半导体光电子器件.ppt

半导体光电子器件
“CompleteGuideto
SemiconductorDevice”

指出：
半导体器件有67种，110余变种。

构结本基课程主要内容
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

Ch1半导体光电子器件物理基础§1-1pn结（同质）空间电荷区形成物理过程及属性能带结构及载流子分布P区费米能级载流子输运过程I-V特性势垒电容物理机制扩散电容物理机制§1-2MIS结构MIS基本结构及属性(Wm–Ws)/q深耗尽状态及机制VG≥VT§1-3金属与半导体接触势垒接触非势垒接触非势垒接触（欧姆接触？）表面态影响与欧姆接触§1-4异质结与量子阱一、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，--2、能带结构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：ＮＡ和ＮＤ；
介电常数εpS和εnS3）接触电位差-ＶD
空间电荷区p区侧--ＶＤP
n区侧--ＶＤn4）空间电荷区宽度5）势垒电容
空间电荷区正的或负的电荷量: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）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:2）电子流与空穴流特征-注入比要点
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。IVBA2.解决途径—HBT(异质结双极晶体管)势垒413、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1、量子阱—载流子能量量子化二维电子气（2DEG）
二维空穴气（2DEG）EhhEhh2）单量子阱中电子状态密度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。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。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#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。分别代入薛定谔方程：联解对于给定的b、c、V0、m*，可得到F(Ez)所满足的条件，即：#四、二维电子气（2DEG）与二维空穴气2DHG）应用2、2DHG应用？量子阱
超晶格
量子线
量子点
能级量子化
态密度
2DEG
2DHG
禁带可调§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§1.5半导体光吸收与光辐射设: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2、吸收系数结论：
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。二、半导体光吸收1、本征吸收1)、直接带隙半导体2)、间接带隙半导体2、杂质吸收--杂质能级载流子跃迁3、自由载流子吸收4、激子吸收#半导体的光吸收三、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#半导体的光辐射折射率与吸收系数
光波在σ≠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(-ωKz/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(-ɑx)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。2、光子与电子相互作用的物理过程a.光的自发辐射受激发射(辐射)速率—r21(st)：
单位时间、单位体积在能量为hv=E2-E1光