半导体光电子器件.ppt

1,半导体光电子器件,1409-91、11、12、班-2012.03-06-,2,“Complete Guide to Semiconductor Device”指出：半导体器件有67种，110余变种。,概 述,3,4,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,6,Ch1 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,7,1-1 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,?,10,正 偏：,反 偏：,11,费米能级,12,载流子输运过程,13,I-V特性,Ln,Lp,?,?,14,势垒电容物理机制,偏压上升：变窄,偏压下降：变宽,15,扩散电容物理机制,16,1-2 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基本类型与特性,17,MIS基本结构及属性,18,(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,dVG/dt,p,p,p,20,VGVT,p-Si,MOSFET结构、原理及类型,结构及类型?,21,1-3 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 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,26,1-4 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,or,缓变异性异质结,29,3、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 S,xp 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。,30,3）接触电位差-D 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!,31,4）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：,32,5）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)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,34,2、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。,38,IVB,#异质结基本应用A1.限制BJT频率特性因素,？,39,A2.解决途径HBT(异质结双极晶体管),40,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。,异质结超晶格,掺杂超晶格,41,42,3、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,43,1、量子阱载流子能量量子化,近似,1）单量子阱中电子状态-遵循薛定谔方程,44,二维电子气（2DEG）二维空穴气（2DEG）,45,0,L,46,47,2）单量子阱中电子状态密度,48,2、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。,49,2）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。,50,3、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,51,#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(z+nL)，L=b+c，n为正整数,势阱内设,有薛定谔方程,势垒外设,有薛定谔方程,52,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。,53,联解,决定电子能量的超越方程,54,对于给定的b、c、V0、m*，可得到F(Ez)所满足的条件，即：,F(Ez)coskL,Ez/V0,根据上突即可求出允带内Ez-kz关系曲线：,微布里渊区,#布里渊区变成了正常晶体的L/a倍个。,55,#四、二维电子气（2DEG）与二维空穴气2DHG）应用,2DEG-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。,GaAs MESFET：电子迁移率从90002/Vs 下降到20003000cm2/Vs。AlxGa1-xAs/GaAs 量子阱：电子迁移率可做到9200cm2/Vs。,1、2DEG,56,2、2DHG,57,应用？,58,量子阱超晶格量子线量子点能级量子化态密度2DEG2DHG禁带可调,概 念,特 征,应 用,59,1.5 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,60,1.5 半导体光吸收与光辐射,一、折射率与吸收系数 1、折射率：光在半导体中传播服从Maxwell方程,0、0 真空 介电常数与磁导率；r媒质相对介电常数,61,设:沿z方向传播的平面波电场在y方向偏振 则：波动方程(5)变为,速度,62,2、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,63,结论：1.光波在 介质中以速度c/N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。,2.折射率 N=n-jK，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。3.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。4.光子在距表面 1/处基本吸收。,载流子密度高，折射率大,64,二、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,65,1、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：,66,1)、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。,67,2)、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：,68,2、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。,69,3、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),70,4、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：5.晶格吸收 光子能量直接转换成晶格振动动能。6.子带吸收 量子阱、超晶格子带间跃迁,71,#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-,72,三、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。,1、辐射跃迁过程 1)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。,73,1、辐射跃迁过程,2).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。,74,#半导体的光辐射,辐射跃迁机制 1).本征跃迁 2).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,75,折射率与吸收系数 光波在 0 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(-Kz/c)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(0)exp(-x)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 1)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。2).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。,76,2、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：E-太阳电池、光电探测器 工作原理基础。,77,a.光的自发辐射,自发发射(辐射)速率 r21(sp)：单位时间、单位体积内E2能级跃迁到E1能级的电子数。与电子占据E2能级几率f(E2)、未占据E1能级几率1-f(E1)成正比。,78,受激发射(辐射)速率r21(st)：单位时间、单位体积在能量为hv=E2-E1光子作用下，E2能级跃迁到 E1能级电子数。与电子占据E2能级几率f(E2)、未占据E1能级几率1-f(E1)、光子流(光子密度)密度正比。,b.光的受激辐射,79,c.光的受激吸收,受激吸收速率r21(st)：单位时间、单位体积内E1能级上电子在能量为hv=E2-E1光子作 用下，跃迁到E2能级电子数。与电子占据E1能级几率f(E1)、未占据E2能级几率1-f(E2)、光子 流(光子密度)密度正比。,80,3、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：,A21自发发射系数；B21-受激发射系数；B12-受激吸收系数。,81,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,82,#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？,83,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,84,84,Ch2 太阳电池Solar Cells,(8105kW/S)(2.510-5)5%=目前世界总能耗,太阳能,利用率,转换效率,85,绪预期：2020年可与火力发电竞争应用：卫星 24m2/只，重量28%原理：光生伏特效应（1839）Si电池：Bell,1954,6%GaAs基电池：1956，:1113%（同质结）1972，:1519%（异质结）（p-GaAsAl/GaAs）方向：多结，量子结构,86,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（1.495108km）:1.353kW/m2AM0 垂直海平面(一个大气质量辐射):0.925kW/m2AM1与垂直方向有入射角时，定义：,AM0/AM1/AM2太阳光谱与功率谱,87,87,一、太阳电池基本结构,or n,or p,88,88,二、光生伏特效应 hEg a.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。,89,原 理 hEg 1、扩散区、势垒区、中性区-吸收光子产生电子-空穴对；开路时：2、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-3、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；4、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,？,90,#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）：1、Si：间接带隙，吸收系数低 n（顶层）/p（底层）结（电子扩散长度大）2、GaAs：直接带隙，吸收系数高 浅结（0.1）-n/p结（电子扩散长度大）深结-p/n结（光生载流子主要在顶层）3、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；n/p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.,91,三、等效电路,理想等效电路,6,92,三、等效电路,6,非理想等效电路,光生电流 IL=C,二极管电流,输出电流,93,四、I-V特性（理想）,2.开路I-V方程,3.有负载时I-V方程,1.光生电流,光子流密度及理想光电流与带隙关系,94,94,4.I-V特性曲线（理想）,95,95,2.短路电流-Isc,1.开路电压-Voc,五、特性参数(理想),短路时有无载流子积累？,？,？,96,96,3.转换效率,Pom=V omI om(最大输出功率)Pin:入射太阳光的功率,由,因为：,有,式中,97,过程,98,由图可见，效率与表述输出功率的面积有关定义:填充因子（Fill Factor）：从IscVoc中取得的功率比率，即,FF一般为0.70.9,AM0/AM1.5单位太阳光子能量光子流密度,AM0/AM1/AM2太阳光谱与功率谱,#,99,99,入射光子数/cm2.s,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),100,七、影响转换效率主要因素 1、Eg,300K1个与1000个太阳时理想效率与带隙关系 最佳Eg:1.41.6eV,2、T,3、复合-扩散区内、外，缺陷4、高能粒子辐射,5、h Eg 转变为热能 6、表面反射,(1.41.6eV),101,7、寄生电阻影响(非理想I-V方程),寄生电阻影响大,RS,V,RS=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。,103,103,九、常规pn结太阳电池不足,太阳电池关键参数效率1.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。2.串联电阻大 低的表面区掺杂接触电阻高。3.表面反射 表面反射降低光吸收。Si表面反射系数 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 4.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。5.低能光子不被吸收,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6.MIS结构7.结联结构8.量子阱结构9.集光-,n,p,105,十一、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,106,3、量子阱电池 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。,增加光谱吸收范围提高量子效率,615nm,5nm,I-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。,109,Ch3 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,114,5、响应时间（响应速度）,115,6、探测器噪声参数,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。,116,2）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（1kHz）光子噪声光子随机起伏,117,#噪声频谱特性,#,118,3）等效噪声功率-NEP Ip(输出光信号电流)=4）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,119,三、光电导体(光电导),1、器件物理 半导体材料吸收光子能量 产生电子 空穴对(hEg)；杂质电离产生电子或空穴(hEg；hEA)。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)。2、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。,120,3、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：,7,121,4、光电流,f(x)?,122,f(x)?,提高Ip措施,p0,总光电流强度,123,5、光电流灵敏度,本质反映增益性质,124,6、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：,125,7、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。,126,1）小注入,127,2）大注入,复合概率,128,8、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,PbSnTe,PbS光谱特性,129,9、增益带宽积,130,9、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,131,#产生-复合噪声：,信噪比：,132,关键参数-增益增益主要措施-提高寿命 方法？,10、n-i-p-i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,133,光电导工作物理机制；增益物理机制。,134,四、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。,135,（一）、(常规)光电二极管(同质结),1.基本结构 pn结 2.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,136,3.等效电路（理想等效电路）,3、负载,光生电流 IL=C,二极管,输出电流 I=IR+IL,？,原理与太阳电池？,太阳电池,137,3.等效电路（非理想）,直流,交流,Rsh,RS,RL,8,138,4.I-V特性（直流）,光生电流与pn结电流叠加,139,5.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G2、G3、S，则有G1，即RL;or 给定RL和光功率，从手册可查出G2、G3、S，则有工作电压.,140,6.输出电压幅度,光强由Pn增强到Pi，输出电压幅度：V=Vmax-Vmin(V)因为 G1(V-Vmax)=G3Vmax+SPn G1(V-V)=G3V+SPi有 Vmax=(G1V-SPn)/(G3+G1)V=(G1V-SPi)/(G3+G1)所以 V=Vmax-Vmin(V)=S(Pi-Pn)/(G1+G3)=S(Pi-Pn)/(G1+G3),与光强和灵敏度正比,141,7.输出电流幅度,I=IM I n=VG1=G1S(Pi Pn)/(G1+G3),8.输出功率,Po=IV=GLS(Pi Pn)/(G1+G3)S(Pi Pn)/(G1+G3)=G1S(Pi Pn)/(G1+G3)2,与光强和灵敏度正比,142,阻容耦合,9.交流特性,设输入光信号 P=P0+Pm sint 输出交流电流、电压振幅分别为Im与Vm,V,1)负载Zin功率,143,2)Zin最佳负载功率,144,10.截止频率,设输入光信号 P=P0+Pm sint 输出交流电流 I=im sint,影响因素：扩散时间(扩散区)10-9S 漂移时间(势垒区)10-11S 结电容延迟时间10-9S,145,11.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。,146,信噪比,输入光信号 P=Pout1+m exp(j t),147,12.量子效率,13.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；-,148,（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：1、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；2、波长选择；3、暗电流小。,149,（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：1、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；2、电容小速度高。,#如果采用金属-本征-n+(或p+)器 件性能会如何？,150,#金属-本征-半导体,势垒区宽效率高；响应速度快。,+,E,-,151,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。,152,（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？！,153,（A）pin二级管基本结构与特性,1.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：pp-n-pn;pn-n-pn图(a)-结构斯示意图(c)-杂质分布。,154,2.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,pp-n-pn:负电荷在p区侧和p-，正电荷在n区侧,pn-n-pn:负电荷在p区侧，正电荷在n区侧和n-,电荷分布,电场分布p i npp-npn-n,155,3.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：,m-临界击穿电场,少数载流子寿命,(IR If),Q0,常规,9,156,（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。,157,1.光生电流,1)势垒区,量子效率,158,2)扩散区,加！,159,#中性区,p,n,X,H,0,因pin结构希望光生电流在本征区，所以讨论效率略该区,160,3)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）,162,163,？,提高和f 希望光子在本征区吸收,164,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,166,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。,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。,168,1.基本结构示意图,(六)雪崩光电二极管(APD),金-半结,169,2.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,170,3.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100左右,雪崩击穿电压,M=C?,171,4.雪崩噪声,1）信噪比,172,173,2）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,p n,n p,174,3）最大信噪比,175,(七)光电晶体管,1、双极型光电晶体管,异质结晶体管？,增益近似为12,10-11,176,IVB,#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),178,2、单极型光电晶体管,1.JFET or MESFET,2.MOSFET,VTn=VFB+(40sq NAVF)1/2/Cox+2VFB,VTp=VFB(40sq NDVF)1/2/Cox 2VFB,Ga0.072eV；In0.16eV,179,（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,1、双结光电二极管,180,2、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,181,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。,182,Ch4 电荷耦合器件-Charge Coupled Devices-CCD-,183,1970年作为移位寄存器提出;同年形成线阵扫描系统；1972形成面阵扫描系统。可作为图像传感器件、电荷转移器件。,184,#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th为100-102s。,深耗尽状态表面势高,185,热弛豫时间th,设：初始深耗尽层宽度为xd0，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th为100-102s。由此可见，反型层的建立并不是一个很快的过程。,186,CCD基本功能,处理线阵列或面阵列光信号、电信号,CCD概述,187,一、基本结构,一定规则排列的MOS结构阵列，包含：,188,二、基本工作原理,1.MOS表面处深耗尽状态：|S|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。,189,190,3.信号电荷转移,t,10V?2V?,表面反型状态,12,191,三、线阵信号电荷读出,2.线阵信号电荷转移与储存,192,3.线阵信号电荷输出-电流输出,193,四、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,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？,195,2.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,频率下限,限制因素：1、电荷转移时间 2、深耗尽热弛豫时间,196,六、二相CCD 结构,197,七、CMOS图像传感器,198,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。,199,Ch5 半导体发光二极管-Light Emitting Diode-LED-,200,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:1050nm；Laser:0.010.1nm LED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。,201,可能的辐射复合,一、辐射复合与非辐射复合过程,1.辐射复合,a.本征复合h Egb.高能复合h Eg,a,b,#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,f,j,d,e,c.导带受主d.施主价带e.施主受主,(3)深能级杂质复合,c,h,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。,203,2.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 晶格振动能。（2