現(xiàn)代電子材料與元器件5

1、第五章化合物半導體器件光電工程學院微電子教研中心馮世娟25.1 pn結(jié)*5.2 雙極型晶體管*q異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管5.3 場效應(yīng)晶體管*qGaAs MESFETq高電子遷移率晶體管高電子遷移率晶體管5.4 半導體光源半導體光源q激光器激光器q發(fā)光二極管發(fā)光二極管5.5 半導體光電探測器半導體光電探測器35.1 pn結(jié)npn結(jié)？q空間電荷區(qū)q（耗盡區(qū)、渡越區(qū)）45.1 pn結(jié)n耗盡層近似n準中性近似n內(nèi)建電場和內(nèi)建電勢2lnadoiN NkTVqndnoqN WE 注意：1.內(nèi)建電勢與摻雜、材料性質(zhì)有關(guān)。2.內(nèi)建電勢在橫跨在pn結(jié)上的電壓，而不是橫跨在二極管上的電壓55.1 p

2、n結(jié)n載流子的分布n耗盡區(qū)寬度000000expexppnpnnqVnkTpqVpkT1/22adooadNNVWqN N注意：耗盡區(qū)寬度正比于V01/2。 導致耗盡區(qū)電容依賴于電壓。65.1 pn結(jié)n正偏：擴散電流q越過勢壘的概率q內(nèi)建電場q少子注入少子注入 0exp0expnnoppoqVppkTqVnnkT結(jié)定律結(jié)定律描述外加電壓對注入少子濃度的影響描述外加電壓對注入少子濃度的影響75.1 pn結(jié)n少子注入少子擴散n少子擴散電流密度n總電流2,holeexp1piDpdqD nqVJL NkT注意：1.假定耗盡區(qū)很窄，電子和空穴電流跨越耗盡區(qū)時幾乎不變。2.假定中性區(qū)長度大于少子的擴散長

3、度。長二極管exp1soqVJJkT2hesoihdeaqDqDJnL NL N肖克利公式肖克利公式85.1 pn結(jié)n短二極管n中性區(qū)長度比擴散長度短n耗盡區(qū)邊界，滿足結(jié)定律n中性區(qū)邊界，不存在過剩少子n擴散區(qū)（中性區(qū)）內(nèi)，少子不復合n流經(jīng)中性區(qū)的電流保持不變2exp1pnindpaqDqDqVJnNNkT95.1 pn結(jié)n正偏：復合電流耗盡區(qū)不完全耗盡，耗盡區(qū)不完全耗盡，存在復合電流。存在復合電流。recomexp/ 21roJJqVkT2pinronpWqnWJ105.1 pn結(jié)n正偏：總電流expexp2soroqVqVJJJkTkTkTVqkTeVJJoexp理想因子1：擴散電流為主2

4、：復合電流為主115.1 pn結(jié)n反偏2s0pnipdnaqDqDJnL NL N反向飽和電流密度反向飽和電流密度依賴于材料，依賴于外加電壓，依賴于材料，依賴于外加電壓，依賴于溫度依賴于溫度125.1 pn結(jié)n除了反向擴散電流外，還存在熱產(chǎn)生電流 反偏時空間電荷區(qū)內(nèi)載流子濃度低于平衡值，故產(chǎn)生率大于產(chǎn)生率大于復合率復合率，凈產(chǎn)生率不為零。 反偏下，產(chǎn)生的電子-空穴對馬上被空間電場分開拉向兩側(cè)，從而形成了勢壘產(chǎn)生電流，也稱為熱產(chǎn)生電流熱產(chǎn)生電流。genigqWnJ135.1 pn結(jié)nPN結(jié)反向電流反向擴散電流勢壘產(chǎn)生電流表面漏電流q擴散區(qū)表面和勢壘區(qū)表面的復合中心產(chǎn)生電子空穴對，前者使反向擴散電

5、流增加，而后者使勢壘產(chǎn)生電流增加。q表面沾污。主要是工藝不良引起Na沾污，或者是水汽分子，相當于表面形成一個電導，形成漏電通路。qSiO2層被Na嚴重沾污，或者原材料本身是高補償型的，則在P型SiO2層下Si表面處極易形成反型層。結(jié)果是使PN結(jié)實際面積增大，空間電荷區(qū)產(chǎn)生電流大大增加。145.1 pn結(jié)n注入比注入比q當pn結(jié)加正向電壓時，n區(qū)向p區(qū)注入的電子電流與p區(qū)向n區(qū)注入的空穴電流之比。q對于同質(zhì)結(jié)，221211 1012022122021210pnpnnipnppniLD LiqD nn niLqDpD Ln pnpdpanpnND LiiD L N所以決定同質(zhì)結(jié)注入比的是摻雜濃度，

6、要得到高注入比pn結(jié)的一邊應(yīng)高摻雜。所以一般作為發(fā)射極的材料都是重摻雜。155.1 pn結(jié)n注入比注入比q對于突變異質(zhì)結(jié)，q對于緩變異質(zhì)結(jié)，1expexpnvdvpiEqVEiexpngpiEi因此為了得到有利的注入比，可選擇適合的長度和漸變方式，從而使能帶圖趨于平滑。一般來說，異質(zhì)結(jié)晶體管的發(fā)射結(jié)都是采用緩變的。165.1 pn結(jié)n注入比注入比禁帶寬度是決定異質(zhì)結(jié)注入比的關(guān)鍵因素。對于p-GaAs/n-Al0.3Ga0.7As異質(zhì)結(jié)，其注入比大約為7.4105。在晶體管、半導體激光器中，注入比是一個很重要的物理量，它決定了晶體管的放大倍數(shù)、激光器的閾值電流和注入效率等。這是因為在總電流中，只

7、有注入到基區(qū)（或作用區(qū)）中的少子才對器件有作用。而在異質(zhì)結(jié)中可以用寬帶材料做效率很高的發(fā)射極，這是異質(zhì)結(jié)器件的一個重要優(yōu)點。175.2 雙極型晶體管(1)發(fā)射區(qū)的雜質(zhì)總量遠大于基區(qū)，當發(fā)射區(qū)的雜質(zhì)總量遠大于基區(qū)，當WE與與WB接近時，接近時，即要求即要求NE NB 。(2)基區(qū)必須很薄，即基區(qū)必須很薄，即WB LB 。要使晶體管區(qū)別于兩個二極管的串聯(lián)而具有放大作用，必須滿足兩個基本條件：晶體管放大電路有兩種基本類型：晶體管放大電路有兩種基本類型：共基極共基極接法、接法、共發(fā)射極共發(fā)射極接法。接法。185.2.1 基本原理n基極相對于集電極和發(fā)射極的偏置電壓是公共的，稱為共基極（共基極（CB）電

8、路電路n發(fā)射極重摻雜n中性基區(qū)寬度WB195.2.1 基本原理nEB正偏正偏q空穴注入基極空穴注入基極q電子注入發(fā)射極電子注入發(fā)射極（少）（少）nCB反偏反偏q空穴驅(qū)趕到集電極空穴驅(qū)趕到集電極q熱產(chǎn)生電流（漏電流）熱產(chǎn)生電流（漏電流）nB區(qū)內(nèi)，電子和空穴復合區(qū)內(nèi)，電子和空穴復合nrnEEprpEpCCnrnEBnEpEEIIIIIIIIIIIII,205.2.1 基本原理n先計算發(fā)射極結(jié)的擴散電流n當WBLh時，即短二極管(0)expEBnnoqVppkT0)(BnWp0(0)pnnEpxBqAD pdpIqADdxW exppnoEBEBqAD pqVIWkT發(fā)射極電流發(fā)射極電流215.2.

9、1 基本原理nIE由EB結(jié)上的正向偏置VEB和基區(qū)寬度WB來決定n當不考慮復合時，IC=IEn輸入電路的VEB對輸出電流的IC進行控制，這就是晶體管特性的本質(zhì)。n共基極電路獲得功率增益225.2.1 基本原理n共基極電流增益（晶體管的電流轉(zhuǎn)換率）q理論值小于1q發(fā)射極注入效率的限制q基極復合的存在n基極傳輸因子n少子渡越時間ECII11pEnEpEnEpEIIIIICCTpEEIIII22BBpWD理想理想1BEEBWW235.2.1 基本原理n共基極電流增益nB時間內(nèi)復合的幾率為B/ p，n穿越過基極的幾率為1- B/ p1CBTpEpII 1BTp 基極傳輸因子基極傳輸因子共基極電流增益共

10、基極電流增益245.2.1 基本原理n再來考慮基極電流1BBBpEnEEEppIIIIIBECIII晶體管的電流增益1pCBBII255.2.1 基本原理n現(xiàn)在考慮集電極電流n熱產(chǎn)生的漏電流？q讓IE開路q只有漏電流ICBO (1)CECBOBECBOIIIIIIexppnoEBEBqAD pqVIWkT晶體管的本質(zhì)是IE受VEB控制作用，即IC也受VEB控制。265.2.1 基本原理n直流特性n厄利效應(yīng)275.2.1 基本原理n 2BCEBAdBdBCEW VWVdxxdV可見，為減小厄爾利效應(yīng)，應(yīng)增大基區(qū)寬度WB , 減小集電結(jié)耗盡區(qū)在基區(qū)內(nèi)的寬度 xdB, 即增大基區(qū)摻雜濃度NB 。28

11、5.2.1 基本原理n截止頻率n特征頻率fTq1所對應(yīng)的工作頻率（電流放大最高工作頻率）q基區(qū)渡越時間q發(fā)射極延遲時間q減薄基區(qū)寬度WB，可采用淺結(jié)擴散或離子注入技術(shù)q降低基區(qū)摻雜濃度NB以提高DnB；適當提高基區(qū)雜質(zhì)濃度梯度，以建立一定的基區(qū)自建電場。q減小結(jié)面積AE、AC，減小集電區(qū)電阻及厚度，以減小結(jié)電容。29n同質(zhì)雙極型晶體管在改進器件的高速性能時存在有本征限制。q獲得高增益需要提高發(fā)射區(qū)摻雜濃度，減薄基區(qū)寬度。q提高fT需要減小發(fā)射區(qū)電容，減少基區(qū)電阻，減小集電區(qū)電阻。q減小厄爾利效應(yīng)，又要增大基區(qū)寬度，或增大基區(qū)摻雜濃度。q典型的硅基BJT中，基區(qū)的摻雜和寬度都是折中考慮，器件的延

12、遲主要是由基區(qū)渡越時間所確定的。5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 30n寬帶隙發(fā)射極的設(shè)計可以放寬對基區(qū)摻雜濃度的限制，因為輕摻雜的發(fā)射極和重摻雜的基區(qū)可以保持足夠的發(fā)射效率，同時采用具有低電阻的薄基區(qū)的結(jié)構(gòu)。q這種設(shè)計可以顯著改進器件的性能。q自從1970年開始，由于MBE和MOVPE技術(shù)的實用化，使得使用晶格匹配的III-V化合物半導體系統(tǒng)（諸如AlGaAs/GaAs、InP/InGaAs、InAlAs/InGaAs）制作HBT晶體管成為可能。硅基的HBT技術(shù)也已經(jīng)開出來了，可采用SiGe，SiC和氧摻雜的Si來構(gòu)造發(fā)射極/基區(qū)異質(zhì)結(jié)。5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 31n1 HBT基本結(jié)構(gòu)

13、 q臺面型q離子注入型5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 利用液相外延法或分子束外延法在高摻雜的GaAs或InP襯底上依次生長摻雜合適的集電區(qū)、基區(qū)和發(fā)射區(qū)的外延層形成npn結(jié)構(gòu)，再用光刻法刻出臺面，分別做上歐姆電極。先用液相外延在n+型InP襯底上生長一個InGaAs/InP的nn型異質(zhì)結(jié)，然后用Be、Si進行三次離子注入形成npn結(jié)構(gòu)，離子注入型的結(jié)構(gòu)更利于集成化。32n1 HBT基本結(jié)構(gòu)q離子注入型的特點包括基區(qū)接觸電阻小、層結(jié)構(gòu)組合的靈活性、C-B電容低等。q臺面型（自對準工藝）的特點是簡單，快速，低溫工藝，基區(qū)接觸電阻非常高，電流增益比較低等。 5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 33n2

14、HBT器件的直流特性 5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 考慮一個緩變npn異質(zhì)結(jié)，其能帶如圖所示。發(fā)射區(qū)為n型寬帶材料，基區(qū)和集電區(qū)為窄帶材料。發(fā)射極電流由三部分組成：越過勢壘由發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)導帶中稱為少子的電子電流In；通過界面缺陷進入基區(qū)價帶和空穴復合的電流Id（包括復合電流和隧道電流）；基區(qū)空穴越過勢壘進入發(fā)射極的空穴電流Ip。集電極反偏，反向電流主要由發(fā)射極注入到基區(qū)的少子漂移到集電區(qū)形成Ic，同時將在基區(qū)復合一部分，形成基區(qū)復合電流Ir 。34n2 HBT器件的直流特性 5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 EnpdBprdCnrIIIIIIIIIII則增益CnrBprdIIIIIIInp

15、IImax異質(zhì)結(jié)的注入比用寬帶材料做發(fā)射極可以使max達到105左右。但實際的晶體管達不到這個極限。35n2 HBT器件的直流特性 5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 緩變異質(zhì)結(jié)的注入比：maxexp/nEnBgBpBpEJNEk TJN即使是在NE100，則Eg應(yīng)當0.24eV，這對應(yīng)的是Al含量在22%左右的寬禁帶AlGaAs發(fā)射極。注意：x=0.25時， Eg=0.39eV，注入效率顯著提高； x0.2時，AlGaAs層出現(xiàn)深施主，發(fā)射區(qū)電容增加。36n2 HBT器件的直流特性 5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 采用緩變發(fā)射結(jié)的不足之處不足之處在于(1)在抑制由基區(qū)注入到發(fā)射區(qū)的空穴不是特別有

16、效(所造成的降低可以部分由基區(qū)電子速度增加來補償)，(2)可能會有基區(qū)雜質(zhì)的擴散。 優(yōu)點優(yōu)點有：(1) 由于發(fā)射結(jié)緩變，存在自建電場，使得其空間電荷區(qū)的載流子復合減??；(2)同時提高了電子的注入；(3)異質(zhì)結(jié)的選取上更方便。37n2 HBT器件的直流特性q討論討論影響增益的因素：n注入效率，它是注入電子電流In和總的發(fā)射極電流之比n基區(qū)輸運系數(shù)T 5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 nnpdIIIInrTnIII38n2 HBT器件的直流特性q假設(shè)基區(qū)輸運系數(shù)T為1，即基區(qū)足夠薄，復合可忽略q注入效率為q增益為5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 nndIIIndIIexp(/)qVkTexp(/)qV

17、kT1exp(1)(/)qVkTn當InId時，發(fā)射極總電流IEIn，則1(1)nEI這說明復合電流的存在使得晶體管的增益隨著發(fā)射極電流的增加而增加。39n2 HBT器件的直流特性 5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 AlGaAs/GaAs HBT中的基極電流遠比硅基BJT器件的復雜。AlGaAs中深能級缺陷對于控制發(fā)射結(jié)的復合中心起到了非常重要的作用。一般來說，HBT基區(qū)電流可能包含以下四項：(1)基區(qū)的復合電流，(2)發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)的復合電流，(3)發(fā)射區(qū)注入的空穴電流，(4)環(huán)路電流。 exp/BBEBIqVnk Tn為二極管的理想化因子，其值在1-2之間。40n2 HBT器件的直流特性

18、5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 當基區(qū)電流主要是基區(qū)復合電流時，n值接近于1，電流增益為常數(shù)。如果基區(qū)電流主要是發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)的復合電流時，此時n=2，電流增益隨IC的增加而增加，隨溫度的升高而減小。如果是以發(fā)射區(qū)注入的空穴電流為主時，n=1，電流增益隨溫度的升高而減小。 需要注意的是，采用寬帶隙材料為發(fā)射區(qū)，使得其ni較小，從而相對于Si BJT來講，HBT的發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)復合電流比基區(qū)復合電流所占比例更大。還有比如表面復合電流、隧道電流（基區(qū)重摻雜）也需討論。41n2 HBT器件的直流特性 q假設(shè)注入效率足夠高，即=1q增益為5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 1exp() 11nrTBT

19、rnIIWIL少子的擴散長度越大，基區(qū)越薄，增益越高。當然，增益還與溫度有關(guān)，比如擴散長度是溫度的函數(shù)，各種電流組分均與溫度有不同的函數(shù)關(guān)系。42n2 HBT器件的直流特性 q或者5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 nB基區(qū)電子壽命 基區(qū)渡越時間 基區(qū)均勻摻雜，由擴散控制 2/2BBWD基區(qū)緩變，由漂移控制 /BBnW 為了獲得高的電流增益，B就要求盡可能的小。所以采用緩變發(fā)射結(jié)緩變基區(qū)HBT，當基區(qū)很薄，電場很強，需要考慮速度過沖。 43n2 HBT器件的頻率特性 q在實際晶體管中并不要求增益無限制地增大，高增益甚至會導致器件特性不穩(wěn)定。q異質(zhì)結(jié)注入比大的優(yōu)點并不完全用來增大增益，更重要的是用來

20、提高晶體管的頻率特性。q同質(zhì)結(jié)晶體管提高注入比的辦法是使發(fā)射極高摻雜而基區(qū)低摻雜，結(jié)果造成發(fā)射極電容和基區(qū)電阻都比較大。q而在異質(zhì)結(jié)晶體管中在保證得到同樣的注入比條件下，可使發(fā)射極摻雜降低而基區(qū)摻雜增高，從而減少了發(fā)射極的電容和基區(qū)電阻。5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 44n2 HBT器件的頻率特性q截止頻率fT是一個非常重要的品質(zhì)因子。它描述的是使共發(fā)射極電流增益變?yōu)?時的頻率。5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 12ECBTCTfCccTCr C22BBBnnWWDcTCsx發(fā)射極電容充電時間 集電極充放電時間 有效基區(qū)少子渡越時間 載流子渡越集電極-基極的時間 4(0)BEeTEDETEEk

21、 Tr CCCqI45n2 HBT器件的頻率特性 5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 HBT的功率增益 28TbbTCfGf r C說明：功率增益與截止頻率成正比，與基區(qū)寄生電阻和集電極-基極結(jié)電容成反比。GaAs的電子遷移率高可以降低B和rcc，同時又使得截止頻率和功率增益增加。采用緩變基區(qū)后， B可進一步減小。當AlGaAs/GaAs HBT的發(fā)射極寬度為1.2m時，器件的截止頻率可高達75GHz。 46n除了基于GaAs材料的HBT，還有其他幾種新型的HBT，如基于InP的DHBT器件等。5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 當集電極結(jié)也做成異質(zhì)結(jié)時，就是所謂的雙異質(zhì)結(jié)晶體管。其優(yōu)點是可以抑制由基

22、區(qū)進入集電區(qū)的少子電流，同時增大的擊穿電壓，減少了漏電流，并在邏輯集成電路中發(fā)射極和集電極能夠互換。中國科學院微電子所研制成功的DHBT器件擊穿電壓大于6V，最高電流增益截止頻率達到176GHz，最大振蕩頻率高達253GHz。47n如基于Si/SiGe的應(yīng)變HBT。5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 當這類HBT具有很高的注入效率；同時采用成熟的Si工藝，工藝簡單可靠，價格便宜，機械和導熱性能良好，可以在同一襯底上集成電子或光電子器件。48n請總結(jié)思考：HBT與Si BJT相比有哪些優(yōu)勢？5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 49n場效應(yīng)晶體管是區(qū)別于雙極型晶體管的另一大類晶體管。它通過改變垂直于導電溝

23、道的電場強度來控制溝道的導電能力，從而調(diào)制通過溝道的電流。由于場效應(yīng)晶體管的工作電流僅由多數(shù)載流子輸運，故又稱之為“單極型場效應(yīng)晶體管”。n根據(jù)其結(jié)構(gòu)(主要指柵極結(jié)構(gòu))和制作工藝，F(xiàn)ET可分為三類：q結(jié)型柵場效應(yīng)晶體管(縮寫JFET)，由于原理上近似，有時也將肖特基柵場效應(yīng)晶體管金屬-半導體場效應(yīng)晶體管(縮寫MESFET)劃歸此類；q絕緣柵場效應(yīng)晶體管(縮寫IGFET) ，MOSFET屬于此類；q薄膜場效應(yīng)晶體管(縮寫TFT)。5.3 場效應(yīng)晶體管50n結(jié)型柵場效應(yīng)晶體管，其柵極的控制作用是通過反向偏置pn結(jié)或肖特基結(jié)來實現(xiàn)的。其導電過程發(fā)生在半導體材料的體內(nèi)，故JFET屬于“體內(nèi)場效應(yīng)器件體

24、內(nèi)場效應(yīng)器件”。絕緣柵場效應(yīng)晶體管和薄膜場效應(yīng)晶體管的導電過程均發(fā)生在半導體表面薄層內(nèi)。故從導電機構(gòu)的角度看，它們均屬于“表面場效應(yīng)器件表面場效應(yīng)器件”。n無論是“體內(nèi)的”，還是“表面的”，它們都具有場效應(yīng)半導體器件的共同特點：q體積小、重量輕、直流輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好等；q與雙極型晶體管相比是一種電壓控制器件通過輸入電壓的改變控制輸出電流，而雙極型晶體管為電流控制器件。5.3 場效應(yīng)晶體管51n以JFET為例，其基本結(jié)構(gòu)如圖5.3.1 JEFT52nJFET的工作原理5.3.1 JEFT0GSVDSDABVIRPDAPVIR53nJFET的工作原理5.3.1 JEFT2GSVV P

25、GSDAPVVIR54nJFET的工作原理5.3.1 JEFT5GSVV 特性曲線55nJFET的工作原理qIDS相對獨立于VDS，而受柵極電壓VGS的控制。類似于BJT晶體管中集電極電流受控于基極-發(fā)射極電壓。5.3.1 JEFT晶體管效應(yīng)就是指在漏-源電路中柵-源電壓VGS對漏極電流IDS的控制作用。56qJFET的名稱來源于在反偏的耗盡層中通過變化VGS來調(diào)節(jié)電場，而改變耗盡層向溝道內(nèi)延伸，進而改變溝道電阻的這個效應(yīng)。q該作用被認為是基于場效應(yīng)。因為在柵和溝道之間有個p+-n結(jié)，所以稱為結(jié)型場效應(yīng)晶體管。這個反偏的結(jié)對柵和溝道起到隔離的作用。q發(fā)生夾斷后的區(qū)域稱為電流飽和區(qū)，需要注意的是

26、JFET的飽和區(qū)是起放大作用的，與BJT的飽和區(qū)不要混淆。5.3.1 JEFT57nJFET的工作原理5.3.1 JEFT2Dps2qN aV夾斷電壓 閾值電壓 TbiPVV電壓增益 ()DmgsdsVmDgsgsRg vvAg Rvv 58n表面場效應(yīng)概念的提出可以追溯到1926年。n滲透到半導體中的場，決定其中的載流子的多少積累/耗盡/反型。nFET的種類很多，結(jié)構(gòu)類似，不同的是溝道位于何處、溝道-柵絕緣如何實現(xiàn)、柵絕緣層的材料不同、溝道是否摻雜等。5.3.2 MOSFET59n金屬金屬-氧化物氧化物-半導體半導體（有時叫做金屬金屬-氧化物氧化物-硅硅）場效應(yīng)場效應(yīng)晶體管晶體管常常稱為MO

27、SFET，也簡稱為MOST（金屬金屬-氧化氧化物物-半導體晶體管半導體晶體管）。n它歸屬于稱為IGFET（絕緣柵場效應(yīng)晶體管絕緣柵場效應(yīng)晶體管）或MISFET（金屬金屬-絕緣體絕緣體-半導體場效應(yīng)晶體管半導體場效應(yīng)晶體管）的一大類器件，這類器件有一個用介質(zhì)層與半導體呈電隔離的柵極。MOSFET有作為絕緣層的氧化物，因為Si上熱生長的氧化物/半導體界面接近理想情況，所以它通常指的是硅器件。n另一方面，MISFET則意指基于化合物半導體的IGFET。5.3.2 MOSFET60nMOSFET的工作原理5.3.2 MOSFET,0GSTDSVV V(),GSTDSDS satVV VV(),GSTD

28、SDS satVV VV(),GSTDSDS satVV VVDSDn chVIR()DS satDAPchVIR夾斷夾斷615.3.2 MOSFETn當VGSVT后， ID先隨VDS線性增加，再趨向飽和。n當VDS VDS(sat)后， ID幾乎不依賴于VDS，而是明顯依賴于VGS。此時漏-源輸出電路中的飽和漏極電流ID幾乎完全由柵-源輸入電路上的VGS的控制。這就是MOSFET的工作機制。增強增強的意思是，在漏源之間需要一個超過VT的柵電壓來形成導電溝道。625.3.2 MOSFETn閾值電壓nMOSFET的閾值電壓閾值電壓VT是柵極下面的半導體表面呈現(xiàn)強強反型反型，從而出現(xiàn)導電溝道時所加

29、的柵源電壓柵源電壓。強反型強反型：是指半導體表面積累的少數(shù)載流子的濃度達到和超過體內(nèi)多子濃度的狀態(tài)；或者半導體表面能帶彎曲至表半導體表面能帶彎曲至表面勢等于兩倍費米勢面勢等于兩倍費米勢。實際上，柵源電壓除了提供反型的2倍費米勢外，還需要建建立耗盡層電荷立耗盡層電荷、抵消金抵消金-半之間接觸電勢差半之間接觸電勢差、以及補償氧化補償氧化層中電荷層中電荷。63nMESFET是金屬金屬-半導體半導體-場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管的縮寫。實用場效應(yīng)晶體管的JFET形式于1953年實現(xiàn)，而MOSFET形式則于1960年實現(xiàn)。n由于硅材料的獨特的、接近理想的天然氧化物性質(zhì)，所以MOSFET只使用硅材料。nMES

30、FET更適合用化合物半導體制備，GaAs已成為制作這種器件的主流材料。與JFET相比，它在制作工藝方面具有優(yōu)勢。n目前，MESFET是高速和微波電路的主導器件。5.3.3 GaAs MESFET 645.3.3 GaAs MESFET n與硅基MOSFET器件性能相比，GaAs MESFET器件的性能有了很顯著的提高，這主要是材料的特性所造成的。 qGaAs導帶電子的遷移率是是Si的6倍，峰值遷移速率是Si的2倍。 q器件的有源層是生長在半絕緣的GaAs襯底上的，GaAs的電阻率高達107cm。而與此相對比，本征Si的典型電阻率為30cm。qGaAs的少子壽命短 。 低的寄生電阻，較大的跨導，

31、以及較短的電子渡越時間 低的寄生電容 很好的抗輻照能力 65nMESFET是一種由Schottky勢壘柵極構(gòu)成的場效應(yīng)晶體管。它與p-n結(jié)型柵場效應(yīng)晶體管相比，只是用金屬-半導體接觸勢壘代替了p-n結(jié)柵。nMESFET的工作原理與JFET基本相同，但有兩點差異： q在長溝道(0.52m) GaAs-MESFET中，速度飽和模型能較好地描述I-V特性； q對于柵長動量弛豫時間，則電子的輸運將是瞬態(tài)的，有明顯的速度過沖效應(yīng)速度過沖效應(yīng)(對短溝道Si器件，無明顯的速度過沖)。5.3.3 GaAs MESFET 665.3.3 GaAs MESFET n1 基本結(jié)構(gòu) 它是在半絕緣的GaAs襯底上外延生

32、長一層n-GaAs作為有源層，并在該層上生長一層金屬形成肖特基勢壘，再引出柵極（G），并在柵極兩側(cè)形成歐姆接觸作為源極（S）和漏極（D）。源漏之間的導電層構(gòu)成了溝道，溝道電阻由柵源電壓Vgs進行調(diào)節(jié)。半導體-金屬柵極接觸在MESFET溝道中產(chǎn)生了一個耗盡區(qū)，該耗盡區(qū)的厚度依賴于柵源電壓Vgs。 67n2 直流特性 nMESFET與JFET相似，差別在于(1)它是單柵極，(2)柵極由金屬-半導體結(jié)形成。n其源極和漏極之間的晶體管電流主要受柵極控制。柵偏置對柵區(qū)下方的耗盡層寬度進行調(diào)制，以改變溝道開口。n分析可知，如果沿溝道的電勢變化比垂直于溝道的?。ㄏ喈斢贚），則可使用漸變溝道近似，在該近似下可

33、應(yīng)用一維解處理。 5.3.3 GaAs MESFET 22DpqN AVTpbiVVV 68n2 直流特性 5.3.3 GaAs MESFET ( )chchDdI dxdVI dRq N W AA x1/22( )( )dbiGDA xV xVVqN3/23/201/223ibiGbiGchipVVVVVIgVVFET晶體管的基本方程 69n2 直流特性5.3.3 GaAs MESFET 根據(jù)肖特基模型，電流飽和發(fā)生在導電溝道在漏極一側(cè)夾斷時。 3/201/21233SbiGchpobiGsatpVVIgVVVV定性上講，若漏極偏置高于VD，sat，夾斷點開始向源極移動。但是，夾斷點的電勢始

34、終保持為VD，sat，而與VD無關(guān)。因此漂移區(qū)內(nèi)的電場保持恒定不變，從而引起電流飽和。D,satGTVVV70n2 直流特性5.3.3 GaAs MESFET 實際表明，Isat并不隨VD完全飽和，這是由于源區(qū)和夾斷點之間的有效溝道長度減小的緣故。 3/201/21233SbiGchpobiGsatpVVIgVVVV71n2 直流特性p以上分析都是基于假設(shè)為遷移率模式。p在短溝道器件（L1m）中，溝道縱向電場高到足以驅(qū)動載流子到速度飽和。其速度-電場關(guān)系可以用臨界電場Ec和飽和速度來表征。5.3.3 GaAs MESFET p在這種情況下，甚至在夾斷之前，電流也將隨VD飽和，并有新的VD，sa

35、t值。D,satcVE L72n2 直流特性5.3.3 GaAs MESFET 11/SDSDSDScgIIVE L電子速率飽和時的臨界電場 柵極長度 21tanhDSGSTDSDSIVVVV短溝道下情況下的飽和電流經(jīng)驗公式73n2 直流特性5.3.3 GaAs MESFET ds cdsmgsVIgV在固定的漏極電壓（Vds）下，溝道電流（Ids）被柵極電壓（Vgs）的調(diào)制作用。器件的跨導1/201biGSmpVVggV遷移率模式satDmPbiG2()Sqv WANgV VV速度飽和模式與遷移率模式相比，VD，sat、Isat和gm，sat全都因速度飽和而下降。 74n2 直流特性5.3.

36、3 GaAs MESFET 電壓增益AV dsmVgsdsVgAVggs cdsdsdsVIgV圖5.14 實驗測量得到的GaAs MESFET輸出特性曲線。影響輸出跨導的因素包括由溝道注入到非摻雜的緩沖層的電荷、通過表面和溝道-襯底狀態(tài)導電的機制等。GaAs MESFET的增益隱含在跨導參數(shù)gm之中。 75n3 微波特性5.3.3 GaAs MESFET 截止頻率 21mTsdgsgdmgdsddsgfRRCCg CRRRn為了得到高的截止頻率，柵極電容和寄生電阻都必須盡可能的小，而與此同時，跨導則必須盡可能大。n這就要求：溝道的載流子有效速度要高；柵極長度要短；寄生電阻要小。76n4 應(yīng)用

37、nGaAs MESFET具有較高的載流子遷移率、較低的寄生電容，所以具有高速的優(yōu)點。已用于通信、計算機及軍事系統(tǒng)的高性能電路中。已可提供達40GHz的商用微波放大器，對于0.25m溝道長度的器件，有望達到100GHz。nMESFET也可用作微波功率器件，可施加約10V的電壓。無柵極的FET或飽和電阻器有時用作MESFET邏輯電路中的負載。5.3.3 GaAs MESFET 77nGaAs MESFET已經(jīng)達到相當高的水平，但當其組成電路后，卻比一般高速硅器件電路的速度好不了多少。n同時， GaAs MESFET溝道摻雜很高，電離雜質(zhì)散射使得電子遷移率從理論值急速下降。n高電子遷移率晶體管（HE

38、MT）又稱為調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管（MODFET）是20世紀80年代初發(fā)展起來的一種異質(zhì)結(jié)半導體場效應(yīng)器件。5.3.4 HEMT器件器件300K77KSi MOSFET6301500GaAs MESFET48006200HEMT800054000785.3.4 HEMTnHEMT的獨特性在于異質(zhì)結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中對寬能隙材料進行摻雜，載流子擴散到未摻雜的窄能隙材料中，并在此形成溝道，溝道中電子在垂直方向上的動量是量子化的（即二維電子氣） 。q故又稱為二維電子氣場效應(yīng)晶體管二維電子氣場效應(yīng)晶體管（TEGFET）。n這種調(diào)制摻雜的實際結(jié)果是，未摻雜異質(zhì)界面上的載流子在空間上與摻雜區(qū)隔離，且由于

39、不存在雜質(zhì)散射而具有極高的遷移率。 795.3.4 HEMTn1 HEMT器件結(jié)構(gòu) qAlGaAs/GaAs HEMT的截面結(jié)構(gòu)與能帶結(jié)構(gòu) n首先在半絕緣GaAs襯底上采用MBE依次生長高純GaAs、n-AlGaAs和n-GaAs層，然后進行臺面腐蝕以隔離有源區(qū)，接著制作源、漏、歐姆電極，并通過離子刻蝕去除柵極面上的GaAs層，最后在AlGaAs表面沉積柵電極。805.3.4 HEMTn1 HEMT器件結(jié)構(gòu) qAlGaAs/GaAs HEMT的截面結(jié)構(gòu)與能帶結(jié)構(gòu) n由于AlGaAs的禁帶寬度比GaAs大并且肖特基勢壘的作用，使得n+AlGaAs施主層全部耗盡，電子轉(zhuǎn)移到AlGaAs/GaAs界

40、面處，在i-GaAs溝道中形成高遷移率溝道。n由于AlGaAs晶體的表面狀況不太好，在其上不易制作良好的歐姆接觸，所以一般需要一層高摻雜的n+GaAs覆蓋層來過渡，形成低電阻的歐姆接觸。 815.3.4 HEMTn1 HEMT器件結(jié)構(gòu) qAlGaAs/GaAs HEMT的截面結(jié)構(gòu)與能帶結(jié)構(gòu) n柵電壓可以改變?nèi)切蝿葳宓纳疃扰c寬度，從而改變2-DEG的濃度，所以可以控制器件的漏電流，這種模式屬于耗盡型工作模式。n如果減薄AlGaAs層的厚度，或減小該層的摻雜濃度，則在肖特基勢壘作用下，三角形勢阱中的電子將被耗盡，只有柵電壓為正時才能形成提供導電的2-DEG，該模式屬于增強型工作模式。825.3.

41、4 HEMTnHEMT的工作區(qū)是未摻雜的i-GaAs， n+AlGaAs層的電離雜質(zhì)中心對近鄰的2-DEG的庫侖散射仍舊存在。因此為了完全隔離，往往在兩層間再制作一層i-AlGaAs，可大大提高2-DEG的遷移率。n但是如果i-AlGaAs太厚，則又會使得2-DEG的面密度下降和源漏電阻增加。一般取7-10nm為佳。n1 HEMT器件結(jié)構(gòu) qAlGaAs/GaAs HEMT的截面結(jié)構(gòu)與能帶結(jié)構(gòu) 835.3.4 HEMTn對于HEMT來說， AlGaAs層的厚度和Al組分都需要特別考慮。qAlGaAs越薄，串聯(lián)電阻越小。q增強型器件要求AlGaAs層薄比較好，而如果是耗盡型器件則需要厚些。q提高

42、Al的組分，可增大禁帶寬度，導致其導帶突變量增大，從而使得2-DEG的濃度增加，對于減小寄生電阻、提高高頻性能是有益的。q但組分過大，則容易是表面缺陷增加，工藝也難于實現(xiàn)，故而一般選取0.3左右。845.3.4 HEMTn2 直流特性 HEMT器件的輸出特性 與MESFET器件輸出曲線非常相似，其電流方程為： 022( )( )( )DGdDGk T dnVV ydVIqWynVV ydyqdy當器件飽和時，對于長溝道來說 2( )dsDqWInu duL855.3.4 HEMTn2 直流特性 閾值電壓 CTbnPEVVq夾斷電壓 d2DdPD0ss( )2xqN xqVNy ydy跨導 ef

43、fdsmgsIgWVh截止頻率 m,satTopar2 ()gfWLCC865.3.4 HEMTn對于大多數(shù)實際器件，由于載流子速度飽和，所以在發(fā)生夾斷之前電流就已隨VD達到飽和。這與調(diào)制摻雜得到的高遷移率直接相關(guān)。n對于短溝道器件， 2-DEG面密度與柵壓無關(guān)，n跨導為2dsDeffIqnW,22,()()D sateffmDGSDGSVD satqgnVnVVVD,satcVE L875.3.4 HEMTn3 應(yīng)用q由于HEMT具有很高的跨導，所以這種器件最初主要是為高速應(yīng)用而開發(fā)的。q頗為令人驚奇的是，后來發(fā)現(xiàn)這種器件也具有比其它FET更優(yōu)良的噪聲性能。噪聲性能的改進與二維電子氣性質(zhì)有關(guān)

44、。qHEMT電路的速度大約比MESFET快三倍。商用HEMT產(chǎn)品，可在高于60GHz的頻率下工作，其溝道長度在0.25-0.5m范圍。預期未來的極限速度將高達100GHz。885.3.4 HEMTn4 當代HEMT技術(shù) 1)贗GaAs HEMT 這種器件的溝道是由InGaAs構(gòu)成的。且AlGaAs/InGaAs界面處能帶的不連續(xù)性要比AlGaAs/GaAs界面處的大，使得2-DEG的面密度增加。895.3.4 HEMTn4 當代HEMT技術(shù) 1)贗GaAs HEMT 同時，In的摻入會導致溝道遷移率的增加。且溝道的晶格常數(shù)比襯底層、覆蓋層、AlGaAs施主層和空間隔離層的晶格常數(shù)大，因而所形成

45、的溝道是一個應(yīng)變溝道。從而不會引入缺陷。因而，p-HEMT器件中溝道載流子濃度比HEMT器件的大，具有更大的電流驅(qū)動能力。且溝道中的電子被限制在InGaAs/GaAs緩沖界面處，使得電荷控制進一步改善，減小輸出電導，改善夾斷特性。905.3.4 HEMT2)雙異質(zhì)結(jié)GaAs HEMT 在HEMT器件溝道下再引入一個摻雜層。這樣設(shè)計可使得溝道中載流子的濃度增加1倍，這相當于在保持器件寬度不變的情況下，漏源電流變大了。此外，器件的接觸電阻變小，這會導致驅(qū)動器件進入飽和所需的漏極電壓變小了。由于這些原因，雙異質(zhì)結(jié)HEMT通常用于功率放大器設(shè)計。 915.3.4 HEMT3)晶格匹配贗InP HEMT

46、 在HEMT器件非溝道層中添加In可導致器件溝道中體內(nèi)電子濃度增加，以及載流子的有效速率和遷移率的。因而，對于器件的高頻應(yīng)用，溝道中就需要比較大的In摻雜。令人遺憾的是，由于晶格失配的原因，直到現(xiàn)在才能在GaAs襯底上生長出高質(zhì)量的InGaAs薄膜（In的含量可高于35%）。925.3.4 HEMT3)晶格匹配贗InP HEMT InP的晶格常數(shù)比GaAs大，因而可在InP襯底上制作出完全無應(yīng)力的HEMT器件，溝道中In的含量可高達53%。這種高In含量的器件稱為晶格匹配InP HEMT。與GaAs HEMT相比，器件的跨導和截止頻率等特性都得到了顯著的改進。 935.3.4 HEMT4)形變

47、GaAs HEMT 直接在GaAs襯底上生長高含量In溝道層是不可能的，這主要是晶格失配現(xiàn)象非常嚴重。然而，在溝道層下面使用緩沖層，在緩沖層中In的含量緩慢變化，或是按照一系列階梯變化，就可得到高質(zhì)量的單晶高含量In的溝道層。由于溝道晶格常數(shù)和襯底晶格常數(shù)不同，基于這類層狀結(jié)構(gòu)的HEMT稱為形變HEMT。 漸變945.4 半導體光源n半導體光電器件，即半導體光源和半導體光電探測器，這些器件主要是用化合物半導體來制備的，這主要是基于以下兩個方面的原因：q一是大部分化合物半導體是直接躍遷半導體，內(nèi)光電轉(zhuǎn)化效率高；q其次，化合物半導體材料禁帶寬度有一個較大的變化范圍。q未來化合物半導體光子器件可用來

48、構(gòu)建光電集成電路和光學計算機n半導體光源是將輸入的電能轉(zhuǎn)化為光能的器件，其機理是電致發(fā)光，即在一定的偏置下，由通過器件的電流產(chǎn)生光的現(xiàn)象。qLED（發(fā)光二極管）qLD（激光二極管）955.4 半導體光源三種躍遷過程E2E1h（a）自發(fā)輻射）自發(fā)輻射E2E1（c）受激輻射）受激輻射E2E1（b）受激吸收）受激吸收hhh受激輻射與自發(fā)輻射雖然都是受激輻射與自發(fā)輻射雖然都是從高能級向低能級躍遷并發(fā)射光子的從高能級向低能級躍遷并發(fā)射光子的過程過程，但這兩種輻射卻存在著重要的區(qū)別。，但這兩種輻射卻存在著重要的區(qū)別。最重要的區(qū)別在于光輻最重要的區(qū)別在于光輻射的相干性射的相干性，由，由自發(fā)輻射自發(fā)輻射所發(fā)射

49、的光子的頻率、相位、振動方向都所發(fā)射的光子的頻率、相位、振動方向都有一定的有一定的任意性任意性，而，而受激輻射受激輻射所發(fā)出的光子在頻率、相位、振動方所發(fā)出的光子在頻率、相位、振動方向上與激發(fā)的光子高度一致，即有向上與激發(fā)的光子高度一致，即有高度的簡并性高度的簡并性。965.4.1 LEDn1 LED原理GaAs直接禁帶半導體電子空穴對復合導致光子發(fā)光零偏壓下，勢壘阻礙電子從n型一側(cè)向p型一側(cè)擴散。正偏壓下，勢壘降低，n+一側(cè)的電子開始擴散到p區(qū)。從p區(qū)注入到n+區(qū)的空穴數(shù)量遠遠小于從n+區(qū)注入到p區(qū)的電子數(shù)量。注入電子在耗盡區(qū)復合，并引起光子發(fā)射。這種由于電子空穴對復合的光發(fā)射現(xiàn)象，稱為注入

50、電致發(fā)光。975.4.1 LEDn1 LED原理需要注意的是，對類似于GaP這樣的材料，電子空穴對的復合過程借助復合中心發(fā)生，涉及到晶格振動而不是光子發(fā)射。如果用將N摻入GaP中，替代P原子，則要形成等電子陷阱，接近導帶底，當它俘獲一個導帶電子后，形成帶電中心，該帶電中心由于庫侖作用又能俘獲一個空穴，從而形成束縛激子。這種依靠束縛激子的直接復合發(fā)射的光子，其能量略小于禁帶寬度。GaAsP可以覆蓋整個可見光譜，當P組分N1 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 為了獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，可使用外部源如光源的激勵。對于注入式激光器， p-n結(jié)正偏置提供載流子注入。在結(jié)的任何一側(cè)，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合以產(chǎn)生光

51、。 1185.4.2 LD1 激光振蕩原理產(chǎn)生激光要的條件除了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)外，還需要：諧振腔諧振腔：能起到光反饋作用，形成激光振蕩；形成形式多樣，最簡單的是法布里-帕羅諧振腔。還必須滿足閾值條件閾值條件：也就是增益要大于總的損耗。F-P腔 intmirg1195.4.2 LD2 LD結(jié)構(gòu)所有實用的LD都是雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。載流子被限制在n-GaAlAs和p-GaAlAs之間，是由于兩者之間的帶隙寬度不同所造成的。很大的正向偏壓下，簡并摻雜的GaAs層中，導帶底有大量電子，價帶頂有大量空穴，即此時N2N1。某個hvEg的入射光子激發(fā)p- GaAs層導帶中的電子，從而產(chǎn)生受激發(fā)射。在有源層中這個過程是雪

52、崩似的，最終實現(xiàn)光放大。放大的程度依賴于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的程度，即依賴于LD的正向電流。所以LD存在一個閾值電流。1205.4.2 LD2 LD結(jié)構(gòu)激光器在結(jié)構(gòu)上的另一個獨特性是，要求光的輸出方向上具有光學諧振腔。這意味著形成諧振腔的兩個垂直面應(yīng)該完全垂直于結(jié)，且必須象鏡面一樣的平滑，具有最佳反射性。這可以通過腐蝕、拋光或最通用的自然解理來實現(xiàn)。法布里-珀羅反射鏡之一能夠全反射，使光只從一端射出。1215.4.2 LD2 LD結(jié)構(gòu)平行于激光輸出的反射鏡表面粗糙到能產(chǎn)生強烈吸收，以防止橫向上的激光振蕩。為了限制橫向光輸出，可使用條形幾何結(jié)構(gòu)。 這就需要光波導結(jié)構(gòu)。光波導利用了光在不同折射率的介質(zhì)中傳播

53、時發(fā)生的全反射現(xiàn)象。這樣就可以將光限制在高折射率介質(zhì)中。1225.4.2 LD2 LD結(jié)構(gòu)半導體激光器可分為增益引導激光器和折射率引導激光器。在增益引導激光器中，傳播模式被限制在側(cè)向傳播，而水平方向的傳播在設(shè)計中則不加考慮；在折射率引導激光器中，則模式的傳播在橫向的2個方向都被加以限制。一個非常普遍的導波結(jié)構(gòu)是脊型激光器，這是一種弱折射率引導激光器。 1235.4.2 LD3 LD特性閾值電流 th211211ln()2dJCCLR R低于Jth時，與LED相似，自然發(fā)射產(chǎn)生的光譜具有200-500的帶寬。若電流稍高于Jth，則將出現(xiàn)分立的窄譜線，其帶寬大大減小到數(shù)。這些多模的出現(xiàn)是由于形成了

54、相干光，重復反射的光必須與諧振腔內(nèi)其余的光同相。 2r2Lnr2cvLn 多線振蕩稱為縱?？v模。在更大的電流下，縱模數(shù)減少 。1245.4.2 LD3 LD特性0/0T TththJJe閾值電流 功率效率 intthoutmirPmirIIPhVIqVI1255.4.2 LD3 LD特性優(yōu)點：優(yōu)點：pLD的響應(yīng)速度較快，可用于較高的調(diào)制速率。pLD的光譜較窄，應(yīng)用于單模光纖時，光在光纖中傳播引起的色散小，可用于大容量通信。而LED中由于沒有選擇波長的諧振腔，所以它的光譜是自發(fā)輻射的光譜。其譜寬度一般為0.030.04m。p由于LD輻射光束的發(fā)散角較小，因而耦合的光纖中的功率較高，傳播距離較遠，

55、而LED的發(fā)散角一般在4020范圍內(nèi)，耦合到光纖中的效率較低，通常只有3%左右。pLD的輸出光強及效率較高，LED的輸出光強及效率較低。1265.4.2 LD3 LD特性缺點：缺點：q溫度特性較差。LD的閾值電流依賴于溫度T，故其輸出功率也依賴于T。LED沒有閾值電流，故其溫度特性較好。q易損壞，壽命短。半導體光源的損壞一般由三種原因引起，即內(nèi)部損壞（如p-n結(jié)損壞），接觸損壞（如引線斷掉）和光學諧振端面的損壞（如光纖碰角或端面污染引起）。前兩種為發(fā)光二極管和激光二極管所共有，而后一種損壞卻是LD所獨有的，由于這一因素而大大降低了LD使用壽命。qLD價格昂貴，LED比較便宜。qLD的P-I曲線

56、不如LED的P-I曲線線性范圍大，調(diào)制時的動態(tài)范圍相對較小。1275.4.2 LD4 應(yīng)用q激光器是現(xiàn)代光纖通信應(yīng)用的必不可少的光源，其主要優(yōu)點是有很寬的帶寬。由于光纖的特性，故用于光纖通信的最佳波長選擇在1.3到1.5m之間。已經(jīng)證明調(diào)制率高于20Gb/s，相關(guān)的應(yīng)用有定向射束通信（如衛(wèi)星之間的通信）。q激光器也可以用于激光雷達系統(tǒng)、地形斷面測距儀、軍事導航、跟蹤和制導系統(tǒng)以及入侵告警系統(tǒng)。q能夠存儲和恢復三維圖像的全息照相技術(shù)也是其重要的應(yīng)用領(lǐng)域。q高度定向射束能有效應(yīng)用于精密對準，而且在極高功率密度下可用來切割金屬、鉆孔（也用于木材和陶瓷）和焊接。1285.4.2 LD4 應(yīng)用q激光束可

57、燒斷集成電路中用于連接的金屬互連。q激光器還可在醫(yī)學領(lǐng)域用于外科手術(shù)，如視網(wǎng)膜修復及癌變的探查。對于化學放射光譜分析如廢氣和污染分析（3-12m波長）及氣象學，它也是很好的分析工具。q在一般商業(yè)應(yīng)用中，它已廣泛應(yīng)用于小型音頻光盤（CD）和視頻光盤（DVD）播放機、復印機及打印機。 1295.6 半導體光電探測器n半導體光電探測器是一種將光信號轉(zhuǎn)變成電信號的半導體器件。 n探測器q光子探測器光子探測器q光熱探測器光熱探測器單個光子的性質(zhì)對產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光單個光子的性質(zhì)對產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光電效應(yīng)。探測器吸收光子后，直接引起原子或分子的電效應(yīng)。探測器吸收光子后，直接引起原子

58、或分子的內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。光子能量的大小直接影響內(nèi)部內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。光子能量的大小直接影響內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。電子狀態(tài)的改變。探測元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi)部電子探測元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\動能狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\動能量，引起探測元件溫度上升，溫度上升的結(jié)果又使探量，引起探測元件溫度上升，溫度上升的結(jié)果又使探測元件的電學性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。測元件的電學性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。外光電效應(yīng)（光電發(fā)射效應(yīng)）外光電效應(yīng)（光電發(fā)射效應(yīng)）內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)本征型光電效應(yīng)本征型光電效應(yīng)非本征型光電

59、效應(yīng)非本征型光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)溫度變化溫度變化體積變化體積變化電阻變化電阻變化電勢變化電勢變化熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)1305.6 半導體光電探測器光子器件光子器件熱電器件熱電器件響應(yīng)波長有選擇性，一般響應(yīng)波長有選擇性，一般有截止波長，超過該波長，有截止波長，超過該波長，器件無響應(yīng)器件無響應(yīng)響應(yīng)波長無選擇性，對可響應(yīng)波長無選擇性，對可見光到遠紅外的各種波長見光到遠紅外的各種波長的輻射同樣敏感的輻射同樣敏感響應(yīng)快，吸收輻射產(chǎn)生信響應(yīng)快，吸收輻射產(chǎn)生信號需要的時間短，一般為號需要的時間短，一般為納秒到幾百微秒納秒到幾百微秒響應(yīng)慢，一般為幾毫秒響應(yīng)慢，一般為幾毫秒1315.6 半導體光電探測器

60、n各種不同類型的光電探測器的性能由其量子效率、頻率響應(yīng)及響應(yīng)靈敏度決定。n在這里所討論的半導體探測器是本征型的，即半導體中所產(chǎn)生光子的能量接近半導體的禁帶寬度。而非本征光電探測器是用來檢測能量小于禁帶寬度的光，這依賴于深能級陷阱，或者是量子阱中不同的能級。n本節(jié)討論的探測器有光電導、結(jié)型如p-i-n二極管、MSM（金屬-半導體-金屬）型光電探測器和APD（雪崩擊穿二極管）。 1325.6 半導體光電探測器在半導體光電探測器中，其所吸收的光子所具有的能量大于或等于Eg 入射光所產(chǎn)生的光電流 pinIRP探測器的量子效率定義為一定數(shù)量的入射光子所產(chǎn)生的空穴-電子對的數(shù)量 /pinIqhRPhq1w