半导体光电子器件半导体光电子器件1409-91、11、12、班、班-2012.03-06-1 “Complete Guide to Semiconductor Device” 指出：指出： 半导体器件有半导体器件有67种，种，110余变种。余变种。 概概 述述2构结本基构结本基基本结构基本结构漂移漂移-扩散扩散电子器件电子器件半导体器件基本类型半导体器件基本类型pn结结MISM-S异质结异质结组合组合光电子器件光电子器件电子电子-光子光子互作用物理过程互作用物理过程理理论论基基础础理理论论基基础础3课程主要内容课程主要内容CH1 半导体光电子器件物理基础半导体光电子器件物理基础CH2 半导体太阳电池（半导体太阳电池（Solar Cells）CH3 半导体光电探测器半导体光电探测器（Photodetectors） CH4 半导体电荷耦合器件（半导体电荷耦合器件（CCD）CH5 半导体发光二极管（半导体发光二极管（LED）CH6 半导体激光器（半导体激光器（LD）4层层 次次基本结构与原理基本结构与原理 主要概念与性能主要概念与性能理论基础与机理理论基础与机理 性能提升与措施性能提升与措施重点理解与掌握重点理解与掌握基本物理概念基本物理概念 基本物理过程基本物理过程 基本物理图像基本物理图像5Ch1 半导体光电子器件物理基础半导体光电子器件物理基础一、一、 pn结结二、二、 MIS结构结构三、三、 金属与半导体接触金属与半导体接触四、四、 异质结与量子阱异质结与量子阱五、五、 半导体光吸收与光辐射半导体光吸收与光辐射六、六、 平板介质光波导基本理论平板介质光波导基本理论 基本物理属性基本物理属性 基本电学特性基本电学特性61-1 pn结（同质）结（同质）一、基本物理属性一、基本物理属性 1、基本类型、基本类型 2、空间电荷区与自建电场、空间电荷区与自建电场 3、能带结构（平衡与非平衡）、能带结构（平衡与非平衡） 4、载流子分布（平衡与非平衡）、载流子分布（平衡与非平衡）二、基本电学特性二、基本电学特性 1、载流子输运过程、载流子输运过程 2、I-V特性特性 3、势垒电容与扩散电容、势垒电容与扩散电容 4、击穿机制及机理、击穿机制及机理7空间电荷区形成物理过程及属性空间电荷区形成物理过程及属性8能带结构及载流子分布能带结构及载流子分布?9P区区n区区pp0pn0nn0np0pn0exp(qVF/kT)np0exp(qVF/kT)P区区n区区pp0pn0nn0np0pn0exp(qVR/kT)np0exp(qVR/kT)正正 偏：偏：反反 偏：偏：10费米能级费米能级11载流子输运过程载流子输运过程12I-V特性特性LnLp?WPWn13势垒电容物理机制势垒电容物理机制P区区n区区P区区n区区空穴补偿空穴补偿电子补偿电子补偿空穴释放空穴释放电子释放电子释放偏压上升：偏压上升： 变窄变窄偏压下降：偏压下降： 变宽变宽14扩散电容物理机制扩散电容物理机制P区区n区区pn151-2 MIS结构结构一、一、MIS结构物理基础结构物理基础 1、半导体表面状态与能带结构、半导体表面状态与能带结构 2、半导体表面势与表面电荷、半导体表面势与表面电荷 3、氧化层电荷与界面态作用、氧化层电荷与界面态作用 4、强反型与阈值电压、强反型与阈值电压 5、深耗尽状态及机理、深耗尽状态及机理二、二、MISFET电学特性电学特性 1、MISFET基本原理与结构基本原理与结构 2、MISFET基本类型与特性基本类型与特性16MIS基本基本结构及属性结构及属性VGn-Si or p-SimetalinsulatorVoxVSSurface Space Charge Region17(WmWs)/q(EiEF)/q可略可略表面状态与能带结构表面状态与能带结构表面势与表面电荷表面势与表面电荷?强反型与阈值电压强反型与阈值电压? ?VG =VT=VFB (Q反反+Q耗尽耗尽 )/ Cox +2F = VFBQ耗尽耗尽/ Cox +2F VFB = ms QSiO2 / Cox 18深耗尽状态及机制深耗尽状态及机制VGVGVGdVG/dt ppp19VGVTp-SiMOSFET结构、原理及类型结构、原理及类型n+n+结构及类型结构及类型?201-3 金属与半导体接触金属与半导体接触一、金一、金-半接触物理基础半接触物理基础 1、金、金-半接触类型与能带结构半接触类型与能带结构 2、势垒形成与界面态、势垒形成与界面态 3、空间电荷区与电势、空间电荷区与电势二、肖特基结基本电学特性二、肖特基结基本电学特性 1、基本电学特性、基本电学特性 2、载流子输运过程及机制、载流子输运过程及机制21势垒接触势垒接触22非势垒接触非势垒接触23非势垒接触（欧姆接触？）非势垒接触（欧姆接触？）24表面态影响与欧姆接触表面态影响与欧姆接触EFm251-4 异质结与量子阱异质结与量子阱一、异质结物理基础一、异质结物理基础 1、基本类型与能带结构、基本类型与能带结构 2、空间电荷区与电势、空间电荷区与电势二、异质结基本电学特性二、异质结基本电学特性 1、载流子输运过程、载流子输运过程 2、基本电学特性与特征、基本电学特性与特征三、量子阱与超晶格三、量子阱与超晶格 1、量子阱、量子阱 2、超晶格、超晶格 3、量子点与量子线、量子点与量子线四、二维电子气（四、二维电子气（2DEG）与二维空穴气（）与二维空穴气（2DHG）26一、异质结物理基础一、异质结物理基础 异质结：异质结： 两种禁带宽度不同的半导体材料组成的结。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、基本类型与能带结构 类型：类型： 异型异质结异型异质结-两种材料导电类型不同；两种材料导电类型不同； 同型异质结同型异质结-两种材料导电类型相同。两种材料导电类型相同。 主要应用：主要应用： 微电子器件微电子器件-提高增益、频率特性、线性提高增益、频率特性、线性 度，减小噪声、功耗等。度，减小噪声、功耗等。 光电子器件光电子器件-提高器件光电转换效率等。提高器件光电转换效率等。 主要结构材料：主要结构材料： GaAs基材料，如，基材料，如，AlxGa1-xAs/GaAs、 InxGa1-xAs/GaAs；Si基：基：Si1-xGex/Si，- 27 2、能带结构、能带结构特特 征：征：导带、价带分别存在带隙差导带、价带分别存在带隙差EC和和EV特点：特点： 高、低势垒高、低势垒ECEVEcor缓变异性异质结缓变异性异质结283、空间电荷区与电势、空间电荷区与电势 1）空间电荷区形成过程）空间电荷区形成过程 2）电场及其分布）电场及其分布 掺杂浓度：掺杂浓度：和和； 介电常数介电常数p S和和n Sxp x 0： 0 x xn：特征：特征： 场线性分布；场线性分布； 电场在界面处不连续；电场在界面处不连续； 电位移失量连续。电位移失量连续。 293）接触电位差）接触电位差-D 空间电荷区空间电荷区p区侧区侧-P n区侧区侧-n正、负正、负空间空间电荷区电势差与掺杂浓度关系电荷区电势差与掺杂浓度关系 VDp/VDn = n s ND/p s NA !304） 空间电荷区宽度空间电荷区宽度 联解上述方程联解上述方程 非平衡异质非平衡异质pn结结-上式上式用（用（）替换。）替换。 -表示正偏；表示正偏；-表示反偏。表示反偏。 p区侧：区侧：n区侧：区侧：315） 势垒电容势垒电容 空间电荷区正的或负的电荷量空间电荷区正的或负的电荷量 : 单位面积势垒电容单位面积势垒电容 与掺杂浓度、偏置电压的关系与同质结相同与掺杂浓度、偏置电压的关系与同质结相同32二、异质结基本电学特性二、异质结基本电学特性(n区宽带区宽带p区窄带为例区窄带为例) 1、载流子输运过程（载流子势垒）、载流子输运过程（载流子势垒）图图a)和和(c)所示异质结：所示异质结： 电子从电子从n区导带渡越到区导带渡越到p区区 导带跨越的势垒高度为导带跨越的势垒高度为 ： （qVD-EC） 空穴从空穴从p区价带渡越到区价带渡越到n区区 价带跨越的势垒高度为：价带跨越的势垒高度为： （qVD+Ev）图图(b)所示异质结：所示异质结： 电子从电子从n区导带到区导带到p区导带跨越势垒高度为：区导带跨越势垒高度为：qVDn 空穴从空穴从p区到区到n区跨越势垒高度仍为（区跨越势垒高度仍为（qVDE） 特征特征: : 电子和空穴渡越的势垒高度不同电子和空穴渡越的势垒高度不同 VDn低势垒异质结低势垒异质结高势垒异质结高势垒异质结缓变异质结缓变异质结332、基本电学特性与特征、基本电学特性与特征 1）基本电学特性）基本电学特性 低势垒异质结和缓变异质结低势垒异质结和缓变异质结: 形式与同质形式与同质pnpn结相同，但少子密度项表示有差别结相同，但少子密度项表示有差别34 高势垒异质结：高势垒异质结： 35 2）电子流与空穴流特征）电子流与空穴流特征-注入比注入比同质结电子流与空穴流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异质结电子流与空穴流注入比 若若Eg = 250mv，注入比可以比同质结高，注入比可以比同质结高104倍以上倍以上36要要 点点能带结构及特征；能带结构及特征； 载流子渡越势垒特征；载流子渡越势垒特征； I-V方程形式；方程形式； 电流注入比。电流注入比。37IVB#异质结基本应用异质结基本应用A1. 限制限制BJT频率特性因素频率特性因素存在极限存在极限？38 A2.解决途径解决途径HBT(异质结双极晶体管异质结双极晶体管)qVpqVnEmitterBaseCollectorSi BJTqVn=qVpqVpqVnEmitterBaseCollectorSiGe HBTqVn qVp39势垒势垒# 三、量子阱与超晶格三、量子阱与超晶格 1、量子阱、量子阱 二个异质结组成，其中间层导带底最低、价带顶二个异质结组成，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。最高；或仅导带底最低；或仅价带顶最高。 2、超晶格、超晶格 量子阱（或不同导电类型材料）组成的一维周期性结量子阱（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。构，其势垒宽度小于电子的德布罗意波长。L小于德布罗意波长小于德布罗意波长( ( 50nm）LEg1Eg2ECEVpnn异质结超晶格异质结超晶格掺杂超晶格掺杂超晶格4041 3、量子线与量子点、量子线与量子点 量子线：量子线： 二个方向物理尺寸小于德布罗意波长二个方向物理尺寸小于德布罗意波长 量子点：量子点： 三个方向物理尺寸小于德布罗意波长三个方向物理尺寸小于德布罗意波长42 1、量子阱、量子阱载流子能量量子化载流子能量量子化 量子阱量子阱近似近似0LV0 1）单量子阱中电子）单量子阱中电子状态状态-遵循薛定谔方程遵循薛定谔方程xxyz43二维电子气（二维电子气（2DEG）二维空穴气（二维空穴气（2DEG）0LV0xxyz44EhhELh0L45EhhELh46 2）单量子阱中电子）单量子阱中电子状态密度状态密度(E)472、超晶格、超晶格 1） 多量子阱多量子阱 单量子阱周期性组成，势垒宽度大于德布罗意波长。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。量子阱内电子状态与单量子阱相同。EhhELh48 2）超晶格）超晶格 势垒宽度小于德布罗意波长的多量子阱。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；特点：电子在阱间共优化运动； 量子化能级展宽成微带；量子化能级展宽成微带； 量子阱量子阱xyxy面内电子能量仍连续。面内电子能量仍连续。EhhELh49 3、量子线与量子点、量子线与量子点 量子线：量子线： 二个方向物理尺寸小于德布罗意波长二个方向物理尺寸小于德布罗意波长 量子点：量子点： 三个方向物理尺寸小于德布罗意波长三个方向物理尺寸小于德布罗意波长3D2D1D0D50# # 超晶格能级状态超晶格能级状态 - -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。作用。那么载流子的波函数也可人为控制。薛定谔方程薛定谔方程边界条件边界条件V(z)=0 0 z Eg 转变为热能转变为热能 6、表面反射、表面反射 (1.41.6eV)？1007、寄生电阻影响、寄生电阻影响(非理想非理想I-V方程方程)寄生电阻影响大寄生电阻影响大RS=0RSh= RS=0RSh=100 RS=5RSh= RS=5RSh=100 RSRshVRS=5降降30%101八、太阳电池设计考虑八、太阳电池设计考虑 几何结构参数几何结构参数(尺寸尺寸)、表面反射、复合主要考虑因素。、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。掺杂分布与结深一般决定开路电压和光生电流。 pn结厚度结厚度（吸收系数决定）：（吸收系数决定）： Si吸收系数小（吸收系数小（=10-210-3/m）,典型典型300400。 直接带隙半导体，典型直接带隙半导体，典型1。 层厚度：层厚度： 底层厚度：底层厚度：Ln1；Si Ln300 m。 顶层厚度：高能光子主要在表面吸收，顶层厚度：高能光子主要在表面吸收，xj-0.30.5 ； 紫光电池，紫光电池， xj-0.10.2 。 掺杂浓度：掺杂浓度： 表层：基于寄生电阻，表层：基于寄生电阻， ND尽量高，典型尽量高，典型51019/cm3。 低层：低层： NA高，反向饱和电流低，开路电压高；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；迁移率和寿命低，短路电流小； 典型典型1016/cm3。102103九、常规九、常规pn结太阳电池不足结太阳电池不足太阳电池关键参数太阳电池关键参数效率效率1.1.半导体复合半导体复合 光生载流子在表面与衬底复合；光生载流子在表面与衬底复合； 扩散至扩散长度外复合。扩散至扩散长度外复合。 2.2.串联电阻大串联电阻大 低的表面区掺杂接触电阻高。低的表面区掺杂接触电阻高。3.3.表面反射表面反射 表面反射降低光吸收。表面反射降低光吸收。SiSi表面反射系数表面反射系数 30% 30%。 调节调节pnpn结厚度，使表面反射光与衬底反射光相位差结厚度，使表面反射光与衬底反射光相位差/4/4，反射消，反射消 失。此时最小反射系数失。此时最小反射系数 4.4.抗高能粒子能力差抗高能粒子能力差 高能粒子在半导体表面产生缺陷，降低载流子寿命。高能粒子在半导体表面产生缺陷，降低载流子寿命。5.5.低能光子不被吸收低能光子不被吸收(p)(n)103十、其它结构太阳电池十、其它结构太阳电池1.异质结结构异质结结构 光子窄带区吸收；光子窄带区吸收； 宽带表面高掺杂；宽带表面高掺杂； 抗辐射能力强。抗辐射能力强。2.背面高掺杂结构背面高掺杂结构 控制扩散长度外载流子复合。控制扩散长度外载流子复合。3.绒面结构绒面结构 增加吸收。增加吸收。 4.“阳光阳光”结构结构5.肖特基结构肖特基结构6.MIS结构结构7. 结联结构结联结构8.量子阱结构量子阱结构9.集光集光 - - - - - -pnnpEg1Eg2Eg1Eg2104十一、高效太阳电池结构十一、高效太阳电池结构 1、异质结电池、异质结电池2、级联电池、级联电池三级：三级： 32%四级：四级： 40%光生载流子复合产生光生载流子复合产生的荧光在的荧光在pn结再产生结再产生电子电子-空穴对空穴对1053、量子阱电池、量子阱电池 pin结构，结构，i层中有量子阱（阱宽层中有量子阱（阱宽615nm，势垒，势垒5nm）4、聚光电池、聚光电池 聚集太阳光，提高光强。聚集太阳光，提高光强。i增加光谱吸收范围增加光谱吸收范围提高量子效率提高量子效率615nm5nmI-V fig13.29,30输出电压（输出电压（V）输出电压（输出电压（V）106十二、其它材料太阳电池十二、其它材料太阳电池多晶体；多晶体；非晶体；非晶体；有机薄膜；有机薄膜； - - - - - - - - - - - -。十三、其它十三、其它 转换效率：转换效率：Si-1418%(24%); GaAs-1821%; GaInP/GaAs/Ge-2629%(三结三结) 电流容限：并联电流容限：并联 电压容限：串联电压容限：串联 效率关键：效率关键：光子吸收效率；光子吸收效率； 光生载流子输运效率。光生载流子输运效率。107太阳电池原理、开路电压、短路电流物理机制；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；开路、短路、负载等效电路；光生载流子有贡献区域；光生载流子有贡献区域；光电流常数（结构与光强一定）；光电流常数（结构与光强一定）；光谱吸收特性；光谱吸收特性；光吸收系数与光吸收系数与np结和结和pn结；结；寄生电阻影响。寄生电阻影响。108Ch3 半导体光电探测器半导体光电探测器Photodetectors一、光电探测器物理基础一、光电探测器物理基础二、二、光电探测器性能参数光电探测器性能参数三、光电导体三、光电导体四、光电二极管四、光电二极管五、五、pinpin光电二极管光电二极管六、雪崩光电二极管六、雪崩光电二极管七、光电晶体管七、光电晶体管八、色敏光电二极管八、色敏光电二极管109一、光电探测器物理基础一、光电探测器物理基础-光生载流子光生载流子 1、光子效应、光子效应 光子与电子直接相互作用光子与电子直接相互作用 电子受激跃迁至高能级电子受激跃迁至高能级 hE 本征跃迁，本征跃迁， hEg ； 杂质电离；杂质电离； hE D，or，hEA 2、光热效应、光热效应 吸收光子能量转换成晶格振动能量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温度升高激发载流子跃迁 h Eg hE 110 3、光电探测器工作的主要物理过程、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；）吸收光子能量，产生光生载流子； （通常为电子（通常为电子-空穴对）空穴对） 2）载流子定向输运；）载流子定向输运； （产生增益或无增益）（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。）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、光电探测器类型 电导型（光致电导）；电导型（光致电导）； pn结型；结型； 量子阱、超晶格型。量子阱、超晶格型。111二、光电探测器主要性能参数二、光电探测器主要性能参数 1、量子效率量子效率-（关键参数关键参数） Ip：光电流；：光电流；P-入射光功率；入射光功率；hv-光子能量光子能量 P：如为入射探测器表面的光功率：如为入射探测器表面的光功率-外量子效率外量子效率 P：如为探测器吸收的光功率：如为探测器吸收的光功率-内量子效率内量子效率 理想情况下内量子效率：理想情况下内量子效率：112 2、响应度响应度-R 3、灵敏度灵敏度-S 4、光谱响应率光谱响应率-单色单色 Vp-输出光电输出光电压压Ip-输出光电流输出光电流# P-某光谱范围内光功率某光谱范围内光功率1135、响应时间（响应速度）响应时间（响应速度）ptItI00.37I00.63I01146、探测器噪声参数探测器噪声参数1）噪声表述）噪声表述 类型：固有噪声，自然噪声类型：固有噪声，自然噪声 特点：特点：随机，不可预测；随机，不可预测； 统计平均值为统计平均值为0。 表征：表征：均方值（方均值）表述。均方值（方均值）表述。 总噪声：总噪声： 噪声特性：噪声特性： 与频率相关与频率相关, or 与频率无关与频率无关-白噪声。白噪声。tt1152）噪声源）噪声源 热噪声热噪声-载流子无规则热运动（白噪声）载流子无规则热运动（白噪声） 散粒噪声散粒噪声-载流子输运载流子输运(含渡越势垒区含渡越势垒区)随机起伏（白噪声）随机起伏（白噪声） 产生产生-复合噪声：载流子产生复合噪声：载流子产生-复合随机起伏复合随机起伏 1/f 噪声噪声-低频（低频（ If)P+P-nP+P-nWinn-P+WiP+nQ0常规常规9155（B）pin光电二极管基本原理光电二极管基本原理 对光电流贡献区域：对光电流贡献区域： 中性区中性区 扩散区扩散区 本征区本征区n+-Si-+pppnP (1-R)exp(-x)W 通过调制本征区宽度：通过调制本征区宽度： 提高量子效率；提高量子效率； 提高频率响应特性。提高频率响应特性。1561.光生电流光生电流1) 势垒区势垒区量子效率量子效率pi in0W1572) 扩散区扩散区pnXW加加！158# # 中性区中性区pnXH0因因pinpin结构希望光生电流在本征区，所以讨论效率略该区结构希望光生电流在本征区，所以讨论效率略该区1593) 量子效率量子效率？可略可略加加！即希望光生载即希望光生载流子在本征区流子在本征区160（C） 频率响应频率响应 -载流子渡越势垒区延迟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）交流状态，渡越势垒区有传导电流与位移电流）npx0161162？提高提高和和f 希望希望光子在本征区吸收光子在本征区吸收p反射层反射层n-+？不足：不足：p/n区吸收区吸收163P型窄带型窄带反射层反射层N型窄带型窄带-+折射率折射率半绝缘半绝缘InPp+-InPp+-InGaAsPi-InGaAsn+-InGaAsP优点：优点： 1、效率高；、效率高； 2、响应快、响应快折射率折射率# 利用异质结改善性能？利用异质结改善性能？ 结构考虑结构考虑164（D） 噪声噪声165pinpin结构优点；结构优点；pinpin光电二极管工作物理机制；光电二极管工作物理机制；效率与频率响应措施。效率与频率响应措施。166同质同质pn结光电二极管结光电二极管异质异质pn结光电二极管结光电二极管金金-半结光电二极管半结光电二极管pin结光电二极管结光电二极管缺点：光生载流子不能放大缺点：光生载流子不能放大雪崩光电二极管；雪崩光电二极管；双极型光电晶体管；双极型光电晶体管；单极型光电晶体管。单极型光电晶体管。解决方案？解决方案？1671.基本结构示意图基本结构示意图(六六) 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)p+-pn+n+-npp+金金- -半结半结p+nn+p+-p-n+nnp+-+pn+nn+n+pE+nP+EE1682.基本工作原理基本工作原理 a. 器件偏置于临界雪崩状态；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。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。输出载流子获得增益。 优势：有增益；优势：有增益； 噪声低噪声低1693.雪崩增益雪崩增益-Mph雪崩倍增输出光电流与雪崩倍增前光电流比雪崩倍增输出光电流与雪崩倍增前光电流比一般取一般取100100左右左右VRR雪崩击穿电压雪崩击穿电压M=C?MC M nn p1733）最大信噪比）最大信噪比174 (七七) 光电晶体管光电晶体管n+pn1、双极型光电晶体管、双极型光电晶体管异质结晶体管？异质结晶体管？增益近似为增益近似为1210-11175IVB#异质结基本应用异质结基本应用A1. 限制限制BJT频率特性因素频率特性因素？0:fmax:fT:176 A2.解决途径解决途径HBT(异质结双极晶体管异质结双极晶体管)qVpqVnEmitterBaseCollectorSi BJTqVn=qVpqVpqVnEmitterBaseCollectorSiGe HBTqVn 2|F|； 耗尽层宽度大耗尽层宽度大: xd xdm ； 存在热弛豫时间：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；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。反型后表面势降低。xd1882.信号检测信号检测电输入电输入光输入光输入hEg n+p1VinVG0V10p1VG0V10SDSDS (n+)完成储存完成储存深耗尽深耗尽反型反型输入栅输入栅表面反型状态表面反型状态1893.信号电荷转移信号电荷转移t12310V? 2V?表面反型状态表面反型状态12190三、线阵信号电荷读出三、线阵信号电荷读出2.线阵信号电荷转移与储存线阵信号电荷转移与储存1.线阵信号电荷检测线阵信号电荷检测1 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 3hv-信号区信号区转移区转移区1 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 3储存区储存区1913.线阵信号电荷输出线阵信号电荷输出- -电流输出电流输出n+VD+DS32VG01921 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 3储存区储存区1 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 3获取信号区获取信号区321321321321四、面阵信号转移、储存、读出四、面阵信号转移、储存、读出-CCD摄像器件摄像器件第一行向外传的同时，读取下一帧第一行向外传的同时，读取下一帧193 五、五、CCD 器件主要性能参数器件主要性能参数 1.电荷转移损失率电荷转移损失率(t) t时刻转移结束仍留在电极下的电荷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与原在该电极下电荷Q(0)之比之比 那么转移效率那么转移效率 初始为初始为Q(0)的电荷，经过的电荷，经过n次转移后，所剩电荷次转移后，所剩电荷 若若=99%，n=192,那么那么Q(n)=14Q0%MIS界面复合；漏电；频率高界面复合；漏电；频率高电荷损失机理？电荷损失机理？胖零胖零-表面始终耗尽状态表面始终耗尽状态措施？措施？1942.工作频率工作频率f 频率频率若少子转移时间为若少子转移时间为t，寿命为，寿命为，对三相有对三相有（ T-周期周期） t tth频率上限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。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 Egab# 直接带隙复合直接带隙复合: h Eg 间接带隙复合间接带隙复合: h Eg+ n (1)带间复合带间复合 (2)杂质与带间复合杂质与带间复合fjdec.导带导带受主受主d.施主施主价带价带e.施主施主受主受主(3)深能级杂质复合深能级杂质复合 ch俄歇复合俄歇复合201 (4)激子复合激子复合 激子激子-电子和空穴束缚形成的可在晶体中移动的中性粒子。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中电子和空穴复合-激子复合。激子复合。(5)等电子复合等电子复合: 同价原子取代主原子同价原子取代主原子-称为称为等电子等电子。但原子序数不同，内。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，层电子结构不同，电负性不同。原子序数小的，电子亲和力大，易俘获电子成为易俘获电子成为负电中心负电中心。原子序数大的，易俘获空穴成为。原子序数大的，易俘获空穴成为正正电中心电中心。该中心称为。该中心称为等电子中心等电子中心。 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。之后复再俘获相反类型载流子形成束缚激子。之后复合发光合发光-称称等电子复合。等电子复合。(6)等分子复合等分子复合: 一种分子取代主分子一种分子取代主分子-称为称为等分子等分子。若其电子亲和力大，。若其电子亲和力大，易俘获电子成为易俘获电子成为负电中心负电中心。反之，易俘获空穴成为。反之，易俘获空穴成为正电中心正电中心。然后再俘获相反类型载流子复合然后再俘获相反类型载流子复合-称称等分子复合等分子复合。 2022. 非辐射复合非辐射复合（1）多声子跃迁）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。晶格振动能。（2）俄歇复合）俄歇复合 电子和空穴复合时，把多余的能量传给第三个载流子。电子和空穴复合时，把多余的能量传给第三个载流子。 获得能量的载流子又会产生多声子过程。这种复合称为俄获得能量的载流子又会产生多声子过程。这种复合称为俄 歇复合。歇复合。 另外还存在许多其它的非辐射复合过程。另外还存在许多其它的非辐射复合过程。 # 色散色散: 由于热能由于热能,电子能量略高于电子能量略高于EC，空穴能量略低于，空穴能量略低于EV， 所以，发射光子能量所以，发射光子能量203二、半导体发光二极管二、半导体发光二极管1.基本结构基本结构2.基本工作原理基本工作原理少子扩散长度少子扩散长度pnn+衬底衬底正偏；正偏；非平衡少子辐射复合；非平衡少子辐射复合；能量能量-动量守恒。动量守恒。204a.本征型本征型 直接带隙直接带隙 动量守恒动量守恒-效率高；效率高； 能量守恒能量守恒 间接带隙间接带隙 动量不等动量不等-效率低。效率低。 直接跃迁直接跃迁间接跃迁间接跃迁直接跃迁直接跃迁205Zn-OZnN施主施主-受主（几个晶格距离）：受主（几个晶格距离）：激子：激子： 等电子中心等电子中心-等分子中心等分子中心- b.非本征型非本征型2063.发光效率发光效率 内效率：内效率：外量子效率：外量子效率：2074.截至频率截至频率2084、影响发光效率因素、影响发光效率因素1）LED材料吸收材料吸收2）菲涅耳（）菲涅耳（fresnel）损耗）损耗 光子从一种介质入射另一种介质，因折射率不同而光子从一种介质入射另一种介质，因折射率不同而 部分光子被反射回，称菲涅耳损耗。部分光子被反射回，称菲涅耳损耗。3）斯涅耳（）斯涅耳（snell）损耗）损耗 光子从折射率大的介质向折射率小的介质入射时，光子从折射率大的介质向折射率小的介质入射时， 若入射角大于其临界角若入射角大于其临界角C ，则，入射光从界面全，则，入射光从界面全 反射回原介质。反射回原介质。4）表面反射）表面反射2093）菲涅耳（）菲涅耳（fresnel）损耗）损耗 GaAs: C= 16；GaP: C= 171）LED材料吸收材料吸收 h Eg（衬底、表面）（衬底、表面）-吸收。吸收。 GaAs吸收吸收85%，GaP吸收吸收25%25%2）斯涅耳（）斯涅耳（snell）损耗）损耗pn衬底衬底pn衬底衬底C2105、考虑效率的考虑效率的LED结构结构 1）抗反射膜）抗反射膜 垂直入射光菲涅尔反射系数垂直入射光菲涅尔反射系数2112）异质结异质结LED+-有源层有源层限制层限制层限制层限制层有源层掺杂浓度与效率有源层掺杂浓度与效率p型限制层掺杂浓度与效率型限制层掺杂浓度与效率n型限制层掺杂浓度与效率型限制层掺杂浓度与效率P型型10101717n型型10101717降低吸收；减小临界角角降低吸收；减小临界角角101710181016 1017 2123）封装外形与效率）封装外形与效率2137、光纤通信光纤通信LED 8、侧光高强度侧光高强度LED 2149、白光、白光LED 1）多基色）多基色 2）单色）单色LED覆盖色彩转换材料覆盖色彩转换材料 如荧光材料、有机染料、半导体材料等，吸收原色后发如荧光材料、有机染料、半导体材料等，吸收原色后发 出宽谱。出宽谱。 3）蓝光）蓝光LED覆盖黄色磷，蓝光与磷产生的黄光合成白光。覆盖黄色磷，蓝光与磷产生的黄光合成白光。电致发光电致发光光致发光光致发光21510、发光二极管主要材料、发光二极管主要材料红红-GaP:Zn-O; GaAs0.6P0.4; Ga0.7Al0.3As -6500 7600 橙橙-GaAs0.35P0.65; In0.3Ga0.7P - 5900 6500 黄黄-GaP:N:N; GaAs0.15P0.85 - 5900 6500 绿绿- GaP:N ；GaInP- 5700 5900 兰兰-GaN ;GaInP- 4300 4600 易获电子易获电子易获空穴易获空穴可见光可见光：4000 7600 ；Eg:1.8 2.9eV2162171、GaAs1-xPx（ GaAs+ GaP）-红、橙、黄、绿，亮度较低红、橙、黄、绿，亮度较低 x 0.450.5转化为间接带隙，效率降低转化为间接带隙，效率降低 措施：措施：GaAs1-x（Px）1-y：Ny引入等电子中心引入等电子中心 机理：机理：等电子中心复合能级接近导带底。等电子中心复合能级接近导带底。 电子波函数在空间高度局域化，基于测不准原理，波函数动量电子波函数在空间高度局域化，基于测不准原理，波函数动量 在在k空间可有较大的范围，动量的变化量被等电子杂质吸收。空间可有较大的范围，动量的变化量被等电子杂质吸收。 Eg：0 0.5 1.01.53.02.02.5xxxX0.45：带隙转化：带隙转化0 0.5 1.00.0011.00.010.1x未掺未掺N掺掺N归一化效率归一化效率2182、(AlxGa1-x)yIn1-yP - -红、橙、黄，高亮度红、橙、黄，高亮度 x 0. 53转换为间接带隙；转换为间接带隙； 常用作双异质结常用作双异质结LED有源区材料，长波长小较低，有源区材料，长波长小较低， 0.45转换为间接带隙；与转换为间接带隙；与GaAs晶格匹配晶格匹配219220影响内外发光效率因素；影响内外发光效率因素；增强发光效率的主要技术措施。增强发光效率的主要技术措施。221Ch6 半导体激光器半导体激光器-Semiconductor Lasers-222一、一、 半导体激光器物理半导体激光器物理光谐振光谐振光子限定光子限定受激辐射受激辐射受激吸收受激吸收1.光子与电子的相互作用光子与电子的相互作用ECEVh受激吸收受激吸收ECEVhhh受激发射受激发射ECEVh自发发射自发发射2232.基本结构基本结构-正偏正偏pn结结hpn有源区有源区-谐振腔谐振腔 光子限定区光子限定区3.基本本特性基本本特性 相干光束相干光束方向、频率、相位差相同方向、频率、相位差相同2244.产生激光条件产生激光条件a.受激辐射受激辐射+自发辐射自发辐射 受激吸收受激吸收 受激辐射受激辐射+自发辐射自发辐射受激辐射受激辐射 受激吸收受激吸收 （粒子数反转粒子数反转）b.光子限定；光子限定； 光子限定于确定区域。光子限定于确定区域。c.光谐振光谐振 -产生谐振：使增益大于损耗；产生谐振：使增益大于损耗； 形成单色光。形成单色光。 光谐振光谐振光子限定光子限定受激辐射受激辐射受激吸收受激吸收225a.受激辐射受激辐射 受激吸收受激吸收 pn结处非平衡状态结处非平衡状态 用准费米能级用准费米能级226227粒子数反转条件粒子数反转条件228物理意义：物理意义：受激发射大于受激吸收：受激发射大于受激吸收：导带底导带底电子占据几率电子占据几率 价带顶价带顶电子占据几率。电子占据几率。EFn EFp h Eg：简并半导体，但不能使其形成负阻效应简并半导体，但不能使其形成负阻效应粒子数翻转粒子数翻转-又称电子限定又称电子限定辐射复合区域辐射复合区域ECECEVEVEFECEVECEVEFnEFp229b.光子限定光子限定hpn有源区有源区- -复合发光区复合发光区npp 型区折射率；型区折射率；n1 有源区折射率；有源区折射率；nn n型区折射率。型区折射率。根据斯捏耳根据斯捏耳(Snell Law):c1 = arc sin(np/n1)c2 = arc sin(nn/n1)有：有：n1np; n1nn光波导光波导-又称光子限定，折射率差是产生光波导效应基础。又称光子限定，折射率差是产生光波导效应基础。光子被反射光子被反射c2 c1 230xzy0-d/2+d/2# 光波导理论光波导理论-光在平板介质波导中的传输特性光在平板介质波导中的传输特性 (对称三层介质波导对称三层介质波导)传播方向：传播方向：Z考虑考虑y方向偏振的方向偏振的TE波：波： Ez=0 波导宽度波导宽度(y)厚度厚度(x)， 根据根据Maxwell方程，只有方程，只有Ey存在，其波动方程满足存在，其波动方程满足231xzy0-d/2+d/2232233# 对称三层介质波导中光的限定因子对称三层介质波导中光的限定因子-234结构：结构：AlxGa1-xAs/ Ga As/ AlxGa1-xAsEg(x)=1.42+1.247x (eV)n(x)=3.590-0.710x+0.091x2电场平方与波导内位置关系电场平方与波导内位置关系基波基波波长波长-0.9md -0.2m限定因子限定因子与折射率与折射率限定因子限定因子与有源层与有源层有源区宽出现高阶模式有源区宽出现高阶模式(限定性变差限定性变差)235基波模式限定因子与有源层厚度和折射率关系基波模式限定因子与有源层厚度和折射率关系236c.光谐振光谐振产生激光需相干光，且光子限定区内增益大于损产生激光需相干光，且光子限定区内增益大于损 耗耗-法布里法布里-珀罗共振腔珀罗共振腔Z反射系数反射系数R1反射系数反射系数R2L237 阈值增益阈值增益-维持振荡最小增益（等于损耗的增益）维持振荡最小增益（等于损耗的增益）gth：可确定维持振荡，激发激光最小电流可确定维持振荡，激发激光最小电流238 振荡模式振荡模式-激光波长选择激光波长选择光频率与光频率与L关系关系239#产生激光条件：产生激光条件：a.受激辐射受激辐射 受激吸收受激吸收 粒子数反转粒子数反转 电子限定电子限定b.光子限定光子限定 有源区折射率有源区折射率 有源区外折射率有源区外折射率 c.光谐振光谐振-谐振腔谐振腔 增益大于损耗；增益大于损耗； 激光频率波长取决于谐振腔长度激光频率波长取决于谐振腔长度 2405.阈值电流阈值电流 - 产生激光振荡最小工作电流产生激光振荡最小工作电流峰值光增益与归一化电流密度关系峰值光增益与归一化电流密度关系1）标称电流密度）标称电流密度Jnom 量子效率为量子效率为1时，激发时，激发1 有源层所需电流密度。有源层所需电流密度。2）实际电流密度）实际电流密度J 与与Jnom关系关系 若有源区宽度为若有源区宽度为d，效率为，效率为，则，则 J = Jnom d 即即: J= Jnom d/ 3）峰值光增益与）峰值光增益与标称电流密度关系标称电流密度关系 如图所示，可见如图所示，可见光增益与光增益与标称电流密度基本为线性关系，标称电流密度基本为线性关系， 可表示为可表示为 g=(g0/J0)( Jnom-J0) -a J0与与g0分别为与横轴沿线交点电流和响应增益分别为与横轴沿线交点电流和响应增益2414）阈值电流）阈值电流密度密度Jth2426.阈值电流阈值电流分析分析光增益、光子能量与偏置电流光增益、光子能量与偏置电流阈值电流密度与有源层厚度阈值电流密度与有源层厚度2437.光谱与光强光谱与光强2448.功率与效率功率与效率1）内受激辐射产生功率）内受激辐射产生功率2452）外量子效率）外量子效率 -单位注入载流子发射光子率单位注入载流子发射光子率3）总量子效率）总量子效率 2469.导通延迟与频率响应导通延迟与频率响应实验曲线实验曲线24724810.波长调制波长调制 1）电流）电流 有源区载流子浓度变化致折射率变化有源区载流子浓度变化致折射率变化 2）温度）温度 禁带宽度变化禁带宽度变化 3）有源区应变）有源区应变 禁带宽度、折射率变化禁带宽度、折射率变化 4）谐振腔长度）谐振腔长度 5）磁场）磁场 导带、价带量子化，能量间隔增加导带、价带量子化，能量间隔增加249二、二、 激光器基本结构分析激光器基本结构分析hpn有源区有源区反射面反射面粗糙面粗糙面(背面同背面同)法布里法布里-珀罗共振腔珀罗共振腔反射面：光定向反射面：光定向粗糙面：控制光侧面传播粗糙面：控制光侧面传播2501.同质结同质结ECECEVEVEFECEVECEVEFnEFp 载流子浓度高，折射率低；载流子浓度高，折射率低； 应使有源区低掺杂；应使有源区低掺杂； 一般有源层折射率仅高一般有源层折射率仅高0.1%-1%0.1%-1%左右；左右；光子限定性差光子限定性差光子限定光子限定有源区折射率增量较小有源区折射率增量较小2512.单异质结单异质结EFnEFpxmECECEVEFXy Lnp光子限定光子限定光子限定性宽带侧好光子限定性宽带侧好2523.双异质结双异质结EFnEFpECECEVEFXy 自发辐射（粒子数反转，电子限定）：自发辐射（粒子数反转，电子限定）： b.光子限定：光子限定： n(有源区有源区) n(有源区外有源区外) c.光谐振光谐振-谐振腔：谐振腔： 增益大于损耗；增益大于损耗； 激光频率波长取决于谐振腔长度。激光频率波长取决于谐振腔长度。粒子数反转条件求解；粒子数反转条件求解；光子限定机理；光子限定机理；异质结激光器、多量子阱激光器结构、高效原理。异质结激光器、多量子阱激光器结构、高效原理。263重重 点点基本基本-物理概念，物理过程，物理图像物理概念，物理过程，物理图像 祝取得优异成绩祝取得优异成绩264