光电信息导论2.pdf

光电信息导论光电信息导论 中山大学电子与信息工程学院 王钢 stswangg 参考书目：参考书目： 半导体物理学刘恩科（第七版） 半导体器件物理施敏（第三版） 1. 1. 半导体光电子基本理论半导体光电子基本理论 1.1 晶体结构 1.2 晶体能带理论 1.3 半导体中的光学过程 1.4 半导体的极性与掺杂 1.5 半导体PN节 晶体的电子轨道：晶体的电子轨道：能带理论能带理论 为什么有的材料能导电，有的材料不能？ 为什么有的材料发蓝光，有的材料发红 光，有的材料发红外光？ 为什么光电子器件加电压后能够发光？ 电能如何有效的转化为光能？ 红外探测器、紫外探测器如何探测光信 号并转换为电信号？ 能带理论是光电子材料、能带理论是光电子材料、 光电子器件的理论基础！光电子器件的理论基础！ 1.2 晶体能带理论晶体能带理论 晶体的电子轨道：晶体的电子轨道：能带理论能带理论 重点掌握：从能带的角度理解金属、 半导体、绝缘体的差异和成因。半 导体的能带特点。 1.2晶体能带理论晶体能带理论 金属半导体绝缘体 不同材料的电阻率 导体：10-6ohm*cm 半导体：10-3108ohm*cm 绝缘体： 1091022ohm*cm 1.2 晶体能带理论晶体能带理论 原子轨道：电子通过分立能级，能原子轨道：电子通过分立能级，能 量由高到低排布在原子核周围。量由高到低排布在原子核周围。 氢原子 电子云 玻尔模型：原子的电子轨道 并非连续分布，而是具有不 连续性。电子只能在这些特 定的轨道之间发生跃迁。这 是量子力学的结果。 因此跃迁所发射的光谱是分 立的谱线而非连续谱线。 孤立氢原子：分立能级 原子核-壳模型 1.2 晶体能带理论晶体能带理论 分子：几个原子通过各自最外层分子：几个原子通过各自最外层 电子的成键，紧密结合在一起。电子的成键，紧密结合在一起。 CO2电子云H2O电子云 Nature Materials： 中国科学家 首次观察到 水分子内部 结构。 分子和固体材料的成键，实际上是相互靠近的不同分子和固体材料的成键，实际上是相互靠近的不同 原子的最外层电子（有时候也包括次外层）互相作原子的最外层电子（有时候也包括次外层）互相作 用的结果。用的结果。 在量子力学的理论框架下，两个原子合并后电子轨在量子力学的理论框架下，两个原子合并后电子轨 道发生了重整。分裂成反键态和成键态：道发生了重整。分裂成反键态和成键态： 一般一个轨道能容纳两个电子。由于成键态能量低，一般一个轨道能容纳两个电子。由于成键态能量低， 因此被两个电子填满，反键态则为空态。成键态相因此被两个电子填满，反键态则为空态。成键态相 当于提供了电子对之间相互连接的“力”。当于提供了电子对之间相互连接的“力”。 什么是能带：什么是能带：外层电子处于 周期性电势场（即晶体）时，在满 足量子力学限制的情况下，电子态 和电子的布居状况。相比于孤立原 子时电子态呈分立的能级，晶体中 电子态一般呈现分立的“能带”。 在量子力学中，电子所处的 “周期性势场”是指周期排 布的原子和外层电子的相互 作用。简单的说，可以认为 是这个势场是由周期排布的 原子实提供的。 1. 原子外层电子能级相互作用，形成成键态和反键态。由于电子态的相 互作用（类似于库伦排斥力），成键（能级低）和反键（能级高）态相 互分离。两者之间不能有电子态存在。（其具体过程是量子力学的推导 结果，本课程不要求掌握。） 2.对于晶体而言，其由无穷多个原子组成，所形成的反键态十分密集的 排列在一起，形成了导带，导带内的电子能级排列得十分紧密，可以 认为是近似连续分布的。价带也有类似的情况。 禁带 能带的形成能带的形成 3.原子形成晶体后，原子贡献各自的外层电子态形成导带和价带。但在 导带和价带之间有一个空隙，电子态不能分布在其中。这一空隙被称为 禁带（带隙），其具体大小称为禁带宽度。 禁带 4.晶体中的原子除了贡献电子态，还贡献电子用以填充这些态。由于每 个电子态可以容纳两个（自旋相反的）电子，因此这些电子首先填充能 量低的价带，且刚好可以完整的填充价带。在这种情况下，晶体的能带 中，价带是全满带，而导带是全空带。 能带的形成能带的形成 半导体中的载流子半导体中的载流子 并非所有的电子都具有导电能力。材料中大多数电子都 不具有导电能力（亦即无法传递能量）。导带中的电子导带中的电子 才具有导电能力。价带中的电子不具有导电能力！ 全满的全满的价带电子无法导电（空间角度）：价带电子是用 以提供原子和原子之间的成键的，因此从空间上看，这 些电子必然被束缚在与其对应的原子周围，无法自由运 动，因此也就无法传导电流。 半导体中的载流子半导体中的载流子 半导体中的载流子：常规半导体中具有两种可以导电的 粒子，即电子（electron）和空穴（hole），统称为载流 子（carrier）。 空穴：价带中的电子“空缺”。一般情况下价带是全满 的，如果人为的移走，或者将一个价带电子激发（如下 图）到导带中，则会在价带中留下一个空位，这个空位 称为空穴。空穴具有导电能力。 半导体能带填充状态：半导体一般可以为满带、空带或 者半满带。前两者都不具有导电能力，半满带才具有导 电能力。 金属金属 VSVS半导体半导体 VS VS 绝缘体绝缘体 材料材料带隙（带隙（eVeV）导电性导电性 石墨烯 Graphene 0 导电二维材料 InN0.7 窄禁带半导体 Si1.1 窄禁带半导体 GaAs1.4 窄禁带半导体 GaP2.3 宽禁带半导体 ZnO3.3 宽禁带半导体 GaN3.4 宽禁带半导体 AlN6.1 宽禁带半导体或 绝缘体 蓝宝石 Al2O3 8.6 绝缘体 从能带角度来理解，材料的导电性取决 于其禁带宽度。 对于金属，由于其电子态之间的排斥力 较弱，不足以分开导带和价带，因此导带 和价带部分的重叠，材料中存在半满带。 半导体在绝对零度时 是绝缘体，但由于带隙 相比绝缘体小，在特定 情况下容易导电（热激 发、光激发、掺杂等）。 能带结构图的能带结构图的 三种常用构象三种常用构象 能量分布构象能量分布构象 Ek关系构象（分析光电材料）关系构象（分析光电材料） E是电子能量，k是该电子相应的波矢量。 k可以近似的认为代表电子的运动速度。 E与k近似满足Ek2关系。 能级能级-空间关系构象（分析光电器空间关系构象（分析光电器 件、电子器件）件、电子器件） 光电器件一般含有多层结构，每一 层的能带都不一样。 对电子（空穴）输运而言最重要的 是导带底（价带顶），因此只画出 导带底和价带顶的空间分布。 能量能量 GaAs/InGaAs/GaAs异质节结构和能带结构 1.3半导体中的光学过程半导体中的光学过程 光电材料：即发光又导光电材料：即发光又导 电，能够实现电能电，能够实现电能-光能光能 之间的相互转换之间的相互转换 绝缘体 金属？ 半导体 EkEk能带结构能带结构 更准确的 Ek图 1. 一旦晶体材料（原子）和结构确定，Ek关系就确定。E 是某个轨道上的电子的能量（包括势能和动能），k是波 矢量，代表电子的动量（或运动速度）。能带曲线上的一 个点代表一个能量动量状态。晶体中的电子的能量和动 量，必然落在Ek曲线上。 2. 半导体的价带是满带，因此Ek能带结构的价带上的每一 个状态都被电子填充。（如左下图） 3. k可以是正值也可以是负值，表明电子正向或反向运动。 EkEk能带结构能带结构 更准确的 Ek图 全满的全满的价带电子无法导电（动量角度）：价带电子无法 导电的另一种原因，如左下图。整个系统中，全满的价 带电子分布在Ek图上，左右对称；即既有正向运动的 电子，也有反向运动的电子；所有电子的动量的代数和 为零。因此，价带的电子虽然是运动的，但其无法沿某 一个固定方向传递能量，亦即无法导电。 多数光电材料都是半导体或具有半导体能带特征的材料。半导 体的发光过程，实际上是电子在导带（底）和价带（顶）之间 的电子跃迁的结果，是一个光-电过程。 电致发光VS光致发光 半导体的光电特性，与其能带结构，尤其是禁带宽度Eg紧密关 联。Eg的大小决定了半导体光电材料制成器件后的工作波长。 半导体发光： 半导体光学过程的特点半导体光学过程的特点 带内跃迁和带间跃迁带内跃迁和带间跃迁 带内跃迁：当在导带（价带）内产 生一个电子（空穴）时，对于电子 （空穴）而言，导带底（价带顶） 是能量最低最稳定的，因此电子 （空穴）倾向于跃迁到导带底（价 带顶）。这个过程称为弛豫，一般 是通过多步跃迁完成的，每一次跃 迁都释放热量，带内跃迁是热过程。 带间跃迁：处于导带底的电子仍未 达到最稳定，进一步还需要回到价 带才稳定。从导带到价带（价带到 导带）的电子跃迁称为带间跃迁， 同时伴随着发出（吸收）一个一个光子。 注意，电子从导带跃迁到价带，前 提是价带必须有空穴；否则电子只 能处于导带底而无法回到价带。 带间跃迁：电带间跃迁：电- -光转换过程光转换过程 带间跃迁的三种类型：吸收、自发辐射和带间跃迁的三种类型：吸收、自发辐射和 受激辐射。受激辐射。 带间跃迁满足条件：动量守恒和能量守恒。带间跃迁满足条件：动量守恒和能量守恒。 动量守恒要求只能发生垂直跃迁（如右图）； 在非垂直跃迁的情况下，跃迁的效率非常低。 能量守恒要求光子能量等于两个能级的能量差。 自发辐射：电子从高能级自发的跃迁回低能级，为了保持能量守恒，这一 过程产生光子，并随机向外界辐射。 受激辐射：高能级有电子，且低能级为空，同时外部有一个光子入射，诱 发电子跃迁到低能级。所诱发的光子和入射的光子是完全一致的。 半导体光吸收（探测）过程 1. 半导体的价带全满，导带全空， 此时处于基态（稳定态）。 2. 吸光过程：光子入射后，价带 电子吸收光子，向上跃迁；此 时由于导带是空的，能够容纳 电子，因此向上跃迁的电子允 许进入导带。 3. 由于禁带中没有电子态，向上 跃迁的电子不允许进入禁带， 因此光吸收必须满足： g E 光子能量： 2 photon c E = （约化）普朗克常数： 光子频率： 光子波长： 光速：c 半导体光（自发）辐射过程 1. 吸收光子后，半导体价带具有 空穴，导带具有电子，价带和 导带都是半满带，处于激发态 （非稳态）。 2. 非稳态的电子（空穴）首先进 行热运动，各自弛豫到导带底 （价带顶）。 3. 发光过程：为了进一步进入稳 定态，导带底的电子向下跃迁， 回到价带顶，从而恢复稳定态。 4. 由于禁带中没有电子态，向下 跃迁的电子不允许进入禁带而 只能进入价带，辐射光子能量 满足： g E 光子能量： 2 photon c E = （约化）普朗克常数： 光子频率： 光子波长： 光速：c 电磁波谱电磁波谱 射线射线紫外 可 见 光 红外辐射微波无线 电波 甚 高 频 高 频 中 频 低 频 甚 低 频 10 -14 101010 1010101010 -9-6-5-4-1 101010 234567 /cm1cm1m1000m 0.111010 10 23 /m /Hz 31103110311031103110311031103110 24222018161412 10 864 311031103110 33303030300300300 1010101010 5432 1 /cm -1 GHzMHzkHz 波 长 频 率 能量单位：电子伏特（能量单位：电子伏特（eV） 半导体光电材料应用涵盖了从紫外到红 外波段，主要集中在可见光波段。 能量单位：电子伏特（能量单位：电子伏特（eV） Since the energies related to atoms and photons are very small, (EGREEN LIGHT = 3.57 10 19 J), we have defined a new unit of energy called “electron Volt” or “eV” One eV is the energy acquired by an electron when accelerated by a 1.0 V potential difference. + 1V Energy acquired by the electron is qV. Since q is 1.6 1019 C, the energy is 1.6 1019 J. Define this as 1 eV. Therefore, EGREEN LIGHT= 2.23eV 1 eV = 1.6 1019 J 1 eV = 1 1.61019CV = 1.61019J 禁带宽度与发光波长禁带宽度与发光波长 2 photon c E = 2 photon Ec= 1240 photon E= 若波长取nm为单位，Ephoton取eV 为单位： 半导体可以吸收（探测）能量 大于其带隙的光子。 半导体可以辐射能量约为其带 隙的光子。半导体激光器、发 光二极管均使用导带到价带的 电子跃迁原理发光。 使用光激发或者电激发，均可 使电子跃迁到导带；电子回落 价带的过程就会发光。实用光 电器件一般使用电激发 禁带宽度与发光波长禁带宽度与发光波长 2 photon c E = 2 photon Ec= 1240 photon E= 若波长取nm为单位，Ephoton取 eV为单位： 材料材料带隙（带隙（eV）波长（波长（nm） GaAs1.4 860（红外） GaP2.3 540（黄绿光） Bi2O32.8 443（蓝光） ZnO3.3 375（近紫外） GaN3.4 365（近紫外） AlN6.1 203（真空紫外） 可见光波段380780nm。 光纤通信波段860/1310/1550nm。 领域领域材料材料带隙带隙Eg用途用途 微电子GaAs、InP红光超高速IC、微波器件 Si间接带隙间接带隙大规模集成电路 光电子Si间接带隙间接带隙太阳能电池 GaInAsP红光红光LED、LD、光通信 CdTe红外热成像仪 ZnSe、CdTe红光、红外红外探测器 GaN、InGaN绿光、蓝光、 近紫外 蓝绿光LED、LD 常规单质半导体材料、化合 物半导体材料的带隙与应用。 不同类型带隙（不要求掌握） 直接带隙：发光效率高，探测效率也高。 间接带隙：发光效率低，但可用于吸收探测。 直接带隙和间接带隙直接带隙和间接带隙 一方面，带内弛豫速度比 带间跃迁快得多，因此导带 上的电子总是处于导带底， 价带上的空穴总是处于价带 顶。另一反面，为了满足动 量守恒，发生带间跃迁的电 子，在跃迁时是垂直跃迁。 在Ek能带结构图中，将 导带底和价带顶垂直对齐的 材料称为直接带隙半导体， 反之则称为间接带隙半导体。 直接带隙和间接带隙直接带隙和间接带隙 典型间接带隙半导体：Si 间接带隙发光效率：远低 于直接带隙半导体。 间接带隙发光能量：基本 上仍然由其禁带宽度决定。 间接带隙发光过程：首先 需要在动量上发生平移，与 价带顶对其后才能发生带间 跃迁。这一平移过程实际上 是热过程（声子的概念）。 间接带隙吸光效率：和直 接带隙半导体相近。因此间 接带隙半导体不适用于发光， 但适用于光探测。 直接带隙和间接带隙直接带隙和间接带隙 光生载流子和光电导光生载流子和光电导 g E 半导体光电探测主要分光电导模式、光伏模式、光热模式等， 其中光电导模式是应用最广泛的模式。 对于能量大于Eg的光子，半导体是吸光的；对于能量小于Eg 的光子，半导体是透明的。不同的波段探测应选择不同的半导 体材料。 入射光子越多（光强越强），产生的光生载流子越多，半导体 的导电性就越好。通过探测半导体电导率变化的大小，就可以 反推入射光的光强。 1.4半导体的极性与掺杂半导体的极性与掺杂 固体材料的成键特性： 金属键、离子键、共价 键（包括极性键和非极 性键）。 单晶Si的成键特点： a)最外层电子数为8时结构稳 定，因此Si与其最近邻的其 他四个Si原子两两成键。 b) 非极性键。 c) 成键的电子被束缚在成键 原子的周围，一般情况下 无法进行自由运动。 价带电子无法导电，如 何使Si获得导电性？ 半导体的掺杂： 通过在半导体单晶材料中引入其 他元素的杂质原子，从而实现对 半导体材料电学特性的有效调控。 掺杂的原理： 引入具有不同外层价电子数目的 元素，提供电子或空穴。 半导体导电性的获取：本征的半导体不 具有导电性，但可以通过外部激励的手段 使其具有导电性。 a)光电导效应：通过光子激发光生载流子， 从而使半导体电导率提高。其缺点是，一 旦光消失，半导体的导电性也消失。 b) 掺杂：通过掺杂杂质原子，在导带中引入 电子或在价带中引入空穴。一旦材料制备 完毕，这种导电性将一直保持，成为材料 本身的特性；因此，可以通过人工控制掺 杂量的大小来调控半导体的导电性。 4 Be 5 B 6 C 7 N 8 O 12 Mg 13 Al 14 Si 15 P 16 S 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te 80 Hg 81 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 掺杂的原理： 引入具有不同外层价电子数目的 元素，提供电子或空穴。 半导体Si常用掺杂： P型掺杂B、Al等 N型掺杂P、As等 本征半导体的热激发：在0K时不具有载流子、无法导电的半导体， 称为本征半导体。由于价带电子除了可以被光激发到导带，也可以通 过热激发到导带，因此在实际情况中，在室温或较高温度下，本征半 导体中也存在能导电的载流子的。在同样的温度下，禁带宽度越窄的 半导体，价带电子越容易被热激发到导带；对同一种材料，背景载流 子浓度随着温度升高而指数增加，如下图。 N型和P型半导体：在0K时以电子（空穴）导电为主的半导体，称 为N型（P型）半导体。 本征本征Si Si的背景载流子密度随温度的变化的背景载流子密度随温度的变化不同材料的不同材料的300K300K背景载流子浓度背景载流子浓度 电导率、载流子浓度、迁移率电导率、载流子浓度、迁移率 N = semiconductorPNP enep+=+ 半导体电导率： 脚标N和P分别代表电子和空穴，若材料只有N型导电： N = semiconductorN en= 其中n是电子浓度，e是元电荷；e*n则表示这些浓度的 电子所携带的电量。N是这些电子的迁移率。 我们知道电场强度（电压）越大，电子运动速度越快。从数学上可以 将电子运动速度表示为： NN vE= 电子速度=常数电场强度亦即 上式中的常数就是指电子的迁移率。所以，迁移率是指在电场强度E 作用下，电子运动速度的“增速”。 11 = NNNN J SJenvvLI LL en R SV SEL SEEE = 在普通物理中，有电流密度： NN Jenv= 一块长方形S L的电阻为R的半导体，在电压V的作用下电流为I，则电 导率可以表示为： 因此，将vN/E定义为材料的电子迁移率： / NN vE= 推推 导导 二二 推推 导导 一一 电导率、载流子浓度、迁移率电导率、载流子浓度、迁移率 N = semiconductorPNP enep+=+半导体电导率： N = semiconductorN en= 实际半导体材实际半导体材 料中，电阻率料中，电阻率 随着掺杂浓度随着掺杂浓度 的增加而下降的增加而下降 电导率、载流子浓度、迁移率电导率、载流子浓度、迁移率 11 = NNNN J SJenvvLI LL en R SV SEL SEEE = 在普通物理中，有电流密度： NN Jenv= 一块长方形S L的电阻为R的半导体，在电压V的作用下电流为I，则电 导率可以表示为： 因此，将vN/E定义为材料的电子迁移率： / NN vE= 推推 导导 一一 在低电场情况下，大多 数半导体材料的载流子迁 移率随着电场强度线性增 加，符合： 在高电场情况下，线性 关系不再满足。不过，多 数半导体器件都工作在低 电场情况。 NN vE= 半导体中的量级半导体中的量级 一些物理量，需要知道其精确数值。比如： 电子电荷量e约为1.6021892*10-19C； 普朗克常数h约为6.6260693*10-34Js；等。 在半导体中，很多时候更关注“量级”而非精确的数值，比如： 非掺杂的本征Si在300K时，具有背景载流子浓度1*1010cm-3； 通过人为掺杂，Si在300K时，具有载流子浓度1016cm-3 1020cm-3范围内； 而金属电子浓度一般则在1022cm-3 1023cm-3范围内，如Au= 5.9*1022cm-3 ；等。 1.5半导体半导体pn节节 1947年，W. Schokley, J. Bardeen, W. Brattain发明了第一个晶体管（NPN-Ge）， 由此获得1956年诺贝尔奖。 目前，Si器件工艺的特征尺寸已降低至 10nm量级（10-8m）。 Si晶锭（P型） 切片 阻挡层制备（掩膜光刻） N型离子注入 PN节成型（退火） 金属电极制备 PN节的制备节的制备 离子注入法离子注入法 工艺流程：工艺流程： 离子注入法离子注入法 薄膜外延生长法薄膜外延生长法 PN节的形成节的形成 气体分子的热扩散： PN节中的扩散： 1. P型半导体含有大量空 穴，N型半导体含有大 量电子。因此，空穴会 有向N型层中扩散的趋 势，电子会有向P型层中 扩散的趋势。 均匀扩散 2. P型层和N型层都发生了“耗尽”。P型层失 去空穴后带负电，N型层失去电子后带正点。 3. 由于电子和空穴是带电的，所形成的内建电 场刚好会阻碍扩散的进一步发生。因此PN节 中的扩散和气体的热扩散有差别。 PN节的物理过程节的物理过程 PNDriftDiffusion JJJ=+ 扩散电流方向 漂移电流方向 PN节中的电流： 热平衡状态下，PN节中没有净的电流 流动，即JPN=0，说明漂移电流和扩散 电流大小相等方向相反，PN节中达到 一种动态平衡。 扩散电流的大小是由“浓度差”决定 的，因此，扩散电流的大小在PN节制 备好后就基本决定了，是PN节的基本 特性。而漂移电流则随着内建电场的 增加而增加；随着扩散的持续发生， 内建电场越来越强，漂移电流也越来 越大，最终和扩散电流大小相等。 PN节的电学特性节的电学特性 扩散电流方向 漂移电流方向 在耗尽区部分，由于P型层失去了空穴， N型层失去了电子，因此在这部分区 域，没有导电的载流子。耗尽区是高 阻的。在耗尽区以外，P型层和N型层 仍保持导电状态。 加正电压是（下左），外电压使耗尽 区变窄，PN节导电性增加，PN节处于 导通状态；反之，则PN节处于关断状 态（下右）。 因此，PN节具有单向导电特性（整流 特性）。 PN节的电学特性节的电学特性 正偏状态反偏状态 PN节的电学特性节的电学特性 正偏状态反偏状态 实际半导体PN节 的整流特性。 击 穿 反 偏 正 偏 PN节的能带结构节的能带结构 1. 对于半导体器件、半导体节，一般仅画出其导带底Ec和价带顶Ev， 还有相应的费米能级Ef。在半导体中，电子（空穴）总是向费米能级 低（高）的地方运动。在热平衡情况下，半导体材料、半导体节、半 导体器件中费米能级总是处处相等的。 2. PN节接触后，离接触面足够远的地方，材料的电学特性保持和未 接触前一样；而在接触面则发生了“耗尽”，这种耗尽导致了能带弯 曲，如右图。能带弯曲只发生在耗尽层内