用上述激活区的波导特性和半导体材料的解理面制成的。激活区的载流子浓度比周围区域的高，故其折射率也高于周围区域。因此，激活区相当于一个能把光束约束在内的波导层。设波导层二维平面 y、z 两个方向互相垂直，如果我们用半导体材料的解理面作为 z 方向的两个端面，并且将 y 方向的两个端面打毛，那么激活层沿 y 方向传播的光就会透过端面出射，沿 z 方向传播的光则会被端面反射回来，形成共振。故在激活层的 z 方向构成了一个谐振腔（图3-3）。,图3-3 共振腔波导的形成,（3）激励源半导体激光器的激励源为直流或交流驱动电源。驱动电源只需产生几百毫瓦的输出功率即可使半导体产生激光发射。,3.1.2 异质结激光器Pn 结激光器中，p 型和 n 型半导体采用的是同一种半导体材料，只是掺入的杂质种类不同而已。这种结称为同质结。同质结结构虽然能产生激光，但存在工作偏压高、光损耗大、在室温下只能以脉冲方式运转等缺点。由两种不同的半导体材料构成的结称为半导体异质结。构成半导体异质结的两种半导体虽然不同，但它们的晶格常数相差必须小（一般小于 1%），即它们的晶格必须匹配。这是因为，晶格失配会在两种半导体材料的交界面形成能使发光淬灭的深能级。异质结激光器主要有发光效率高和光波导性能好等优点。发光效率高是因为异质结结构的注入效率高；光波导性能好是因为，激活层可以做得很薄，而且禁带较窄的半导体材料构成的激活层（发光层）的折射率明显高于夹在其两侧的宽禁带半导体材料（以双异质结为例）的折射率。双异质结激光器可在室温实现连续运转。,3.1.3 量子阱激光器异质结厚度仅为 1-10nm的异质结激光器称为量子阱激光器。可用电子平均自由程来描述电子运动的自由程度，电子在自由程内的运动不会受到任何干扰（例如碰撞等）。半导体同质结的激活区厚度大约是 1 m，与这个自由程大致相当。异质结的激活区厚度比同质结的窄得多，一般在 0.1-0.4 m 之间,因此电子在这个较窄的区域内的运动已经受到了一定程度的约束,但这种约束还不够强烈.当异质结厚度进一步减小至 1-10nm 后,激活区宽度已经与电子的量子波长相当甚至更小。这时激活区里的电子就像掉在一个陷阱里似的，其运动受到强烈约束，导致电子和空穴在导带底和价带顶的能量状态出现不连续分布，这种陷阱在量子力学中称为阱，故又称为量子阱。用这种量子阱结构制成的半导体激光器就是量子阱激光器。量子阱激光器的优点是阈值电流仅为异质结激光器的四分之一，因此有利于光集成化和制作大功率半导体激光器，并且它的光束质量好，有利于提高光通信的质量。,3.2 蓝光半导体激光器材料GaN是最引人注目的蓝光半导体激光器材料,它具有纤锌矿结构，Eg=3.4eV,可与AlN,InN形成带隙连续可变的固溶体。AlGaN是一种宽带隙半导体材料，主要用作与GaN的准晶格匹配的异质结。InGaN的带隙则对应于绿光、蓝光和紫光范围，故适于制作发射这些短波长激光的半导体激光器的有源层。因此基于GaN的蓝光半导体激光器是近几年来的研究热点。GaN基材料虽然有很多优点，但人们在将其发展成GaN激光器的过程中，曾遇到过不少困难。其中最大的困难有两个，一是缺乏晶格常数和热膨胀系数与GaN匹配的衬底材料，二是难以实现高P型掺杂。80年代后期，人们先后用在蓝宝石或SiC衬底材料上引入过渡层的方法和对高阻GaN材料进行低能电子辐射的方法解决了这两个问题。在此基础上，日本日亚公司在1993年率先研制成功输出功率为1mW的InGaN/AlGaN双异质结蓝色发光二极管，稍后该公司又开发出输出功率为5mW的单量子阱蓝色发光二极管。1995年日本名古屋大学采用以蓝宝石和SiC为衬底材料的InGaN/AlGaN双异质结蓝色发光二极管，首次在低温下实现了蓝光受激发射。这些成果的取得为实用化蓝光半导体激光器的发展奠定了基础。,1996年，日本日亚公司终于研制成功能在室温下运行的InGaN多量子阱蓝光半导体激光器。这种半导体激光器以(001)方向C面蓝宝石为衬底，以低温生长的GaN为缓冲层。该激光器的膜层结构比较复杂，共有61层。其中52层是2.5nm厚的量子阱与5nm厚的势垒层交替生长构成的26对量子阱周期有源区,用MOCVD法生长。后来，该公司又在1997年用Si掺杂的InGaN量子阱作为发光层，减小了由电流产生的热效应，提高了器件的寿命。,经过持续不断的努力，日亚公司终于在1998年初制备成功实用化的蓝光（417nm）InGaN多量子阱激光器，输出激光功率50mW,外推室温寿命可达1万小时。目前InGaN多量子阱蓝光激光器已经商品化，由于它是下一代蓝光高密度DVD光盘系统的核心部件之一，故在光信息存储领域将会有很好的应用前景。,3.8 中远红外波段(4-17m)半导体激光器材料半导体激光器材料经历了同质结构材料、异质结构材料、量子阱结构材料和应变量子阱结构材料的发展历程。人们用这些半导体激光材料制成了蓝光、红光、近红外波段和2-3m中红外波段的各种半导体激光器。然而，信息科学技术的发展对材料和器件又提出了新的需求，要求提供工作于5-14m中远红外波段的半导体激光器材料和器件。令人遗憾的是，自然界缺少理想的中远红外波段半导体激光材料。已有的各种半导体激光器，不论是同质结构激光器、异质结构激光器还是量子阱激光器，这类pn结激光器的激射机理都是建立在电子和空穴这两种载流子辐射复合产生光子的基础上，其激射波长取决于半导体材料的带隙。,自上一世纪70年代初起，为了开发合适的中远红外波段半导体激光材料，有人开始尝试突破半导体激光器传统的激射机理，提出了一系列新的概念。其中最著名的是1971年提出的只有一种载流子参加的光助隧穿的新思想、1986年和1988年先后提出的隧穿电子在有源区阱内导带子带跃迁共振发光的思想和用三阱结构实现中远红外发光的建议。在这些思想或建议的启发下，经过多年努力，美国贝尔实验室终于在1994年率先研制成功全世界第一只量子级联激光器。该激光器工作波长为4.3m，采用由分子束外延技术生长的三阱耦合InAlAs/InGaAs/InP材料，这种三阱耦合结构由大约500层超薄外延层构成，最薄的外延层厚度仅为0.8nm。量子级联激光器的激射机理与传统的同质结构、异质结构和量子阱结构半导体激光器的完全不同。传统半导体激光器的激射波长取决于半导体材料的禁带宽度，而量子级联激光器的激射波长与半导体材料的禁带宽度完全无关，它取决于量子阱导带子能级激发态和基态的能量差，这种能量差又由有源层量子阱宽度决定。,早期的三阱耦合InAlAs/InGaAs/InP量子级联激光器的导带结构由25级构成，每一级都由有源层和数字合金层两个部分构成。这25级有源层被夹在作为波导层的两层AlInAs厚层中间，整个材料结构共有500多层。有源层由三个厚度分别为0.8nm、3.5nm和2.8nm的InGaAs耦合量子阱构成，它们之间用厚度分别为3.5nm和3nm的InAlAs势垒隔离(见图 3.4)。数字合金层为n型掺杂半导体，其作用是弛豫来自有源层的电子的能量并为下一级注入电子。整个有源区实际上是一个4能级激光系统。由于从能级n=3到 n=2的跃迁在实空间是斜角的，这种激光器被称为基于斜角跃迁的量子级联激光器。发射波长为4.3m,峰值功率可达几十毫瓦，工作温度约为100K。图 3.4 基于斜角跃迁的量子级联激光器的能带结构示意图,基于斜角跃迁的量子级联激光器存在峰值增益低和阈值电流高的缺点，不能以连续波输出，只能在低温工作。因此，人们又设计制作了基于垂直跃迁的量子级联激光器。其特点是辐射跃迁发生在同一量子阱中，以垂直方式进行。为了阻止电子逃逸，数字合金层的每一对势阱与势垒都需满足Bragg反射条件。有源区由两个相互耦合的厚度分别为4.5nm和3.6nm的GaInAs势阱构成，中间用宽度为2.8nm的AlInAs势垒隔开(见图3.5)。这种结构显著降低了阈值电流，使峰值功率得以大幅度提高。这种激光器采用热阻比AlInAs小得多的InP作为波导层，这种改进使得激光器能以连续波输出。图 3.5 基于垂直跃迁的量子级联激光器的部分导带图,4.4 CCD芯片材料就像CD、DVD那样，CCD也是我们近年来经常能听到的一个新名词。然而，大多数人仅限于知道CCD是一种摄像机，很少有人清楚地了解CCD的确切含义和工作机理。CCD是英文Charge Coupled Device的缩写，中文译名是电荷耦合器件。CCD的基本组成部分是一种金属-绝缘体-半导体(MIS)电容结构（顺便指出，普通平行板电容器是金属-绝缘体-金属（MIM）结构）。若在MIS电容器上施加一个正向电压，MIS电容器金属板（接电源正极）上正电荷分布与普通MIM的相同，半导体（接电源负极）中的自由载流子（数量远远少于金属中的电子）则分布在从绝缘体/半导体界面处半导体的表面开始往半导体内部延伸一定厚度形成的空间电荷区内。该空间电荷区对电场起屏蔽作用，电场由界面至半导体内部逐渐减小，在空间电荷区边界几乎被全部屏蔽。,可见光CCD的基本电容结构中的半导体是硅基材料，绝缘体则是硅的氧化物，故可见光CCD的基本组成部分称为金属-氧化物-硅（MOS）电容。在热平衡状态下，当绝缘体与半导体界面和绝缘体的总有效电荷为正电荷（界面因晶格不连续出现的局域化电子能级会带有一定电荷，绝缘体也可能有电荷存在）时，P型硅的能带结构在绝缘体/半导体界面附近会向下弯曲，弯曲深度即上述空间电荷区（又称为耗尽层）的宽度。如果上述有效正电荷密度更大（例如外加电压），该能带在界面处的弯曲就更大，这会在界面附近的一个薄层内形成一个N型导电的反型层，N型层和半导体内的P型层之间仍为耗尽层，N型层和此时的耗尽层厚度之和，即为外加电压前的耗尽层厚度。,如果对半导体为P型硅的MOS电容施加一个正向电压Vp(即金属接正极，半导体底板接负极)，当Vp刚加到MOS电容器的瞬间，在介电驰豫时间（约10-12秒）内，电极上即会感应生成电荷，这时P型半导体的多子（空穴）能跟得上这个变化，被电场驱向半导体体内，使界面处的半导体表层中留下了数量与被赶走的空穴相等的负的受主离子，而少子（电子）在介电驰豫时间内没有变化。因此半导体在界面附近的弯曲变得很深，在近界面形成了一个强反型层。但由于这时候还没有产生电子，该强反型层实际上是一个电子势阱。而且这是一个非平衡状态。随后，界面和半导体体内都会产生电子-空穴对，其中空穴被电场赶入半导体体内，电子则在电场作用下进入势阱。使该处的能带抬高，最后恢复到热平衡状态。从非平衡的建立至达到热平衡所需的时间（也就是热激发所产生的电子填满势阱所需的时间）称为存储时间T（几秒到几十秒）。CCD主要的工作基础就是非平衡状态。在这个状态下，势阱可用来储留信号，也可以用来使信号电荷从一个势阱转移到相邻的另一个势阱。,CCD主要包括三个部分：(1)信号输入区；(2)信号电荷转移区；(3)信号输出区（见图4.1）。信号输入分两种方式：电注入和光注入。电注入输入区由一个输入二极管和一个或几个输入栅（MOS电容的金属层）构成。该单元通过对输入栅施加适当电压在绝缘体/半导体界面的半导体表面形成作为输入信号通道的耗尽层，图4.1CCD芯片结构示意图输入信号电荷可从输入二极管通过该通道进入信号电荷转移部分。信号电荷转移区由一连串紧密排列的MOS电容器构成，通过对各转移栅（各MOS电容器的金属层）施加大小不同的电压，使转移前方转移栅电极下的势阱深度越来越深，信号电荷就会不断地向前运动。施加在紧靠输入栅的第一个转移栅上的电压高于施加在输入栅上的电压，故第一个转移栅电极下的势阱比输入栅电极下的势阱深，在输入栅下耗尽层的电荷因此即可进入第一个转移栅电极下的势阱，然后沿着转移区越来越深的势阱通道向输出部分转移。信号输出区则由浮置扩散放大器(FDA)和输出栅等组成。来自最后一个转移栅下的电荷，通过输出栅下的势阱通道，到达FDA，FDA能将电荷信号转换成电压信号并放大后输出。,用于摄像的CCD必须采用光注入方式。光注入时输入二极管被光敏元件（例如光电导体、MOS电容器、pn结光电二极管或肖特基势垒光电二极管等）取代。摄像时光照射到光敏元件的光敏面上，光敏材料（参见4.3节 光学传感材料）吸收光子后产生电子-空穴对。多子（空穴）被驱出耗尽区后，通过衬底接地而消失，少子（电子）则被势阱收集成为信号电荷。实际的CCD摄像器件的光敏区都是由光敏元面阵构成的。,按光谱分类，CCD可分为可见光CCD、红外CCD、X射线CCD和紫外光CCD等。可见光CCD还可细分为黑白CCD、彩色CCD和微光CCD三类。彩色CCD摄像机按照所用CCD的片数分为三片式、二片式和单片式三种。根据CCD片数的多少，采用分光系统和滤色膜将所摄景物照射到CCD上。微光（夜视）CCD则是在微光摄影系统的物镜与目镜之间放置增强型CCD（ICCD）或时间延迟积分型CDD(TDI CCD)。ICCD有两种工作方式，一种是采用GaAs等III-V族半导体材料构成的光电阴极增强信号，然后用光导纤维束锥将增强信号耦合到CCD的光敏面上；另一种是将CCD摄像器件集成到摄像管的真空中作为摄像器的阳极，当入射光子被打到光电阴极上后变成光电子，光电子被加速并聚焦在面阵CCD芯片上。TDI CCD则适于在低温下工作，它利用增加光积分时间来提高信号的载噪比。红外CCD则是用前一节所述的红外焦平面阵列(IRFPA)取代可见光CCD的光敏元部分后构成的。X射线CCD有两种，一种是直接用微光CCD摄取软X射线目标图像；另一种采用带隔离层的碘化铯晶体高效转换材料，因为碘化铯晶体几乎能把照射到的X射线全部吸收并转换成可见光。紫外CCD的研究进展较慢，主要原因是紫外辐射会与半导体工艺使用的一些材料发生相互作用（例如仅几十纳米厚的SiO2就会强烈吸收紫外辐射等）。目前主要采取用波长转换材料将紫外辐射转换成较长波长荧光的方法等来解决这一问题。这类波长转换材料主要有六苯并苯、水杨酸钠和红宝石等。,由此可知，CCD实际上是一种三层结构的半导体芯片，其基本结构单元是MOS电容。CCD的衬底材料是P型硅半导体材料，衬底上面是一层二氧化硅绝缘层，这可用集成电路的平面工艺制作。二氧化硅上面是一层金属层，然后可用光刻工艺把金属层加工成各种栅(如输入栅、转移栅和输出栅等)。信号电荷是通过二氧化硅/P型硅界面处P型硅表面的势阱通道输入、转移和输出的。,5.1 半导体存储器材料 半导体存储器按器件制造工艺可分为双极型存储器和MOS型存储器两大类。双极型存储器速度快但功耗大、集成度小，只用于速度要求非常快、容量小的场合。MOS型存储器除速度较慢之外，在功耗、集成度、成本等方面都优于双极型存储器，故市场上绝大多数半导体存储器都是MOS型存储器。若按照功能分类，半导体存储器可分为随机存取存储器（RAM）、只读存储器(ROM)和顺序存取存储器(SAM)。其中RAM和ROM是半导体存储器的主流。,(3)可改写只读存储器(EPROM)可改写只读存储器(EPROM)允许用户多次改写或擦除已存储的信息，主要分为紫外光改写的只读存储器（UVEPROM）（见图5.1）和电可改写只读存储器（E2PROM）两种（见图5.2）。图5.1UVEPROM存储单元结构 UVEPROM的存储单元是一个浮栅雪崩注入MOS管，其浮置栅和控制栅被包围在SiO2栅氧化层中，其中浮置栅离P型衬底非常近（约100nm）。写入时在漏极上加高压脉冲使漏结产生雪崩效应从而产生高能电子，部分能量大的电子会穿过薄SiO2层注入浮置栅，使浮置栅积累负电荷。由于浮置栅没有放电回路，即使撤去高压脉冲，负电荷仍会长期保留在浮栅上，导致管子的开启电压升高。若控制栅被加上高电平，浮栅上有无电荷就会造成管子的不导通和导通两种状态，相当于存入“0”或“1”。UVEPROM就是利用这一原理实现编程的。,擦除信息的操作实际上就是释放浮栅上的电荷。由于没有放电回路，电荷无法穿越SiO2层。为此，UVEPROM外壳表面设置了一个石英窗口，擦除信息时用强紫外光通过石英窗口照射存储芯片一段时间，使浮栅上的电子获得足够的能量穿越SiO2层而逃逸。UVEPROM的缺点是擦除存储芯片上已存储信息的操作只能整片进行。,E2PROM存储单元的晶体管结构与UVEPROM的相似，不同之处在于E2PROM的MOS管的浮栅和漏极之间的氧化层非常薄，相当于一个供电子穿越的隧道。图5.2E2PROM存储单元结构写入时在控制栅上加上足够高的正电压，漏极接地，电子穿越隧道给浮栅充电；擦除时将控制栅接地，漏极加上适当高的正电压，从浮栅上吸出注入的电子。由于E2PROM可按字节用电来擦除或改写，故E2PROM的使用比 UVEPROM方便。,l(4)闪烁只读存储器(Flash ROM)Flash ROM是在EPROM基础上发展起来的一种新型电可改写只读存储器。其存储单元由一个双层多晶浮栅MOS晶体管构成。该晶体管以P+型半导体为衬底，以两个N+区分别为源和漏，源与衬底之间为隧道氧化物N-,漏与衬底之间为P-型半导体。包围于SiO2层中的浮栅有两个，其中靠近衬底的一个浮栅无引出线与外界相连。另一个浮栅靠一根引出线与控制栅相连。该晶体管的特别之处是，作为隧道氧化层的第一层栅介质非常薄，厚度仅10-20nm(见图5.3)。图5.3Flash ROM存储单元结构,5.2 磁存储材料 磁存储材料是指利用矩形磁滞回线或磁矩的变化来存储信息的一类磁性材料。物质在磁场H的感应下会被磁化，形成磁偶极子即磁矩。单位体积中的磁矩M被称为磁化强度。磁性材料（特指铁磁性材料，又称强磁性材料）的特点是对外加磁场特别敏感、磁化强度M大。磁性材料的M和磁场H的关系很复杂，只能用磁化曲线和磁滞回线来描述（见图5.4）。图5.4 磁性材料的磁化曲线磁滞回线,图5.4 所示是磁性材料的磁滞回线。把一块未磁化的磁性材料置于磁场H中，若从零开始慢慢增大磁场，即可观察到磁化强度M随OAB曲线变化，最后在B点达到饱和。继续增大磁场，M不再增大。OAB曲线称为初始磁化曲线。此时若减小磁场，M并不沿初始磁化曲线原路返回，而是沿BCD曲线变化，当磁场H为零时，M不等于零，而是等于Mr,Mr称为剩余磁化强度。继续减小磁场至D点时，磁场变为-Hc，这时M才重新回到零。Hc值称为磁性材料的矫顽力。此时若继续增加反向磁场，M值就会在负方向上迅速增大，然后在E点再次达到饱和。若从这种负饱和状态开始，再次向正方向增大磁场，这时磁化曲线将沿着新路径EFGB变化。由图5.4可见，EFGB曲线以原点O为对称点与BCDF曲线呈现对称形式。由这两条区线闭合而成的回线，称为磁滞回线。,图5.4 磁性材料的磁化曲线磁滞回线,磁存储技术就是利用磁滞回线的两个剩磁状态+Mr和-Mr来记忆二进制数字信号“0”和“1”的。磁存储密度D与磁存储材料的关系为 D=(Hc/Mr m)/h（5-1）式中，h是磁性薄膜的厚度，Hc是矫顽力，Mr是剩余磁化强度，m是和磁滞回线的矩形度有关的因子。因此，若要提高磁存储密度，介质的Hc/Mr比和介质磁滞回线的矩形比要大，介质的厚度要薄。由于记录信号强度正比于剩余磁化强度Mr,因此，为提高Hc/Mr比，介质的矫顽力应当要大。根据磁化方向与存储介质的运动方向是平行还是垂直，可把磁记录方式分为平面磁记录和垂直磁记录两种。目前计算机外存中使用的绝大多数硬、软磁盘和磁带都是采用平面磁记录方式。在平面磁记录方式中，为提高记录信号的稳定性，磁记录介质的矫顽力必须大于纵向退磁场。纵向退磁场取决于退磁因子和磁化强度。因此要求平面磁记录介质的矫顽力大、退磁因子小。,事实上平面磁记录介质从早期的氧化物磁粉（-Fe2O3、CrO2、用Co 包裹的-Fe2O3）经由金属合金磁粉（Fe-Co-Ni等）发展到金属薄膜（CoCrPt、CoNiCr或CoCrTa等）的过程就是一个不断提高矫顽力和剩余磁化强度的过程。在这一发展过程中，人们意识到，为了实现高密度平面磁记录，磁存储介质的晶粒尺寸要小、晶粒各向异性要大、晶粒间的相互交换作用要弱，而薄膜化是实现这些目标的行之有效的方法。,垂直磁记录方式的优点是，磁记录膜层的矫顽力不用很高，厚度也无需做得很薄，原因是垂直磁记录时退磁场强度会随厚度的增加而减小。正是由于垂直磁记录膜允许做得稍厚，其热稳定性也就较好。垂直磁记录方式中，磁化方向垂直于磁记录材料的膜面，因此材料的易磁化轴也必须垂直于膜面。要做到这一点，材料的单轴各向异性常数Ku必须大于等于2Ms2。满足这个要求的材料主要是Co-Cr合金，在Co-Cr合金中添加Ta则能够有效地抑制Co-Cr合金的晶粒长大并改善矩形比，同时还能抑制平面磁化的矫顽力。,5.3 无机光盘存储材料光盘存储技术是从70年代初期开始发展起来的一种新型信息存储技术。1972年荷兰飞利浦公司率先提出了一种利用激光束读取信息的新型存储媒体，这种新型存储媒体就是后来音乐爱好者所熟悉的称为激光反射式视盘（LD）,也是最早出现的一种光盘类型，其盘径为300mm。LD与后来相继出现的所有光盘的最大区别是，LD所录的信息是模拟信号，而后来出现的所有其它光盘所录的信息都是数字信号。由于激光束能被聚焦成直径仅0.9m的光斑，故LD的信息存储密度比以往的密纹唱片已高出许多（密纹唱片的纹槽密度是6-12条/mm，LD的纹槽密度是600条/mm,）。1982年，随着数据压缩技术水平的提高，荷兰飞利浦公司和日本索尼联合推出了又一种称为缩微光盘(CD)的数字化新型光盘，从而开创了激光数字光盘的新纪元。随后，各种CD系列光盘如雨后春笋般地相继问世，形成了一个庞大的CD家族。,CD家族光盘以红外半导体激光器作为光源，聚焦物镜的数值孔径为0.45。光盘直径一般为120mm,一般都采用聚碳酸树脂为盘基材料,盘基厚度为1.2mm。CD家族光盘的单面存储容量为650Mb,按照读、写、擦等功能分类，可分为三大类:只读式光盘一次写入光盘(CD-R)可擦重写光盘只读式光盘又可分为音频CD光盘(CD-A)、视频CD光盘(VCD)、CD-ROM光盘、桥光盘（Bridge Disc）和照片光盘(Photo-CD)可擦重写光盘则可分为CD-RW、CD-MO光盘等。另外，直径为130mm的磁光盘(MO)和相变光盘(PC)、直径为2.5英寸的小型磁光盘(MD),因所用激光光源与普通CD光盘的相同，也可归入CD家族。聚焦光斑的尺寸大小与激光的波长 成正比，与聚焦物镜的数值孔径 NA成反比。即激光波长 越短，数值孔径 NA越大，聚焦光斑的尺寸就越小，光盘的存储密度也就越高。因此，在远场光存储的范围，缩短激光波长和增大物镜数值孔径一直是光盘不断向高密度存储发展的主要方法。,随着红光半导体激光器(=650nm)的商品化和数字压缩技术、编码技术的提高，上一世纪90年代后期又出现了单面存储容量约为CD家族光盘7倍的DVD家族光盘(图5.5)。图5.5只读式CD和DVD表面凹坑结构示意图,DVD光盘使用的聚焦物镜的数值孔径已增大到0.60。其标准直径与CD光盘的相同，也是120mm。其厚度也是1.2mm,但DVD是用两块厚度为0.6mm的盘基粘合而成的。与CD家族类似，DVD家族光盘也可按照读、写、擦功能分为只读式DVD光盘、一次写入DVD光盘（DVD-R）和可擦重写DVD光盘。其中只读式DVD光盘又可分为音频DVD光盘（DVD-Audio）、视频DVD光盘（DVD-Vedio）、DVD-ROM等。可擦重写DVD光盘则可分为DVD-RAM、DVD-RW和DVD+RW等。目前正在或即将商品化的更高存储密度的光盘是以GaN蓝光半导体激光器(=400nm)为光源的高密度DVD光盘(单面单层容量约为25GB),聚焦物镜的数值孔径为0.82左右。高