半导体器件物理 负阻器件、功率器件、光电器件课件.ppt

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1、1,半导体器件物理Physics of Semiconductor DevicesS.M.SZE（周一：5、6；周三：1、2）,2,三部分内容负阻器件；功率器件；光电子器件 CH8 隧道器件CH9 碰撞电离雪崩渡越时间二极管CH10 转移电子器件和(实空间转移器件)CH11 晶闸管和功率器件CH12 发光二极管和半导体激光器CH13 光电探测器和太阳电池,3,负阻器件,隧穿机制(隧穿条件)1、隧道二极管2、反向二极管3、MIS开关二极管4、共振隧穿二极管,渡越时间机制(注入角与延迟角)1、IMPATT二极管2、BARITT二极管,电子空间转移机制(非平衡电荷)1、转移电子器件（TED）2、实空

2、间转移器件（RST）,2,3,4,1,负阻产生机制1、隧穿机制2、渡越时间机制3、电子空间转移机制,几率与因素隧穿条件,条件,条件,4,功率器件,晶闸管1、二端晶闸管2、三端晶闸管3、门极可关断晶闸管(GTO)4、双向常规晶闸管5、双向门极可关断晶闸管6、光控晶闸管,其它功率器件1、VDMOSFET2、IGBT,1,2,等效电路正/负反馈,5,6,基本结构及结构条件,基本特性及工作条件,工作机制与机理,重点掌握,1,2,3,基本物理概念(结构、机制、机理),载流子(光子)输运的基本物理过程,载流子(光子)输运的基本物理图像,重点理解,1,2,3,7,CH8 隧道器件-Tunnel Device

3、s,Tunnel DiodeBackword Diode MIS Tunnel Diode MIM Tunnel Diode Tunneling HOT Electron Transistor MIS Switch Diode Resonant Tunnel Diode,8,优 势1、多数载流子器件；2、隧穿时间极短，工作频率极高；3、有微分负阻，可用于振荡电路；4、隧穿器件集成有望实现高速低功耗。,9,一、隧道(江崎)二极管-Tunnel Diode （江崎1958年博士论文期间发现，1973获诺贝尔奖）,2、基本结构 -简并pn结； qVp、qVn 几个kT/q ； xm10nm,10,3

4、、I-V特性基本机理分析隧穿效应,11,4、隧穿必要条件,1）电子隧出一侧存在电子占据态；2）电子隧入一侧相同能级存在 未被电子占据态；3）隧道势垒高度足够低，宽度足够窄；4）隧穿过程能量、动量守恒。,5、隧穿E-k关系,直接带隙能量、动量守恒,间接带隙能量守恒动量守恒声子参与,声子与初始电子能量之和等于隧穿后能量,E1,E2,Ge,12,12,6、隧穿几率,未考虑间接隧穿；未考虑垂直动量。,电流？,13,平衡态：,加偏压：,E1,14,当偏压使电子态分布的峰值与空穴分布的峰值对应同一能量时的偏压为峰值电流的电压,电子浓度分布,空穴浓度分布,*,15,2）过剩电流,隧穿路径： CAD CBD

5、CABD CD电子需隧穿的能量BD（势垒高度）： EXEg+q(Vn + Vp ) qV = q(Vbi-V),Dx: B点占据态密度,16,3）pn结扩散电流,电流-电压特性,17,17,8、器件等效电路,18,9、频率特性及应用 -工作条件,输入阻抗：,工作频率,此时有负阻和电抗,此时为负阻和容抗,寄生电阻与电感要做小,19,开关速度,取决于充放电时常数-RC 希望隧穿电流大表征参数：速度指数(品质因子)Ip/Cj(VV),速度指数与耗尽层宽度及峰值电流关系示意图,20,基本结构 工作机制 工作机理输运过程 物理图像思考题 若系弱简并pn结，I-V特性曲线如何？ 若由强逐渐过渡弱简并，I-

6、V特性规律 如何？,21,二、反向二极管（ Backword Diode ）,I,V,弱简并,更弱简并,机理？,峰值电流小,峰值电流小,机理？,22,结构简并pn结；隧穿条件；峰值电流简并度；电流成份隧穿电流，过剩电流，热电流,23,作 业1、依据隧道二极管I-V特性曲线，叙述其基本结构条件、工作机制与机理，以及其振荡及负阻工作条件；2、依据反向二极管I-V特性曲线，叙述其基本结构条件、工作机制与机理。3、试画出pn结由简并到弱简并，再到非简并条件下I-V特性曲线示意图（p区、n区同）。,24,三、MIS隧道二极管（ MIS Tunnel Diode ）,1、基本结构,2、基本原理,25,四、

7、MIM隧道二极管（ MIM Tunnel Diode ）,1、基本结构,2、基本原理,26,五、隧穿热电子晶体管 （ Tunneling HOT Electron Transistor ）,优点：潜在增益大、速度高、电流大,2、基本原理,隧穿热电子转移放大器(THETA),27,六、MIS开关二极管（ MIS Switch Diode -MISS）,1、基本结构及特性,优点：开关速度高 1ns应用：数字逻辑 移位寄存器 存储器 振荡电路 缺点：栅氧一致性差,28,2、工作机制与机理,1) 正栅压:VAK 0,n结反偏；半导体表面堆积；电流为pn结耗尽层产生流、反向扩散流的隧穿,直至击穿。,VA

8、K 0,n结接触电势差,只有pn结耗尽层能提供电子,29,2) 负栅压:VAK 0,2、工作机制与机理,a.|V|VS|： pn结正偏; n型表面深耗尽; 电流主要是表面耗尽层产生流,b.|V|=|VS|：表面深耗尽层与pn结耗尽层穿通,正偏pn结耗尽层宽度,表面势,|V|VS|,|V|=|VS|,空穴在表面积累,表面趋反型,介质层压降上升表面势下降,隧穿几率提高隧道电流激增,产生负阻,Vh=Vox+S+Vf 1.5V,表面势继续下降介质压降再上升,动态平衡,只有表面耗尽层提供空穴,30,30,3、其它导通机理-半导体表面积累空穴,a. 深耗尽区雪崩击穿（穿通前）b. 光生载流子（深耗尽状态）

9、c. 表面注入（深耗尽状态）d. VSVAK =C,|V|=|VS|,31,穿通；积累；表面势；隧穿几率,32,32,七、共振隧穿二极管（ Resonant Tunnel Diode ） 量子隧穿产生负阻,1、基本结构,2、基本特性,应用： 振荡器 1THz; 多值逻辑； 存储器；-,3、工作机制-隧穿效应,33,4、工作机理量子化效应,1) 势阱内载流子能量量子化（z方向）,势阱中电子遵循薛定谔方程:,V与x、y无关,34,分离变量法求解：,x、y方向能量连续- 2DEG（2DHG）,导带能量量子化,价带类似,35,价带有类似结果,36,2) 工作机制与机理-隧穿,低温下，发射区EC与En对

10、齐电流最大；考虑散射，En在发射区Ef以下形成隧穿电流；En位于Ef 与EC之间时有最大电流。,EF低于E1不会隧穿,37,3) 工作条件-隧穿能量与动量守恒,动量：隧穿方向动量 横向动量,能量：,隧穿方向动量,横向动量Exy,隧穿：能量守恒EE(发射区)= Ew (阱区) 横向动量守恒,EnEF 隧穿几率极低,EF EC有隧穿,En EC隧穿几率极低,En位于Ef 与EC之间时有最大电流,V,发射区,阱区,k kw,38,原因：散射，声子辅助隧穿，热电子发射，等。,4) 隧穿几率 设：发射区、收集区与阱隧穿几率分别为TE、TC 当入射载流子能量与势阱内以量子化能级匹配时，隧穿几率,当入射载流

11、子能量与势阱内以量子化能级不匹配时，隧穿几率:,对称势垒,TE=TC,39,5、共振隧穿电流,Vp2(En-EC)/q(近似用En=EC表征),EC,EC,EC,Vp=?,40,量子化；隧穿；能量动量守恒,41,作业：1、试简要叙述隧穿二极管、反向二极管、MIS开关二极管、共振隧穿二极管的工作机制及其I-V特性形成机理；2、试证明,如果电流注入漂移区存在时间延迟，那么在载流子渡越漂移区时间满足一定条件即可产生负阻效应。,42,42,CH 9 IMPATT和相关渡越时间二极管,Impact Ionization Avalanche Transit Time Diode and Related T

12、ransit Time Diode,一、IMPATT(碰撞电离雪崩渡越时间)二极管二、BARITT(势垒注入渡越时间)二极管三、TUNNETT (隧道渡越时间)二极管 （另一类机理负阻器件）,43,43,#、注入时间延迟和渡越时间效应,漂移区电流：传导电流与位移电流,44,44,x,45,结论：1、注入相位角=0，无负阻；2、注入相位角0，满足一定条件产生负阻。 如： =时， 2 有负阻，且=有最大负阻； =/2时，= 3/2有最大负阻。 故 传导电流注入漂移区的延迟即可产生负阻,46,产生负阻机制：注入延迟+渡越延迟电流与电压反向负阻pn结二极管皆可，不同在于注入延迟的方式,47,47,一、

13、IMPATT二极管（延迟注入方法-雪崩）利用pn结雪崩击穿区载流子注入漂移区(低场势垒区)时的延迟 +渡越漂移区的延迟形成负阻的器件,条件：漂移区宽度满足渡越时间要求,1、基本结构 雪崩区与漂移区（低场势垒区）组成,P+,i,n+,n-,n,雪崩区,漂移区,雪崩区,48,2、基本特性（反偏工作）及机理,微波固态源，30GHz300GHz连续波输出,电流下降时间,49,3、IMPATT小信号分析(负阻机理、条件及特性) （雪崩区阻抗+漂移区阻抗）,x,50,50,雪崩区,1）雪崩区特性-雪崩区传导与位移电流,雪崩区总电流,交直流电流和阻抗：,-电离系数，取 = n= p,x,51,51,x,+,

14、52,雪崩区交流电压,交流传导电流电感性，滞后90度,雪崩区交流电压,交流位移电流电容性，超前90度,分子、分母同除xA,53,雪崩区电流特性：,54,54,2）漂移区特性（电流和阻抗） 漂移区传导电流 漂移区位移电流,55,55,3）二极管总阻抗, r负阻,近似,56,4、大信号负阻特性分析,雪崩区产生的电子波包在漂移区 移动感生外电流。 外电流密度 雪崩区产生的电子波包密度:Qava ； 阳极感生电荷密度：QA(t) 雪崩区注入漂区的电流迟后180，始终有负阻； 漂移区渡越角180负阻最大。 最佳工作频率-周期为二倍渡越时间,57,IMPATT二极管振荡器原理电路,电流源偏置电路,电压源偏

15、置电路,外端谐振器谐振频率与IMPATT相同；直流偏置时的正反馈，可在IMPATT二端形成满足要求的 电流、交流电压信号和稳定的交流输出波形；输出电流脉冲的结束时间由渡越延迟决定。,RL,RL,58,功率-频率限制 最大电流,最大功率,功率-频率积,功率-频率限制,高斯定理,高斯定理,59, IMPATT效率限制,漂移区直流电压,调制因子,漂移区交流 电压幅值,雪崩区直流电压,60,雪崩区产生电荷滞后；漂移区渡越时间,61,61,二、BARITT二极管(势垒注入渡越时间二极管) (Barrier Injection Transit Time Diode) 利用pn结或金半结少子注入延迟和渡越漂

16、移区延迟形成负阻,工作电压： VFB V VRT,62,62,2、基本特性,3、基本机理 1）偏置于穿通与平带之间 2）耗尽层穿通； 3）正偏结少子注入延迟； 4）注入少子渡越漂移区延迟。,63,4、穿通电压与平带电压,64,5、电流输运 （VFB V VRT）,65,6、小信号负阻(VRTVVFB),b) 漂移区渡越时间（弱场区+强场区）,a) 弱场区,1) 渡越时间,略xR代入,66,2) 交流电流(pn结),单位面积注入电导,67,67,3) 负阻特性,总电流应为传导电流与位移电流之和，所以该表示注入漂移区的传导电流密度,68,负阻特性,d=d 漂移区渡越角,69,7、大信号特性,改进：

17、增大注入延迟角,70,注入区电荷滞后；漂移区渡越时间,71,TUNNETT(隧道注入渡越时间二极管),72,72,瞬态空间电荷效应(以电子为例),73,介质弛豫时间,即：负阻区，任一点处载流子的随机起伏其浓度将随时间指数增长,74,CH 10 转移电子器件(TED) Transferred-Electron Decices,耿氏（ Gunn ）器件1963年在GaAs、InP体材料发现振荡、功放，1G-100G,75,一、器件基本结构,ND：10141016/cm3，L：数m 数百m,76,二、器件基本特性,直流偏置，微波振荡1/(L/VS),负微分电阻率or负微分迁移率,直流偏置，微波电流脉

18、冲振荡，1/(L/VS),L 111,100 X,77,三、负微分特性机制与机理,1、能带结构,态密度比103,78,2、负微分电阻率(负微分迁移率),79,负微分电阻率负微分迁移率,80,3、负微分电阻率(负微分迁移率)机制与条件,机制：载流子能谷间跃迁转移条件：1）导带中至少有二个能谷2）n1 n23）主能谷态密度 kT, E Eg机理：迁移率下降,81,81,1、瞬态空间电荷效应(以电子为例),四、微波振荡机理,82,介质弛豫时间,即：任一点处载流子的随机起伏其浓度将随时间指数增长,83,振荡模式： 渡越时间偶极层模式； 理想均匀场模式；猝灭偶极层模式；积累层模式。,负阻区：电场强，迁移

19、率低； 非平衡载流子指数增长,84,渡越时间偶极层模式：,1）偏置于负阻区，即：LE V， Vth E E0；2）负端有高阻区，二侧电场低，电流大; 或负端低场区，电流大；或负端电子能量高。 -负端侧电子积累，另一端正电荷积累，形成畴；3）畴内电场进一步增强，畴外电场进一步下降即电流增大；4）畴内外电流相等时，畴稳定，电流近似不变；5）畴运动至阳极，畴逐渐消失，新畴在阴极处逐渐形成。 周而复始，形成振荡。 调节偶极层宽度(提高偏压) 和渡越时间(缩短长度)可近 似实现正弦波。,畴离开阴极为什么新畴不及时形成,85,3、产生振荡条件,86,畴内电场增强，畴外电场减小，电流降低,五、TED电流波型

20、调制,2、,87,导带能谷间转移；产生负阻条件；震荡机理,88,实空间转移二极管管(RST)-负阻器件(材料间转移),GaAs AlGaAs,E,J,89,实空间转移晶体管(RST)-负阻器件(材料间转移),室温峰-谷电流比高于34000,90,实空间转移器件（RST）-逻辑器件,电流大小判别,电流大小判别,91,不同带间转移；电流分流,92,主要类型：二端晶闸管(SCR): 单向整流，不能自关断。门极可关断晶闸管(GTO)：单向整流，能自关断。双向晶闸管：双向整流，不能自关断。4. 光控晶闸管：单向整流，不能自关断。,主要特征：反向阻断电压(可承受的反向电压)高，能高于10000V；正向导通

21、电流大，可大于5000A。(双极晶体管能承受的反向电压不超过2000V，电流数百安),晶闸管： 双极型大功率整流器件，功率处理能力强，可达1MW以上。,CH 11 晶闸管和功率器件,集成器件结构中寄生器件,93,一、 晶闸管基本结构及工作原理,1.基本结构: 四层、三个pn结双极型半导体器件,四层-PNPN,三端or二端引出电极： 阳极（A）-输出端(IA) 阴极（K）-共用端(IK) 门极（G）-控制端(IG),94,2.基本工作特性,(a)偏置 VAK0-正向偏置(二个结正偏); VAK0-反向偏置(二个结反偏)。,(b)二端器件转折电压(IG=0) 正向偏置： J2反偏，J1、J3正偏；

22、 正向阻断正向转折电压。 反向偏置： J2正偏，J1、J3反偏； 反向阻断-反向转折电压。 电流-电压特性,(c)三端器件转折电压(IG0 ) 电流-电压特性,95,其结构可以分解成: 以N2区为发射区的N2P2N1晶体管-T2; 以P1区为发射区的P1N1P2晶体管-T1。 每只晶体管的基区连接到另一只晶体管的集电区， 二只晶体管共有同一个集电结。,3.晶闸管等效电路,96,97,5.转折条件,IA = Ic1 + Ic2= 1IA + 2IA +2IG + IcR,IK = IG + IA,IA = M1IA + M2IA +M2IG + M IcR,电流经集电结倍增，倍增因子 M：,M(

23、1 + 2) =1,转折条件：,驱使T1、T2过渡至饱和导通状态,IcR = Ic1R + Ic2R,Ic1 = 1IA + Ic1R Ic2 = 2IK + Ic2R,98,6.转折电压-VBF,7.反向转折电压-VBR 雪崩击穿电压,n：与材料及低掺杂 侧导电类型相关。 对Si-N型侧，n=4 -P型侧，n=2,99,当晶闸管过渡到低压、大电流时，不存在倍增效应，即倍增因子M=1 那么,所以，晶闸管的导通条件为 (1 + 2) =1,凡能使电流增加的机制都可触发晶闸管导通,7.导通条件：,分析问题应用之一：CMOS寄生晶闸管,100,二、晶闸管派生器件,1、二端双向晶闸管,基本结构及特性,

24、VMI-M2,I,101,2、三端双向晶闸管,基本结构 基本特性,VMI-M2,I,短路作用：降低电流放大系数，提升转折电压； 辅佐三端器件转折导通。,102,1）VM1 M2 0，VG-M2 0,工作原理与常规器件同VG控制转折电压。,M2,G,p1,n4,n3,n2,n1,M1,J3,J2,J4,J5,J1,VG-M2 0,VM1 M2 0,2）VM1 M2 0，VG-M2 0,2n3结正偏，n3p2n1工作;电子流向n1;p2n1p1工作;晶闸管p1n1p2n3导通；p2区横向压降使p2n2导通 p1n1p2n2导通。VG控制转折电压。,基本原理：,M2,G,p2,p1,n4,n3,n2

25、,n1,M1,J3,J2,J4,J5,J1,VG-M2 0,VM1 M2 0,+,+,-,-,-,-,p2,103,3）VM1 M2 0,栅压使p2n2正偏提升-电子在p2n1势垒区电场作用下（n2p2n1）漂移至n1-p2n1p1横向电流使p1n4导通- p2n1p1 n4导通； VG控制转折电压。,栅压使p2n3正偏，之后过程与上相同。p2n1p1n4导通工作；栅极电压使p2n1结正偏提高， VG控制转折电压。,4）VM1 M2 0，VG-M2 0,+,+,-,-,-,-,-,-,104,3、二端双向npn,VMI-M2,I,M1,M2,105,4、光控晶闸管,由光能触发的晶闸管,无栅极，

26、偏置与普通晶闸管相同。,机理：反偏J2结势垒区及P2、N1区扩散长度内产生的空穴、电子分别漂移到P2、N1区，构成二只晶体管基极电流,自建电场,-,-,-,+,+,-,+,+,106,106,借助极性相反的门(栅)极电压既可以实现导通又可以自行关断的晶闸管。,1）基本结构,2）导通与特性,导通原理、过程、条件与普通晶闸管相同。,偏置条件与普通晶闸管相同；,N2区是细而窄的长条,5、门极可关断晶闸管（GTO）,107,107,3）关断过程与机理 栅极抽取电流使T2脱离饱和,T2晶体管基极电流:,欲关断，T2晶体管基极电流应满足：,Ib2 Ib2S,T2晶体管临界饱和基极电流:,108,108,4

27、）关断条件,五、主要电参数,最大可关断电流：,关 断 增 益：,较小IG可控制大的IA,109,等效电路；正负反馈,110,(垂直双扩散MOS效应晶体管),1、 器件基本结构,常规MOS缺点： 击穿电压低； 如果耗尽层向 漏区扩展即可 提高击穿电压,三、VDMOSFET （功率器件） （Vertical Double-Diffused MOSFET）,111,常规MOS缺点： 击穿电压低； 如果耗尽层向 漏区扩展即可 提高击穿电压,G,112,2、基本工作原理,特点：,1）电流在漏区垂直向下流动；2）击穿电压由垂直方向承担；3）结构便于集成，多元胞器件。,3、输出特性曲线,113,4、主要电学

28、参数,导通电阻-VDMOS导通时漏-源之间的电阻。用Ron表示。,Nm-器件所含元胞总数,ron单元胞中电流流通区域电阻的总和,ron= Rch+Ra+RJFET+Repi,BVDS200V: Repi起主导作用。 并随击穿电压的提高，比例迅速增大。,BVDS100V: Rch是主要的;,114,5、导通电阻与击穿电压极限关系,缺点,115,6、寄生效应：NPN寄生晶体管导通,机理： PN结反向电流在Rb上的压降。措施： 减小Rb-p+区,116,四、绝缘栅双极晶体管（Insulate Gate Bipolar TransistorIGBT）,1、基本结构,IGBT-MOSFET与双极晶体管复

29、合结构的器件； 输入端是MOSFET，输入阻抗高，驱动功率小； 输出端是双极晶体管，通态压降低，输出功率大。,A(E),G,K(C),117,2、基本工作原理,VAK 0，PNP晶体管满足 放大及饱和的偏置条件；VGK VT， MOSFET导通， 形成PNP晶体管的基极电 流，产生输出电流；VGK 增大，输出电流增大。VGK VT，MOSFET关断， PNP晶体管失去基极电流 而逐渐使IGBT截至。,118,3、电流增益,119,4、 IGBT闩锁效应,栅压VGK失去对器件关断控制，这种现象称作闩锁效应。,闩锁效应产生机制：a.PNP晶体管集电区体电阻 压降使NPN晶体管导通: M(PNP +

30、NPN ) 1 PNP +NPN 1 晶闸管导通；b.元胞MOSFET栅极寄生电 阻不等而造成放电延迟，致 使电流在部分元胞集中；c.所有使寄生晶闸管触发导通 的物理过程 。,闭锁效应控制： 有效途径是减小集电区体电阻 。,120,寄生器件,121,五、 静电感应晶体管,（ Static Induction Transistor，简称SIT） SIT：导电沟道极短的一种JFET； 具有新的工作模式-静电感应效应。,优 点：电压型控制器件，工作频率高、输出功率 大、线性度好、热稳定性好、抗辐射能力强， 在高频大功率等领域获得广泛应用。 目前，耗散功率可达数千瓦，相应工作频率3- 10MHz，功率

31、容量2000V/300A。微波SIT的工 作频率达到GHz数量级。,122,类 型：与JFET相似，有 常通型 (增强型)：输入电压为零时存在导电沟道； 常闭型 (耗尽型)：输入电压作用下形成导电沟道；特 征： 常通型SIT是单极型器件，通常称其为SIT； 常闭型SIT是双极型器件，通常称作双极模式SIT， 简称BSIT。,123,1、 常通型SIT(增强型) 1）基本结构,多元胞器件,三个电极： 源极S 漏极D 栅极G,导电沟道,124,2）基本工作原理（n型沟道为例）,（1）偏置电压：VGS0，VDS0,沟道二种情况：,125,（2）沟道势垒,栅-源反偏压VGS的绝对值越大，电子势垒越高；

32、漏-源正偏压VDS越大，电子势垒越低；通过VGS与VDS，可以控制沟道中电子的势垒高度与电势分布。这就是所谓静电感应效应。,VGS0 ，VDS0,x,P+,P+,静电感应效应,126,127,3）静态特性与参数 伏安特性,电压放大系数,主要电学参数,ID=C,-体现VGS对势垒高度的控制能力,静态阻断增益,-反映了栅-源偏压关断漏-源电压的能力。值越高，关断能力越强。,未夹断，斜率与沟道宽度相关,沟道夹断：,128,2、双极模式静电感应晶体管 常闭型SIT,特征： 1. VGS=0时，pn结耗尽层已将导电沟道夹断;2.工作时栅-源之间需加正向偏压；3.有少子从栅极注入沟道，使沟道中有电子和空穴

33、两种载流子参与导电；4.高阻沟道区发生了电导调制，因而具有通态电流密度高、漏-源压降小的特点，同时具备了SIT和双极型器件的电性能优势。,所以：称其为双极模式静电感应晶体管（Bipolar Mode Staic Induction Tranistor，简称BSIT）,129,1）基本结构和工作原理（n沟） 基本原理结构,基本工作原理,VGS0, VDS0,1. VGS较小时，沟道势垒高，电流小，器件截止；2. VGS较大时，沟道势垒降低，形成电流；3. VGS再大时，中性沟道形成，且空穴从栅区注入沟道区 不可略，沟道电导调制，电流增大，势垒进一步降低，进入 双极模式。4.沟道较窄，较小VDS下

34、沟道区载流子速度饱和，电流饱和。,SIT模式,130,2）伏安特性和主要电参数,伏安特性,电流增益,大电流负温度系数,131,3、静电感应晶闸管,静电感应晶闸管（Static Induction Thyristor，简称 SITH）,利用静电感应效应控制器件的工作，是一种自关断器件。,通态电阻小，正向压降低，电流密度大，阻断电压高；开关速度快，功率损耗小；抗辐射能力强，工作温度高。工作频率可达400kHz以上，比GTO高出一个数量级；SITH的可控功率达100kW以上。,132,1）基本结构和工作原理,(1)基本结构将SIT或BSIT漏区N+换成P+区,(2)常开型基本工作原理,有：常开型；常

35、闭型。多为常开型。,VGK=0，VAK0,导通；VGK0,静电感应。,133,2)电流-电压特性,正向阻断电压,(2)阻断电压增益,(3)大电流转折特性,(1)小电流特性,n正向导通电压，导通电阻小,机理：夹断状态pnp导通,134,作业1、试基于隧道二极管、MIS开关二极管、共振隧穿二极管，IMPATT二极管、BARITT二极管，转移电子器件的I-V特性曲线，分别简述（画出）它们的基本结构及结构条件、产生负阻（震荡）的工作机制（条件）及机理；2、 试证明,如果电流注入漂移区存在时间延迟，那么在载流子渡越漂移区时间满足一定条件即可产生负阻效应；3、试从载流子一维连续性方程，证明若半导体材料处负

36、微分迁移率状态（负阻区）,产生的非平衡载流子将随时间增长。,135,第篇 光电子器件Photonic Devices,绪 光子与电子相互作用物理过程 Ch 12 发光二极管和半导体激光器 Ch 13 光电探测器 Ch 14 太阳电池,136,绪 光子与电子相互作用物理过程,137,绪 光子与电子相互作用物理过程一、介电常数、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）机制与机理四、光子与电子相互作用物理过程,138,一、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,

37、0 、0 真空 介电常数与磁导率；r媒质相对介电常数,139,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,140,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。,141,2、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,142,二、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。

38、 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,143,1、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：,144,1)、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。,145,2)、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：,146,2、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

39、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。,147,3、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),148,4、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

40、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,149,# 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-,150,三、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

41、不等：辐射效率低。,151,1、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

42、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。,152,# 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,153,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-

43、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。,154,四、光子与电子相互作用的物理过程-本征状态,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

44、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：太阳电池、光电探测器工作原理基础。,能量守恒 动量守恒,155,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。,156,受激发射(辐射)速率r21(st)： 单位时间、单位体积内在能量为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

45、度)密度正比。,b.光的受激辐射,157,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。,158,3、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。,自下到上电子,自上到下电子,159,著名的爱因斯坦关系,物理意义？,受激辐射与受激吸收

46、系数相等,160,# 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？,161,电子光子相互作用机制,162,162,Ch 14 太阳电池Solar Cells,(1.71017J/s) (2.510-5) 5%=目前世界总能耗,太阳能,利用率,转换效率,相当120万个三峡电站,163,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,19

47、54,6%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,164,当前转换效率水平美国SunPower：（Si）22.6%美国Solar：（Si -3D）25%三洋电机:GaAs基异质结23.7% 夏普： GaAs基多结43.5%（聚光）三菱化学：有机薄膜11.0%,165,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（地日平均距离1.495108km） 1.353kW/m2AM0 垂直海平面(一个大气质量辐射) 0.925kW/m2AM1 有垂直入射角时，定义：,AM0/AM1

48、/AM2太阳光谱与功率谱,166,166,一、太阳电池基本结构（单元）,I-V特性,工作机制：受激吸收,167,二、原理-光生伏特效应 1、扩散区/势垒区/中性区（hEg） 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区的电子和空穴形成光生电流- 3、 空穴与电子积累形成电场削弱自建场-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

49、与正向电流平衡时，达稳定状态； 呈现电压-开路电压; 短路时： 输出电流-短路电流。,一定光强下开/短路光生电流是否常数？,常数,168,三、等效电路及I-V方程（P=C）,理想等效电路,IRL,？,169,四、I-V特性曲线（理想）,光子流密度及理想光电流与带隙关系,随负载增大,工作点,V=I RL,170,2. 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？,？,？,niEg VD(IL=C）VOC,？,171,171,3. 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,172,过程,173,由图

50、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,#,174,174,入射光子数/cm2.s,六、光谱响应-光谱效率(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),表面复合,175,七、等效电路及I-V方程（P=C）,非理想等效电路,光生电流 IL = C,二极管电流,输出电流,RL,I,176,串联寄生电阻影响大,RS,#寄生电阻影响