半導(dǎo)體光電子器件

1、1 概述概述 半導(dǎo)體器件基本類型半導(dǎo)體器件基本類型 電子器件電子器件光電子器件光電子器件 理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 漂移漂移-擴(kuò)散模型擴(kuò)散模型 擴(kuò)散擴(kuò)散-漂移模型漂移模型 pn結(jié)結(jié) 組組 合合 MIS 金半結(jié)金半結(jié) 異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié) 發(fā)展發(fā)展 新原理，新結(jié)構(gòu)器件新原理，新結(jié)構(gòu)器件 量子器件？光電器件？量子器件？光電器件？ 光子器件？集成光路？光子器件？集成光路？ 2 1.1.4 pin結(jié)結(jié)(結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)) 1. 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) pin：高摻雜：高摻雜p區(qū)和區(qū)和n區(qū)之間區(qū)之間 有一本征層（有一本征層（i區(qū)）的結(jié)。區(qū)）的結(jié)。 本征層很難實(shí)現(xiàn)，通常用高阻本征層很難實(shí)現(xiàn)，通常用高阻 p-型層或高阻型

2、層或高阻n-型層代替：型層代替： 稱：稱： pp-n-pn; pn-n-pn (b)-摻雜分布摻雜分布 3 2.空間電荷區(qū)電荷分布空間電荷區(qū)電荷分布 pin: 負(fù)電荷在負(fù)電荷在p區(qū)側(cè)，正電荷在區(qū)側(cè)，正電荷在n區(qū)側(cè)區(qū)側(cè) pp-n-pn: 負(fù)電荷在負(fù)電荷在p區(qū)側(cè)和區(qū)側(cè)和p-區(qū)，正電荷在區(qū)，正電荷在n區(qū)側(cè)區(qū)側(cè) pn-n-pn: 負(fù)電荷在負(fù)電荷在p區(qū)側(cè)，正電荷在區(qū)側(cè)，正電荷在n區(qū)側(cè)和區(qū)側(cè)和n-區(qū)區(qū) 3.空間電荷區(qū)電場分布空間電荷區(qū)電場分布 (c)空間電荷分布空間電荷分布 (d)電場分布電場分布 4 3. 基本特性基本特性 單位面積單位面積勢壘電容近似常數(shù)：勢壘電容近似常數(shù)： i s T w C 0 擊

3、穿電壓高：擊穿電壓高： ( (v v) )w wV V m mB B 儲存時間（電荷消失時間）短：儲存時間（電荷消失時間）短： R f R O S I I I Q t m-臨界擊穿電場臨界擊穿電場 少數(shù)載流子壽命少數(shù)載流子壽命 (IR If) P+ P- n P+ P- n Wi n n- P+ Wi P+n Q0 5 pn基本特性基本特性要點(diǎn)要點(diǎn) 一、空間電荷區(qū)形成及特性一、空間電荷區(qū)形成及特性 平衡狀態(tài)空間電荷區(qū)內(nèi)平衡狀態(tài)空間電荷區(qū)內(nèi) 載流子擴(kuò)散運(yùn)動與自建載流子擴(kuò)散運(yùn)動與自建 電場產(chǎn)生的漂移運(yùn)動動電場產(chǎn)生的漂移運(yùn)動動 態(tài)平衡，凈電流為零態(tài)平衡，凈電流為零 x (x) 6 二、能帶結(jié)構(gòu)二、能

4、帶結(jié)構(gòu) 電子、空穴勢壘電子、空穴勢壘 7 三、平衡狀態(tài)載流子分布三、平衡狀態(tài)載流子分布 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)(勢壘區(qū)勢壘區(qū))邊界載流子濃度等于其平衡值邊界載流子濃度等于其平衡值 2 i KT/ )x(q P KT/ )x(q p nenep)x(n)x(p 8 四、非平衡狀態(tài)載流子分布四、非平衡狀態(tài)載流子分布 P區(qū)區(qū) n區(qū)區(qū) pp0 pn0 nn0 np0 pn0exp(qVF/kT) np0exp(qVF/kT) P區(qū)區(qū) n區(qū)區(qū) pp0 pn0 nn0 np0 pn0exp(qVR/kT)np0exp(qVR/kT) 正正 偏：偏： 反偏：反偏： 載載 流流 子子 動動 態(tài)態(tài) 平平 衡衡 被

5、被 破破 壞壞 ) KT qV exp(n)x(p)x(n)x(p)x(n A 2 inp 9 五、電學(xué)特性五、電學(xué)特性 1.伏安特性方程伏安特性方程 1eJJ KT A qV S 2.伏安特性曲線伏安特性曲線 I VA 10 六、勢壘電容六、勢壘電容 T A C dV |Q|d P區(qū)區(qū) n區(qū)區(qū) P區(qū)區(qū) n區(qū)區(qū) 空穴補(bǔ)償空穴補(bǔ)償 電子補(bǔ)償電子補(bǔ)償 空穴釋放空穴釋放電子釋放電子釋放 偏壓上升偏壓上升(含正負(fù)含正負(fù))： 變窄變窄 偏壓下降偏壓下降(含正負(fù)含正負(fù)) ： 變寬變寬 11 七、擴(kuò)散電容七、擴(kuò)散電容 八、擊穿電壓八、擊穿電壓 (x)(x) D A n A p C dV |Q|d dV dQ

6、 P區(qū)區(qū) n區(qū)區(qū) pn 雪崩擊穿！雪崩擊穿！ m 12 九、九、pin 基本特性基本特性 單位面積單位面積勢壘電容近似常數(shù)：勢壘電容近似常數(shù)： i s T w C 0 擊穿電壓高：擊穿電壓高： )(vwV imB 儲存時間（電荷消失時間）短：儲存時間（電荷消失時間）短： R f R O S I I I Q t m-臨界擊穿電場臨界擊穿電場 少數(shù)載流子壽命少數(shù)載流子壽命 (IR If) P+ P- n P+ P- n Wi n n- P+ Wi P+n Q0 13 1-2 異質(zhì)結(jié)與超晶格異質(zhì)結(jié)與超晶格 基本內(nèi)容：基本內(nèi)容： 1.2.1 異質(zhì)結(jié)及其能帶結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)及其能帶結(jié)構(gòu) 1.2.2 異質(zhì)結(jié)的電

7、流輸運(yùn)機(jī)構(gòu)異質(zhì)結(jié)的電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu) 1.2.3 異質(zhì)結(jié)在器件中的應(yīng)用異質(zhì)結(jié)在器件中的應(yīng)用 1.2.4 半導(dǎo)體超晶格半導(dǎo)體超晶格 14 異質(zhì)結(jié)定義：異質(zhì)結(jié)定義： 二種不同半導(dǎo)體材料以價健形式結(jié)合在一起，二種不同半導(dǎo)體材料以價健形式結(jié)合在一起， 那么其界面及二測少子密度那么其界面及二測少子密度(與平衡狀態(tài)相比與平衡狀態(tài)相比)發(fā)發(fā) 生變化的區(qū)域稱為異質(zhì)結(jié)生變化的區(qū)域稱為異質(zhì)結(jié) 異質(zhì)結(jié)特征：異質(zhì)結(jié)特征： 二個區(qū)域禁帶寬度不同二個區(qū)域禁帶寬度不同 異質(zhì)結(jié)形成：異質(zhì)結(jié)形成： 外延技術(shù)外延技術(shù)APCVD; MBE; MOCVD 15 異質(zhì)結(jié)類型：異質(zhì)結(jié)類型： 異質(zhì)結(jié)表征：異質(zhì)結(jié)表征： 導(dǎo)電類型劃分導(dǎo)電類型劃分

8、同型異質(zhì)結(jié)同型異質(zhì)結(jié)(二種半導(dǎo)體材料二種半導(dǎo)體材料導(dǎo)電類型相同導(dǎo)電類型相同) ； 反型異質(zhì)結(jié)反型異質(zhì)結(jié)(二種半導(dǎo)體材料二種半導(dǎo)體材料導(dǎo)電類型不同導(dǎo)電類型不同)。 能帶結(jié)構(gòu)劃分能帶結(jié)構(gòu)劃分 突變結(jié)；緩變結(jié)突變結(jié)；緩變結(jié)。 p-nGe-Si; p-nSiGe-Si; n-pGaAs-AlGaAs; p-pSiGe-Si; n-nGe-Si,等等 (p-Ge/n-Si; p-SiGe/n-Si; n-GaAs/p-AlGaAs; p-SiGe/p-Si; n-Ge/n-Si) 本章約定：本章約定： 前者表示窄禁帶前者表示窄禁帶(用下標(biāo)用下標(biāo)1表示表示)， 后者表示寬禁帶后者表示寬禁帶(用下標(biāo)用下標(biāo)2

9、表示表示)。 16 1.2.1 異質(zhì)結(jié)及其能帶結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)及其能帶結(jié)構(gòu) 一、一、理想狀態(tài)能帶結(jié)構(gòu)理想狀態(tài)能帶結(jié)構(gòu) 1.異質(zhì)結(jié)孤立狀態(tài)能帶結(jié)構(gòu)及形成過程異質(zhì)結(jié)孤立狀態(tài)能帶結(jié)構(gòu)及形成過程(以反型結(jié)為例以反型結(jié)為例) 載流子向?qū)Ψ綌U(kuò)散載流子向?qū)Ψ綌U(kuò)散-擴(kuò)散流擴(kuò)散流；形成電荷區(qū)；形成電荷區(qū)-空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)； 產(chǎn)生電場產(chǎn)生電場自建電場自建電場；形成漂移流；形成漂移流與擴(kuò)散流方向相反與擴(kuò)散流方向相反； 動態(tài)平衡動態(tài)平衡-形成平衡異質(zhì)結(jié)；形成平衡異質(zhì)結(jié)；能帶彎曲能帶彎曲形成接觸電勢形成接觸電勢 差差VD；但但 不變。不變。 2.形成形成 EFP EFn EF EF 1 2 1 2 W1 W2 W1 W2

10、 EC EV E0 + + + + - - - - E V + + + + + + - - - - - - V E 17 3.能帶結(jié)構(gòu)特征能帶結(jié)構(gòu)特征(以異質(zhì)以異質(zhì)pn結(jié)為例結(jié)為例) 1).能隙差：能隙差： Eg= EC+ EV = Eg2 Eg1 EC=1-2 EV= Eg - EC 2).勢壘區(qū)電場分布：勢壘區(qū)電場分布： 界面處電場不連續(xù)，界面處電場不連續(xù)， 電位移連續(xù)；電位移連續(xù)； 3).勢壘區(qū)電位分布：勢壘區(qū)電位分布： n區(qū)電位高于區(qū)電位高于p區(qū)區(qū)-V(x)； 接觸電勢差：接觸電勢差： VD = VD1+VD2 qVD=EFn-EFp= W1-W2 = qVD1+ qVD2 x1x2

11、E(x) EFP EFn 1 2 W1 W2 EC EV E0 + + + + + - - - - - V(x) E(x) 18 4).平衡狀態(tài)能帶結(jié)構(gòu)平衡狀態(tài)能帶結(jié)構(gòu) 由于由于n區(qū)電位高于區(qū)電位高于p區(qū)區(qū)-V(x)，所以導(dǎo)帶、價帶如圖所示變化。，所以導(dǎo)帶、價帶如圖所示變化。 本征費(fèi)米能級本征費(fèi)米能級Ei? 19 5).費(fèi)米能級費(fèi)米能級 平衡狀態(tài)：平衡狀態(tài)：EFp=EFn 證明證明:(思路思路-證明寬帶、窄帶側(cè)勢壘區(qū)內(nèi)證明寬帶、窄帶側(cè)勢壘區(qū)內(nèi)EF為常數(shù)。以為常數(shù)。以p型窄帶為例型窄帶為例) 設(shè)：中性設(shè)：中性p區(qū)本征費(fèi)米能級位區(qū)本征費(fèi)米能級位Eip,且為電勢參考點(diǎn)，且為電勢參考點(diǎn)， 那么勢壘區(qū)內(nèi)

12、：那么勢壘區(qū)內(nèi)： Eip(x)= Eip- qV(x) p型窄帶勢壘區(qū)內(nèi)：型窄帶勢壘區(qū)內(nèi)： 0J dx )x(dp qD)x(E)x(pqJJJ npppDpp )x(E dx )x(dV dx )x(dE q 1 ip 有有；另外另外 KT ExE expn)x(p Fip i 那么那么 0 dx dE xp dx dE dx xdE q 1 dx xdE q 1 )x(pqJ F p F ipip pp 顯然有顯然有 0 dx dEF ；同理可證明寬帶區(qū)同理可證明寬帶區(qū) 20 6).界面能帶尖峰位置與緩變結(jié)界面能帶尖峰位置與緩變結(jié) 尖峰位置決定于摻雜濃度：尖峰位置決定于摻雜濃度： 摻雜濃度

13、低則電位降大，摻雜濃度低則電位降大， 尖峰高；尖峰高； 緩變結(jié)：緩變結(jié)： 通過摻入元素實(shí)現(xiàn)。通過摻入元素實(shí)現(xiàn)。 21 二、界面態(tài)對能帶結(jié)構(gòu)影響二、界面態(tài)對能帶結(jié)構(gòu)影響 界面態(tài)：界面態(tài)：異質(zhì)結(jié)界面處的電子態(tài)異質(zhì)結(jié)界面處的電子態(tài) 1.界面態(tài)產(chǎn)生原因：界面態(tài)產(chǎn)生原因：晶格失配晶格失配、雜質(zhì)、溫度、雜質(zhì)、溫度 晶格失配晶格失配(%)定義：定義：a2a1 2.界面態(tài)形成機(jī)理：界面態(tài)形成機(jī)理： 晶格失配產(chǎn)生的懸掛鍵晶格失配產(chǎn)生的懸掛鍵 3. 懸掛鍵懸掛鍵(界面態(tài)界面態(tài))(面面)密度密度-NS： NS= NS1- NS2 鍵鍵(面面) 密度密度NS由晶格常數(shù)及晶面決定。由晶格常數(shù)及晶面決定。 NS=1/晶胞

14、中晶面面積晶胞中晶面面積 晶面中鍵數(shù)晶面中鍵數(shù) 12 12 12 12 aa )aa( 2 2 aa aa 如：二種都為金剛石結(jié)構(gòu)材料如：二種都為金剛石結(jié)構(gòu)材料 (111)晶面：晶面： (110)晶面：晶面： (100)晶面：晶面： 2 2 2 1 2 1 2 2 S aa aa 3 4 N 2 2 2 1 2 1 2 2 S aa aa 2 4 N 2 2 2 1 2 1 2 2 S aa aa 4N 晶面原子晶面原子 2 懸掛鍵懸掛鍵2 晶面原子晶面原子 4 懸掛鍵懸掛鍵4 晶面原子晶面原子 2 懸掛鍵懸掛鍵4 22 4.界面態(tài)對能帶結(jié)構(gòu)影響界面態(tài)對能帶結(jié)構(gòu)影響 巴丁極限：巴丁極限：對金剛

15、石結(jié)構(gòu)，當(dāng)表面態(tài)面密度對金剛石結(jié)構(gòu)，當(dāng)表面態(tài)面密度1013cm-2,表面處表面處 費(fèi)米能級位于費(fèi)米能級位于1/3禁帶。禁帶。 表面態(tài)作用：表面態(tài)作用： n型半導(dǎo)體，起受主作用型半導(dǎo)體，起受主作用(因電子密度高因電子密度高) 使能帶向上彎曲；使能帶向上彎曲； p型半導(dǎo)體，起施主作用型半導(dǎo)體，起施主作用(因空穴密度高因空穴密度高) 使能帶向下彎曲。使能帶向下彎曲。 能帶結(jié)構(gòu)：能帶結(jié)構(gòu)： Eg/3 Eg/3 n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 應(yīng)用中應(yīng)選擇晶格失配小的異質(zhì)材料應(yīng)用中應(yīng)選擇晶格失配小的異質(zhì)材料 施主作用施主作用 受主作用受主作用 23 三、三、平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)突變反型異質(zhì)結(jié)接觸電勢

16、差及勢壘區(qū)寬度突變反型異質(zhì)結(jié)接觸電勢差及勢壘區(qū)寬度 1.電場電場 01 1 1A 2 1 2 xxx qN dx xVd 20 2 2D 2 2 2 xxx qN dx xVd 邊界條件：邊界條件： 0 xE dx xdV 11x 1 1 0 xE dx xdV 22x 2 2 有有 011 1 11A1 xxxxE xxqN dx xdV 202 2 22D2 xxxxE xxqN dx xdV 結(jié)論：電場線性分布，且在界面處不連續(xù)結(jié)論：電場線性分布，且在界面處不連續(xù) x0 x 1 x2 NA1 ND2 VD2VD1 x xE 思路：求解泊松方程思路：求解泊松方程-電場電場-電位電位-接觸電

17、勢差接觸電勢差-勢壘區(qū)寬度勢壘區(qū)寬度 24 2.電位及接觸電勢差電位及接觸電勢差 將電場積分：將電場積分： 1 1 11A 1 2 1A 1 D XXqN 2 XqN xV 2 2 22D 2 2 2D 2 D XXqN 2 XqN xV x0 x1x2 NA1 ND2 VD2VD1 令：令：V1(x1)=0， 則：則：V2(x2)=VD，那么：，那么： 2 2 22D D2 1 2 11A 1 2 XqN VD 2 XqN D 又：又： V1(x0)=V2(x0)；且；且V1(x0)=VD1， V2(x2)- V1(x0)= VD2，所以，所以 2 XX 2D D2 1 XX 1A 1 2

18、qN VxV 2 qN xV 2 2 2 1 2 XX 2D 1 XX 1A D 2 qN 2 qN V 2 02 2 10 電位電位： 接觸電位差：接觸電位差： 及：及： 2 XX 2D 2D 1 XX 1A 1D 2 qN V 2 qN V 2 02 2 10 25 因?yàn)橐驗(yàn)?XD=(x2-x0)+(x0-x1) 且且 qNA1(x0-x1)=qND2 (x2-x0)=Q 有有 2D1A D1A 02 2D1A D2D 10 NN XN XX NN XN XX 將上式分別代入將上式分別代入VD、 VD1、 VD2， 有有 2 2D1A D1A 2D1 2 2D1A D2D 1A2 21 D

19、 NN XN N NN XN N 2 q V 2D21A1 D1A1 2D 2D21A1 D2D2 1D NN VN V NN VN V # 1A1 2D2 2D 1D N N V V 能帶彎曲量能帶彎曲量(VD1、 VD2)與摻雜濃度反比，與摻雜濃度反比， 摻雜濃度高一側(cè)能帶彎曲量小，反之則大摻雜濃度高一側(cè)能帶彎曲量小，反之則大。 VD、 VD1、 VD2另一形式：另一形式： x0 x1x2 NA1 ND2 VD2VD1 26 3.勢壘區(qū)寬度勢壘區(qū)寬度 四、四、非非平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)突變反型異質(zhì)結(jié)接觸電勢差及勢壘區(qū)寬度突變反型異質(zhì)結(jié)接觸電勢差及勢壘區(qū)寬度 解解VD表達(dá)式有表達(dá)式有 2 1 2D

20、21A12D1A D 2 2D1A21 D )NN(NqN V)NN(2 X 2 1 2D21A11A D2D21 101 )NN(qN VN2 )xx (d 2 1 2D21A12D D1A21 022 )NN(qN VN2 )xx (d XD分別代入分別代入(x0-x1)、(x2-x0)有有 若外加偏壓為若外加偏壓為V，窄帶與寬帶區(qū)壓降分別為，窄帶與寬帶區(qū)壓降分別為V1與與V2，那么，那么 只要將上述試中只要將上述試中VD用用(VD-V)代替，代替， VD1與與VD2分別用分別用(VD1- V1)、 (VD2-V2)代替即可。代替即可。V、V1、V2大于零表示正偏，反大于零表示正偏，反 之

21、反偏。之反偏。 27 五、突變反型異質(zhì)結(jié)勢壘電容五、突變反型異質(zhì)結(jié)勢壘電容 因?yàn)橐驗(yàn)?2 1 2D21A1 D2D1A21 022D101A11A NN )VV(NqN2 )xx (qN)xx (qNdqNQ 2 1 D2D21A1 2D1A21 2 1 2D21A1 D2D1A21 T )VV)(NN( 2 NqN dV NN )VV(NqN2 d dV dQ C 則單位面積勢壘電則單位面積勢壘電 容容 28 六、六、突變反型異質(zhì)結(jié)接觸電勢差、勢壘區(qū)寬度表征突變反型異質(zhì)結(jié)接觸電勢差、勢壘區(qū)寬度表征 上述上述VD、XD互為函數(shù)，得不到解?；楹瘮?shù)，得不到解。 VD可通過實(shí)驗(yàn)獲得：將可通過實(shí)驗(yàn)獲

22、得：將CT表達(dá)為：表達(dá)為： 2121 2211 2 )( 2 )( 1 DA DDA T NqN VVNN C 2 T) C( 1 與與(VD-V)成線性關(guān)系，將反偏成線性關(guān)系，將反偏 實(shí)驗(yàn)曲線外推至零，即為實(shí)驗(yàn)曲線外推至零，即為VD。 有了有了VD即可求得即可求得XD。 2 T) C( 1 VD(VD-V) 29 1.2.2 異質(zhì)結(jié)電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu)異質(zhì)結(jié)電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu) 一、電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu)一、電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu) 1.緩變勢壘結(jié)緩變勢壘結(jié)2.低尖峰勢壘突變結(jié)低尖峰勢壘突變結(jié)2.高尖峰勢壘突變高尖峰勢壘突變 結(jié)結(jié) qVD1 qVD2 EC EV -x1 0 x2 電子勢壘電子勢壘:(qVDEC) 空穴勢壘空穴勢

23、壘:(qVD+EV) 電子勢壘電子勢壘: qVD2 (EC qVD1) （負(fù)反向勢壘）（負(fù)反向勢壘）（正反向勢壘）（正反向勢壘） 30 一、電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu)一、電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu) n1(-x1)=n10exp(qV/KT) n10=n2exp-(qVDEC)/KT p2(x2)=p20exp(qV/KT) p20=p1exp-(qVD+ EV) /KT n1(-x1)=n10exp(qV/KT) n10=n2exp(-qVD2/KT) qVD1 qVD2 EC EV -x1 0 x2 電子勢壘電子勢壘:(qVDEC) 空穴勢壘空穴勢壘:(qVD+EV) 電子勢壘電子勢壘: qVD2 (EC qVD1)

24、擴(kuò)散模型擴(kuò)散模型；發(fā)射模型；發(fā)射；發(fā)射模型；發(fā)射-復(fù)合模型；隧道模型；隧道復(fù)合模型；隧道模型；隧道-復(fù)合模型復(fù)合模型 31 1.負(fù)反向勢壘負(fù)反向勢壘(低尖峰勢壘突變結(jié)、緩變結(jié)低尖峰勢壘突變結(jié)、緩變結(jié)) 電子流：電子流： 0 nxn dx xnd D n 11 2 1 2 1n P區(qū)區(qū)n區(qū)區(qū) 邊界條件：邊界條件：n1(-x1)=n10exp(qV/KT) n10=n2exp-(qVDEC)/KT 10 nn1 1n 1CD 2101 L xx exp1 KT qV exp KT EqV expnnxn有：有： 1 KT qV exp L nqD 1 KT qV exp KT EqV exp L

25、nqD dx xdn qDJ 1n 101n CD 1n 21n 1 1n1n 1 xx 32 空穴流：空穴流： 0 pxp dx xpd D p 202 2 2 2 2p 邊界條件：邊界條件： 2p 2 20202 L xx exp1 KT qV expppxp 有：有： 1 KT qV exp L pqD dx xdp qDJ 2p 202p 2 2pp 2 xx p2(x2)=p20exp(qV/KT) p20=p1exp-(qVD+ EV) /KT 202 pp 1 KT qV exp L nqD 1 KT qV exp L nqD L pqD JJJ 1n 101n 1n 101n

26、2p 202p np 33 2.正反向勢壘正反向勢壘(高尖峰勢壘突變結(jié)高尖峰勢壘突變結(jié)) 電子流：思路電子流：思路- 求求p區(qū)進(jìn)入?yún)^(qū)進(jìn)入n區(qū)與區(qū)與n區(qū)進(jìn)入?yún)^(qū)進(jìn)入p區(qū)電子流之差區(qū)電子流之差 熱平衡熱平衡p區(qū)進(jìn)入?yún)^(qū)進(jìn)入n區(qū)電子與區(qū)電子與n區(qū)進(jìn)入?yún)^(qū)進(jìn)入p區(qū)電子相等，區(qū)電子相等， 為為 KT )qVE( expn KT qV expn 1DC 1 2D 2 加偏置電壓加偏置電壓 V=V1+V2，那么，那么 KT )VV(q expnxn 2 2D 211 KT )VV(qE expnxn 11DC 122 以上即為電子邊界條件以上即為電子邊界條件 34 從從p區(qū)進(jìn)入?yún)^(qū)進(jìn)入n區(qū)的電子分布區(qū)的電子分布 解

27、載流子連續(xù)性方程有解載流子連續(xù)性方程有 1n 122D 2101 L xx exp1 KT qV exp KT qV expnnxn 1 KT qV exp KT qV exp L nqD qDJ 22D 1n 21n dx xdn 1n 1n 1 xx 同理從同理從n區(qū)進(jìn)入?yún)^(qū)進(jìn)入p區(qū)的電子分布區(qū)的電子分布 2n 211DC 1 1DC 12 L xx exp1 KT qV exp KT qVE expn KT qVE expnxn 1 KT qV exp KT qVE exp L nqD qDJ 11DC 2n 12n dx xdn 2n 2n 2 xx KT qV exp KT qV ex

28、p KT qV exp L nqD JJJ 122D n 2n 2n1nn 空穴流與負(fù)反向勢壘相同：空穴流與負(fù)反向勢壘相同： pn JJJ 35 二、載流子超注入特性二、載流子超注入特性 EFn EFp EC1 EC2 定義：定義：窄帶少子密度窄帶少子密度 與寬帶多子密度與寬帶多子密度 KT EE expNn Fn1C 1C1 KT EE expNn Fn2C 2C2 KT EE exp n n 1C2C 2 1 36 #異質(zhì)結(jié)超晶格異質(zhì)結(jié)超晶格 定義：二種禁帶寬度（或?qū)щ婎愋停┎煌陌雽?dǎo)體薄層材料定義：二種禁帶寬度（或?qū)щ婎愋停┎煌陌雽?dǎo)體薄層材料 交替生長組成的一維周期性結(jié)構(gòu)。薄層周期小于

29、電子的平均交替生長組成的一維周期性結(jié)構(gòu)。薄層周期小于電子的平均 自由程。自由程。 一、基本結(jié)構(gòu)一、基本結(jié)構(gòu) 1.禁帶寬度不同（組份）超晶格禁帶寬度不同（組份）超晶格 2.摻雜超晶格摻雜超晶格 Eg1 Eg2 EC EV略能帶彎曲略能帶彎曲 b c L p nn 37 量子阱量子阱 二、能級狀態(tài)二、能級狀態(tài) 1.單勢阱單勢阱載流子能量量子化；載流子能量量子化； 二維電子氣二維電子氣(2DEG)、二維空穴氣、二維空穴氣(2DHG) 。 0L V0 勢阱中電子遵循薛定諤方程勢阱中電子遵循薛定諤方程 x x y z zyxEzyxzVzyx m )( 2 2 2 Lx LxxV zV 00 0 )(

30、0 )()()(ZUyxzyx z z z V與與x、y無關(guān)無關(guān) 38 ),(),( 2 2 2 yxEyx m xy )( 2 22 2 yxxy kk m E 波形式：波形式： 代入有：代入有： x、y面能量連續(xù) 2DEG/2DHG xy平面內(nèi)平面內(nèi): ( () )( () ) ykxkjexpAy,x yx + += = )()( 2 2 2 zUEzU m z 2 2 2 321 00 000 Lm )n( EE ,nnkz kzsin,c )L()( nz Z方向能量量子化 ) )k k( (k k 2 2m mL L2 2m m n n) )( ( E E 2 2 y y 2 2

31、x x 2 2 2 2 2 2 x xy yz z 總能量總能量 量子阱量子阱 Z方向：方向： U(0)U(L) 2 2 2 z Em ( ( ) )( () )czsinBzU+ += = ( () )0= =zsin Ln 39 二、能級狀態(tài)二、能級狀態(tài) 2.超晶格超晶格載流子受晶格周期性勢場和可控的超晶格周期載流子受晶格周期性勢場和可控的超晶格周期 性勢場作用。那么載流子的波函數(shù)也可人為控制。性勢場作用。那么載流子的波函數(shù)也可人為控制。 )()()()( 2 2 2 zEzzVz m z 2 2 2 z Em 0)( )( 2 2 2 z dz zd 薛定諤方程薛定諤方程 邊界條件邊界條

32、件 V(z)= 0 0 z 1013cm-2,表面處表面處 費(fèi)米能級位于費(fèi)米能級位于1/3禁帶。禁帶。 能帶結(jié)構(gòu)：能帶結(jié)構(gòu)： Eg/3 Eg/3 n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 應(yīng)用中應(yīng)選擇晶格失配小的異質(zhì)材料應(yīng)用中應(yīng)選擇晶格失配小的異質(zhì)材料 施主作用施主作用 受主作用受主作用 47 5.異質(zhì)結(jié)電流輸運(yùn)異質(zhì)結(jié)電流輸運(yùn) 1.緩變勢壘結(jié)緩變勢壘結(jié)2.低尖峰勢壘突變結(jié)低尖峰勢壘突變結(jié)2.高尖峰勢壘突變結(jié)高尖峰勢壘突變結(jié) （負(fù)反向勢壘）（負(fù)反向勢壘）（正反向勢壘）（正反向勢壘） 空穴勢壘空穴勢壘:(qVD+EV) KT E wN wN KT EE wN wN I I g bBpe eEnbcv

33、 bBpe eEnb PE nE expexp qVD1 qVD2 EC EV -x1 0 x2 電子勢壘電子勢壘:(qVDEC) 電子勢壘電子勢壘: qVD2 48 6.6.異質(zhì)結(jié)量子阱異質(zhì)結(jié)量子阱 2DEG-溝道區(qū)；溝道區(qū)； 摻雜區(qū)與溝道區(qū)分離，雜質(zhì)摻雜區(qū)與溝道區(qū)分離，雜質(zhì)散射減小散射減小遷移率高遷移率高； 減小離化電荷減小離化電荷散射散射-加入加入本征層本征層。 GaAs MESFETGaAs MESFET：電子：電子遷移率遷移率從從900090002 2/V/Vs s 下降到下降到2000200030003000cmcm2 2/V/Vs s。 AlAlx xGaGa1-x 1-xAs/

34、GaAs As/GaAs 量子阱量子阱：電子電子遷移率遷移率可做到可做到92009200厘米厘米2 2/ /（伏（伏秒）。秒）。 AlGaAs GaA s 本征本征 N型型 N型型 N型型 2DEG 2DEG AlGaAs GaA s AlGaAs GaA s + 孤立孤立 應(yīng)用？應(yīng)用？ 49 Ec + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - E(z) E(z) 50 量子阱、超晶格：量子阱、超晶格： 量子阱：量子阱： 能量量子化（垂直界面方向）：能量量子化（垂直界面方向）： 二維載流子氣（平行界面方向）：二維載流子氣（平行界面方向）： 各能級態(tài)密度

35、是常數(shù)：各能級態(tài)密度是常數(shù)： 超晶格：超晶格： 2 2 2Lm )n( EE * nz 2 y 2 x 2 2 xyz kk m2Lm2 n E 2 2 2 m Eg 量子化能級分裂成子能帶；量子化能級分裂成子能帶； 布里淵區(qū)變成了正常晶體的布里淵區(qū)變成了正常晶體的L/a倍個；倍個； 有效禁帶寬度可調(diào)。有效禁帶寬度可調(diào)。 應(yīng)用？應(yīng)用？ 51 1-3 金屬與半導(dǎo)體的接觸金屬與半導(dǎo)體的接觸 52 1-3.1 金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖 金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù) sFs mFm EEW EEW )( )( 0 0 表示一個費(fèi)米能級處的電子，表示一個費(fèi)米能級處的電

36、子， 逸出到真空能級所需要的最小能量。逸出到真空能級所需要的最小能量。 功函數(shù)的大小標(biāo)志著束縛電子能力。功函數(shù)的大小標(biāo)志著束縛電子能力。 53 金屬功函數(shù)隨原子序數(shù)的遞增呈現(xiàn)周期性變化。 54 1-3. 2 接觸電勢差接觸電勢差 sm WW q WW V ms ms 金屬金屬-n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 金屬金屬-p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 sm WW 接觸電勢差接觸電勢差 55 1-3. 3 表面態(tài)對接觸電勢的影響表面態(tài)對接觸電勢的影響 實(shí)驗(yàn)表明：不同金屬的功函數(shù)相差較大，但與半導(dǎo)體形成的 接觸勢壘高度相差較小。（Au：4.8eV，Al：4.25eV） 原因：半導(dǎo)體表面存在表面態(tài)原因：半導(dǎo)體表面存在表面態(tài)

37、56 半導(dǎo)體表面態(tài)：半導(dǎo)體表面態(tài)： 半導(dǎo)體表面禁帶中的能級。半導(dǎo)體表面禁帶中的能級。 表面態(tài)類型：表面態(tài)類型： 施主型施主型-電子占據(jù)呈電中性，電子占據(jù)呈電中性， 釋放電子呈正電性；釋放電子呈正電性； 受主型受主型-空態(tài)時呈電中性，空態(tài)時呈電中性， 電子占據(jù)呈負(fù)電性。電子占據(jù)呈負(fù)電性。 施主型與受主型能級界點(diǎn)施主型與受主型能級界點(diǎn)-q0： 大多數(shù)半導(dǎo)體，大多數(shù)半導(dǎo)體，q0約在價帶約在價帶 之上三分之一禁帶寬度處。之上三分之一禁帶寬度處。 半導(dǎo)體表面態(tài)影響：半導(dǎo)體表面態(tài)影響： 表面態(tài)積累電荷；表面態(tài)積累電荷； 態(tài)密度很高時，費(fèi)米能級釘扎。態(tài)密度很高時，費(fèi)米能級釘扎。 表面態(tài)對金表面態(tài)對金-半接觸

38、影響：半接觸影響： 金屬與表面態(tài)交換電荷金屬與表面態(tài)交換電荷 57 1-3.4 金屬金屬-半導(dǎo)體接觸整流理論半導(dǎo)體接觸整流理論 -勢壘接觸勢壘接觸or肖特基接觸肖特基接觸 平衡態(tài)平衡態(tài)正向偏置正向偏置反向偏置反向偏置 勢壘接觸具有類似勢壘接觸具有類似p-n結(jié)的伏結(jié)的伏-安特性，即整流作用安特性，即整流作用 一、一、勢壘接觸特性勢壘接觸特性 58 1、擴(kuò)散理論、擴(kuò)散理論 適用范圍：勢壘寬度適用范圍：勢壘寬度 大于電子的平均自由程。大于電子的平均自由程。 二、勢壘接觸理論二、勢壘接觸理論 1expexp 2 00 21 0 00 2 Tk qV Tk q VV qN Tk NDq J ns s r

39、 Dcn 1exp 0T k qV JJ sD #正向?qū)妷旱停聪螂娏鞑伙柡驼驅(qū)妷旱?，反向電流不飽?59 2 2、熱電子發(fā)射理論、熱電子發(fā)射理論 適用范圍：電子平均適用范圍：電子平均 自由程大于勢壘寬度。自由程大于勢壘寬度。 1) Tk qV exp(J 1) Tk qV )exp( Tk q exp(TA JJJ 0 sT 00 ns2* smms #反向電流飽和反向電流飽和 60 三、鏡象力和隧道效應(yīng)的影響三、鏡象力和隧道效應(yīng)的影響 1.鏡像力影響鏡像力影響 61 鏡像力與隧道效應(yīng)使電流增大鏡像力與隧道效應(yīng)使電流增大 62 1-3.5 肖特基勢壘二極管肖特基勢壘二極管 金屬金屬

40、-半導(dǎo)體勢壘接觸，稱為肖特基勢壘二極管。半導(dǎo)體勢壘接觸，稱為肖特基勢壘二極管。 特點(diǎn)：多子器件；特點(diǎn)：多子器件； 優(yōu)點(diǎn)：無載流子積累，高頻特性好；優(yōu)點(diǎn)：無載流子積累，高頻特性好； 正向?qū)妷旱汀Ｕ驅(qū)妷旱汀?63 1-3.6 歐姆接觸歐姆接觸 金屬與半導(dǎo)體非整流接觸，稱歐姆接觸金屬與半導(dǎo)體非整流接觸，稱歐姆接觸。 特性：特性： 電流在接觸處產(chǎn)生的壓降遠(yuǎn)小于器件本征壓降；電流在接觸處產(chǎn)生的壓降遠(yuǎn)小于器件本征壓降； 不產(chǎn)生明顯的附加阻抗；不產(chǎn)生明顯的附加阻抗； 實(shí)現(xiàn)方法：形成反阻擋層；實(shí)現(xiàn)方法：形成反阻擋層； 利用隧道效應(yīng)利用隧道效應(yīng)。 表征：表征： 1 0 V c V I R 64 金屬金

41、屬-半導(dǎo)體接觸要點(diǎn)：半導(dǎo)體接觸要點(diǎn)： 1.能帶結(jié)構(gòu)、機(jī)理；能帶結(jié)構(gòu)、機(jī)理； 2.接觸類型、機(jī)理；接觸類型、機(jī)理； 3.接觸電勢差；接觸電勢差； 4.載流子輸運(yùn)。載流子輸運(yùn)。 q WW V ms ms sm WW sm WW 65 1-4 MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 66 67 堆積堆積 耗盡耗盡 本征本征 反型反型 平帶平帶 強(qiáng)反型強(qiáng)反型 P- - 彎曲原因：彎曲原因： 金金-半功函數(shù)；半功函數(shù)； 氧化層電荷；氧化層電荷； 偏置電壓。偏置電壓。 深耗盡深耗盡 1-4.1 、 MIS結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體表面基本狀態(tài)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體表面基本狀態(tài): 68 閾值電壓閾值電壓 VT : 定義定義: : VG=VT時時，s=2F。

42、VT = VG = Vox+ 2F Qs/ Cox = (40sq NAF)1/2/Cox Qn / Cox 開始強(qiáng)反型時，開始強(qiáng)反型時，Qn可以忽略。因此，可以忽略。因此，n n型溝道型溝道 VT = ms Qss / Cox + (40sq NAF)1/2/Cox + 2(kT/q)(NA/ni) Vox= VFB Qs/ Cox VFB = ms Qss / Cox 69 1-4.2 MOSMOS系統(tǒng)半導(dǎo)體表面物理基礎(chǔ)系統(tǒng)半導(dǎo)體表面物理基礎(chǔ)( (以以p型半導(dǎo)體為例型半導(dǎo)體為例) ) 金屬功函數(shù)金屬功函數(shù)-qm ; 半導(dǎo)體半導(dǎo)體功函數(shù)功函數(shù)-qsi 1. qm = qsi MOS系統(tǒng)系統(tǒng)平

43、帶平帶 2. qmqsi MOS系統(tǒng)系統(tǒng)-能帶彎曲能帶彎曲 1-4.1.1 MOS系統(tǒng)半導(dǎo)體平帶電壓系統(tǒng)半導(dǎo)體平帶電壓 一、金屬一、金屬-半導(dǎo)體功函數(shù)差影響半導(dǎo)體功函數(shù)差影響 平帶電壓：平帶電壓： 1 = m si = ms qmqsiqmqsi + + + + + + + + - - - - 真空能級真空能級 qm qsi - - - - 真空能級真空能級 qm qsi 70 二、二、Si-SiO2界面和界面和SiO2中電荷中電荷影響影響 1. SiO2電荷：電荷： a.固定正電荷固定正電荷： 由過剩的帶正電硅離子（未與氧結(jié)合）產(chǎn)生，在由過剩的帶正電硅離子（未與氧結(jié)合）產(chǎn)生，在Si-SiO2

44、界面界面SiO2側(cè)；側(cè)； 面密度：幾個面密度：幾個1010 cm-2，按（，按（100 (110) (111)順序增加，比例為順序增加，比例為1:2:3； b.可動可動正正電荷：電荷： 氧化過程中正的鈉離子或鉀離子沾污，在電場作用下很容易移動；氧化過程中正的鈉離子或鉀離子沾污，在電場作用下很容易移動； 面密度：幾個面密度：幾個1010 cm-2。 c.Si-SiO2界面態(tài)電荷界面態(tài)電荷: : 來源于硅表面處晶體周期性被破壞及界面處來源于硅表面處晶體周期性被破壞及界面處Si價鍵未被氧全鍵價鍵未被氧全鍵 合；合；面密度：面密度：約為約為1010-1012cm 2， ，按按(100)(110)0；能

45、帶向上彎曲時，；能帶向上彎曲時，sVFB，S0， 表面能帶向下彎曲；表面能帶向下彎曲； 半導(dǎo)體表面離化受主負(fù)電荷半導(dǎo)體表面離化受主負(fù)電荷與電子負(fù)電荷與電子負(fù)電荷 ， 金屬表面正電荷金屬表面正電荷。 半導(dǎo)體表面空穴耗盡；半導(dǎo)體表面空穴耗盡； 2. 耗盡耗盡: 離化電荷區(qū)離化電荷區(qū) -耗盡區(qū)耗盡區(qū) 可略可略 76 3.本征：本征： VGVFB，S=(Ei EF) /q 0，表面能帶向下彎曲；，表面能帶向下彎曲； 半導(dǎo)體表面離化受主負(fù)電荷半導(dǎo)體表面離化受主負(fù)電荷與電子負(fù)電荷與電子負(fù)電荷; 金屬表面正電荷金屬表面正電荷。 半導(dǎo)體表面：半導(dǎo)體表面：ns=ps=ni ； 可略可略 77 4.4.弱反弱反

46、型型 : VGVFB，S (Ei EF) /q 0，表面能帶向下彎曲；，表面能帶向下彎曲； 半導(dǎo)體表面：半導(dǎo)體表面： 載流子反型，載流子反型，ns VFB，S 2(Ei EF) /q 0，表面能帶向下彎曲；，表面能帶向下彎曲； 半導(dǎo)體表面：半導(dǎo)體表面：離化受主負(fù)電荷，反型載流子電子負(fù)電荷離化受主負(fù)電荷，反型載流子電子負(fù)電荷； 金屬表面：金屬表面：正電荷正電荷。 半導(dǎo)體表面：半導(dǎo)體表面：ns NA ，載流子強(qiáng)反型。，載流子強(qiáng)反型。 定義：定義： 79 6. 表面積累：表面積累： VG 0，s 光光子子動動量量 96 1.本征吸收本征吸收 價帶電子吸收光子能量躍遷至導(dǎo)帶。價帶電子吸收光子能量躍遷至

47、導(dǎo)帶。 Ec EV g Ehh 0 h )( )( 24. 1 0 0 m eVE hc Eh g g 長波限：長波限： # 高摻雜半導(dǎo)體：高摻雜半導(dǎo)體： Eg 能量能量-動量守恒動量守恒 直接帶隙直接帶隙 間接帶隙間接帶隙 g Eh 97 g Eh 0 h 1).直接帶隙半導(dǎo)體直接帶隙半導(dǎo)體 能量守恒：能量守恒： 動量守恒：動量守恒： 即電子躍遷保持波矢不變即電子躍遷保持波矢不變-直接躍遷直接躍遷。 吸收系數(shù)：吸收系數(shù)： C與折射率、有效質(zhì)量、與折射率、有效質(zhì)量、 介電常數(shù)、光速等有關(guān)的介電常數(shù)、光速等有關(guān)的 量，近似為常數(shù)。量，近似為常數(shù)。 Eh kk 0hkhk 子動量子動量光子動量遠(yuǎn)小

48、于能帶電光子動量遠(yuǎn)小于能帶電光子動量光子動量 g gg Eh EhEhC 0 2 1 直接躍遷直接躍遷 k kE 164 1010 cm 98 2).間接帶隙半導(dǎo)體間接帶隙半導(dǎo)體 存在：直接躍遷；存在：直接躍遷； 間接躍遷。間接躍遷。 間接躍遷間接躍遷-光子、電子、聲子共同參與。光子、電子、聲子共同參與。 能量守恒：能量守恒： 動量守恒：動量守恒： 吸收系數(shù)：吸收系數(shù)： kE k 直接躍遷直接躍遷 間接躍遷間接躍遷 含直接躍遷含直接躍遷 躍遷導(dǎo)帶低躍遷導(dǎo)帶低 電子能量差電子能量差 g g p p Eh Eh eVE Eh 2 10 p p kkk hkhkhk 即即 光光子子動動量量 Tk E

49、 EEh A EEhEE Tk E EEh Tk E EEh A EEh p pg pgpg p pg p pg pg 0 2 0 2 0 2 exp exp1exp 躍躍遷遷，吸吸收收系系數(shù)數(shù)時時，只只能能發(fā)發(fā)生生吸吸收收聲聲子子在在 數(shù)數(shù)躍躍遷遷皆皆可可發(fā)發(fā)生生，吸吸收收系系時時，吸吸收收和和發(fā)發(fā)射射聲聲子子的的在在 13 101 cm 聲子分布函數(shù)聲子分布函數(shù) 99 2.雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收 電電離離能能 1 Eh Ec Ev 躍遷過程：躍遷過程： 施主能級電子施主能級電子導(dǎo)帶導(dǎo)帶 受主能級空穴受主能級空穴-價帶價帶 電離受主能級電子電離受主能級電子-導(dǎo)帶導(dǎo)帶 電離施主能級空穴電離施主能級空

50、穴-價帶價帶 能量關(guān)系：能量關(guān)系： 施主能級電子施主能級電子導(dǎo)帶導(dǎo)帶 受主能級空穴受主能級空穴-價帶價帶 電離受主能級電子電離受主能級電子-導(dǎo)帶導(dǎo)帶 電離施主能級空穴電離施主能級空穴-價帶價帶 動量關(guān)系：束縛狀態(tài)無一定準(zhǔn)動量，躍遷后狀態(tài)不受波矢限制；動量關(guān)系：束縛狀態(tài)無一定準(zhǔn)動量，躍遷后狀態(tài)不受波矢限制； 可越遷至任意能級，引起連續(xù)吸收光譜。可越遷至任意能級，引起連續(xù)吸收光譜。 1 EEh g 100 3.自由載流子吸收自由載流子吸收 導(dǎo)帶及價帶內(nèi)電子從低能級躍遷到高能級。導(dǎo)帶及價帶內(nèi)電子從低能級躍遷到高能級。 能量守恒：能量守恒： 動量守恒：吸收或釋放聲子。動量守恒：吸收或釋放聲子。 特征：

51、吸收系數(shù)隨波長增大而增強(qiáng)。特征：吸收系數(shù)隨波長增大而增強(qiáng)。 (躍遷能量間隔小，參與聲子少躍遷能量間隔小，參與聲子少) h 自由載流子等吸收自由載流子等吸收 kE k 直接躍遷直接躍遷 間接躍遷間接躍遷 101 4.激子吸收激子吸收 激子：激子： 處于禁帶中的電子與價帶中的空穴在處于禁帶中的電子與價帶中的空穴在 庫侖場作用下束縛在一起形成的電中庫侖場作用下束縛在一起形成的電中 性系統(tǒng)。激子可以在整個晶體中運(yùn)動，性系統(tǒng)。激子可以在整個晶體中運(yùn)動， 不形成電流。不形成電流。 激子吸收：激子吸收： 價帶電子受激躍至禁帶，形成激子。價帶電子受激躍至禁帶，形成激子。 激子吸收特征：激子吸收特征： 5.晶格

52、吸收晶格吸收 光子能量直接轉(zhuǎn)換成晶格振動動能。光子能量直接轉(zhuǎn)換成晶格振動動能。 g Eh 102 # 半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收 機(jī)理：載流子吸收光能躍遷；機(jī)理：載流子吸收光能躍遷； 晶格振動吸收光能。晶格振動吸收光能。 機(jī)制：本征吸收，雜質(zhì)吸收，自由載流子吸收，機(jī)制：本征吸收，雜質(zhì)吸收，自由載流子吸收， 激子吸收，晶格振動吸收。激子吸收，晶格振動吸收。 條件：能量守恒條件：能量守恒- 動量守恒動量守恒- Eh 光光子子動動量量= =hkhk- kk hk = = 光光子子動動量量 103 三、半導(dǎo)體的光輻射三、半導(dǎo)體的光輻射 處于激發(fā)態(tài)處于激發(fā)態(tài)(高能態(tài)高能態(tài))的電子躍遷至低能態(tài)，能量以光

53、輻的電子躍遷至低能態(tài)，能量以光輻 射射(光子光子)形式釋放形式釋放-光輻射。光輻射。 光輻射光輻射光吸收逆過程。光吸收逆過程。 g Eh 1.輻射躍遷過程輻射躍遷過程 1).本征躍遷本征躍遷 導(dǎo)帶電子躍遷到價帶，與空穴復(fù)合。導(dǎo)帶電子躍遷到價帶，與空穴復(fù)合。 直接躍遷直接躍遷(直接復(fù)合直接復(fù)合)： 能量守恒：能量守恒： 波矢相等：輻射效率高。波矢相等：輻射效率高。 間接躍遷間接躍遷(間接復(fù)合間接復(fù)合)： 能量守恒：能量守恒： 波矢不等：輻射效率低。波矢不等：輻射效率低。 pg nEEh kE k 直接躍遷直接躍遷 間接躍遷間接躍遷 104 1.輻射躍遷過程輻射躍遷過程 2).非本征躍遷非本征躍遷

54、 a.導(dǎo)帶電子躍遷到雜質(zhì)能級；導(dǎo)帶電子躍遷到雜質(zhì)能級； b.雜質(zhì)能級電子躍遷到價帶；雜質(zhì)能級電子躍遷到價帶； c.雜質(zhì)能級電子躍遷到雜質(zhì)能級；雜質(zhì)能級電子躍遷到雜質(zhì)能級； d.激子復(fù)合：激子復(fù)合：激子中電子與空穴復(fù)合，激子中電子與空穴復(fù)合， e.等電子中心復(fù)合：等電子中心復(fù)合： 等電子：同價原子替代晶體原子。等電子：同價原子替代晶體原子。 等電子中心：等電子中心：替代原子與晶體原子序數(shù)不同，內(nèi)層原子結(jié)構(gòu)不替代原子與晶體原子序數(shù)不同，內(nèi)層原子結(jié)構(gòu)不 同，電負(fù)性不同。原子序數(shù)小，對電子親和力大，易俘獲電子，同，電負(fù)性不同。原子序數(shù)小，對電子親和力大，易俘獲電子， 形成負(fù)電中心。反之，形成正電中心。

55、該中心成為等電子中心。形成負(fù)電中心。反之，形成正電中心。該中心成為等電子中心。 等電子中心復(fù)合：等電子中心俘獲相反類型載流子，形成激子等電子中心復(fù)合：等電子中心俘獲相反類型載流子，形成激子- 復(fù)合。復(fù)合。 f.等分子中心復(fù)合：等分子中心復(fù)合： 等分子中心：等分子中心：化合物材料中分子被另一種等價分子替代，電負(fù)化合物材料中分子被另一種等價分子替代，電負(fù) 性不同，形成等分子中心。性不同，形成等分子中心。 等分子中心復(fù)合：等分子中心復(fù)合：等分子中心俘獲電子，形成負(fù)電中心，再俘等分子中心俘獲電子，形成負(fù)電中心，再俘 獲相反類型載流子，形成激子獲相反類型載流子，形成激子-復(fù)合。復(fù)合。 束縛能；束縛能；

56、Eh 105 2.光子與電子相互作用的物理過程光子與電子相互作用的物理過程 a.光的自發(fā)輻射光的自發(fā)輻射 處于激發(fā)態(tài)的電子以處于激發(fā)態(tài)的電子以一定幾率、隨機(jī)一定幾率、隨機(jī)地躍遷地躍遷 至低能態(tài)與空穴復(fù)合發(fā)光。至低能態(tài)與空穴復(fù)合發(fā)光。 特征：特征：非相干光非相干光-發(fā)光二極管發(fā)光二極管工作基礎(chǔ)。工作基礎(chǔ)。 b.光的受激輻射光的受激輻射 高能電子在光子作用下，躍遷至能量差與光高能電子在光子作用下，躍遷至能量差與光 子能量相等的低能級，同時發(fā)射另一個與入子能量相等的低能級，同時發(fā)射另一個與入 射光子射光子全同全同的光子。的光子。 特征：特征：相干光相干光激光器激光器工作基礎(chǔ)。工作基礎(chǔ)。 c.光的受激

57、吸收光的受激吸收 低能態(tài)電子吸收光子能量躍遷高能態(tài)低能態(tài)電子吸收光子能量躍遷高能態(tài) 。 特征：特征：光電探測器光電探測器太陽電池太陽電池CCD工作基礎(chǔ)。工作基礎(chǔ)。 106 a.光的自發(fā)輻射光的自發(fā)輻射 自發(fā)發(fā)射自發(fā)發(fā)射(輻射輻射)速率速率 r21(sp)： 單位時間、單位體積內(nèi)從單位時間、單位體積內(nèi)從E2能級躍遷到能級躍遷到E1能級的電子數(shù)。能級的電子數(shù)。 與：與： 電子占據(jù)電子占據(jù)E2能級幾率、能級幾率、E2能級密度，能級密度， 電子未占據(jù)電子未占據(jù)E1能級幾率、能級幾率、 E1能級密度成正比。能級密度成正比。 愛因斯坦自發(fā)輻射系數(shù)愛因斯坦自發(fā)輻射系數(shù) 21 A kT EE Ef kT EE

58、 Ef EfENEfENAspr FF VC 1 1 2 2 11222121 exp1 1 1; exp1 1 1)()( E2 E1 107 受激發(fā)射受激發(fā)射(輻射輻射)速率速率r21(st)： 單位時間、單位體積內(nèi)，在能量為單位時間、單位體積內(nèi)，在能量為hv=E2- E1光子作用下從光子作用下從E2能能 級躍遷到級躍遷到 E1能級電子數(shù)。能級電子數(shù)。 顯然：受激發(fā)射速率與電子占據(jù)顯然：受激發(fā)射速率與電子占據(jù)E2能級幾率、能級幾率、E2能級密度，能級密度， 電子未占據(jù)電子未占據(jù)E1能級幾率、能級幾率、 E1能級密度，光子流密度正比。能級密度，光子流密度正比。 b.光的受激輻射光的受激輻射

59、數(shù)數(shù)：愛愛因因斯斯坦坦受受激激發(fā)發(fā)射射系系光光子子密密度度 21 1 1 2 2 11222121 ;: )( exp1 1 1; exp1 1 )(1)()( Bh kT EE Ef kT EE Ef hEfENEfENBstr FF VC E2 E1 108 c.光的受激吸收光的受激吸收 受激吸收速率受激吸收速率r12 (st)： 單位時間、單位時間、 單位體積內(nèi)單位體積內(nèi)E1能級上電子在能量為能級上電子在能量為hv=E2- E1光子作光子作 用下，躍遷到用下，躍遷到E2能級電子數(shù)。能級電子數(shù)。 顯然：受激吸收速率與電子占據(jù)顯然：受激吸收速率與電子占據(jù)E1能級幾率、能級幾率、E1能級密度，

60、能級密度， 電子未占據(jù)電子未占據(jù)E2能級幾率、能級幾率、 E2能級密度，光子流密度正比。能級密度，光子流密度正比。 數(shù)數(shù)：愛愛因因斯斯坦坦受受激激吸吸收收系系光光子子密密度度 12 2 2 1 1 22111212 ;: exp1 1 1; exp1 1 )(1 B kT EE Ef kT EE Ef hEfENEfENBstr FF CV E2 E1 109 3.自發(fā)發(fā)射、受激發(fā)射、受激吸收愛因斯坦系數(shù)的關(guān)系自發(fā)發(fā)射、受激發(fā)射、受激吸收愛因斯坦系數(shù)的關(guān)系 strstrspr 122121 自發(fā)輻射光子數(shù)自發(fā)輻射光子數(shù)受激輻射光子數(shù)受激輻射光子數(shù)受激吸收光子數(shù)受激吸收光子數(shù) 熱平衡條件下，總發(fā)