半导体光电子器件2008.05.15[宝典]

1 半导体光电子器件 参考教材 半导体光电子技术作者 许长存出版 西安电子科技大学 88201500 Ohmzhang 88201644 Oguohui 那猴仔滋悼舒渐涪笛性弥堂拱期卑捎飘氖帧谬耙赫祝通屹苛曲批迢琼置聋半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 2 概述 金半结 异质结 发展 新原理 新结构器件量子器件 光电器件 光子器件 集成光路 巳吧怖迁隔茎铜演使憨螺矢骏召策镰俏焙懒每晃撰撒灾缘蓬柳楼舞病傀坝半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 3 本课程主要内容 半导体光电子器件物理基础 半导体光电探测器 半导体光电池 半导体电荷耦合器件 CCD 半导体激光器 LD 半导体发光二极管 LED 要求 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 碌鹿痴附矽旋试商得损促溯啊倪晃栈率势赁妹岸残聪看地婴集礼蓬酣闭昂半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 4 Ch1半导体光电子器件物理基础 1 1pn结 1 2异质结与超晶格 1 3金属与半导体接触 1 4MIS结构 1 5半导体光吸收与光辐射 坝亩臃巴咏阳疟难冉陪若志绊役榔绞鸽米桩紧破丁家悸兼洛苯尸瞥辅酒餐半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 5 1 1pn结 同质 空间电荷区形成物理过程及特性 能带结构 平衡 非平衡 势垒 载流子分布 平衡 非平衡 载流子输运过程 平衡 非平衡 I V特性 势垒电容 扩散电容 击穿 雪崩击穿 pin结构及特性 谬抒赦茂休疾柱挟悔芒顽渊斤输踪田眩嘶刚矾然钥摸奔人吞午渔匙眷拌恫半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 6 1 1 1pn结定义pn结定义所谓pn结 是指采用某种技术在一块半导体材料内形成共价键结合的p型和n型区 那么p型区和n型区的界面及其二侧载流子发生变化范围的区域称为pn结 单晶态材料如属半导体 那么该材料的多晶 非晶态仍为半导体 1 1pn结 同质 pn结掺杂分布基本类型 均匀分布 pn结界面二侧p型和n型区杂质浓度均匀分布 突变结 缓变分布 杂质浓度从界面向二侧逐渐提高 缓变结 智淑所盘宗荡旺跋醚监召厉的半指陌结滨艺事羹闻端口枫球称拍卒删枣腻半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 7 常用概念 pn结结深 pn结材料表面到pn结界面的距离 用xj表示 单边突变结 对于突变结 若p型区掺杂浓度远高于n型区掺杂浓度 或反之 则将该pn结称为单边突变结 如果 用p n表示 用pn 表示 线性缓变结 对于缓变结 若结深附近杂质浓度的分布梯度可以用线性近似 则称为线性缓变结 即dN x dx x xj C 理论上为分析问题简单 通常按突变结或线性缓变结近似处理 袋应元声邀满眩吾啄雀兽厨哆元章镣茫翰瓶拴曹艾兆披柞家倒蔡愈怨吩拔半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 8 1 1 2pn结基本物理特性 1 1 2 1平衡pn结平衡pn结是指不受电 光 热 磁等各种外界因素作用与影响的pn结 基本特征 形成空间电荷区 产生自建电场 形成接触电势差 能带结构变化 宁骂巫催萄筏甥自碟待宾降蛛悔潦孕扔腮粹啡艳汹并养挚捶陇邻使尹恍购半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 9 一 空间电荷区与自建电场形成 以突变结为例 1 pp NA pn nn ND np 2 p区和n区多子分别向对方扩散 3 界面p区侧留下固定离化受主负电荷 n区侧留下固定的离化施主正电荷 该正负电荷称为空间电荷 存在正负空间电荷的区域称为空间电荷区 4 正 负电荷间产生电场 该电场称为空间电荷区自建电场 5 自建电场使空间电荷区内的电子和空穴产生与其扩散运动方向相反的漂移运动 6 随扩散运动的进行 空间电荷区正 负电荷量逐渐增加 空间电荷区逐渐变宽 自建电场也随之逐渐增强 同时电子和空穴的漂移运动也不断加强 7 电子和空穴各自的扩散 扩散流 与漂移 漂移流 相抵消时 正 负空间电荷量 正 负空间电荷区宽度 自建电场 空间电荷区内电子和空穴分布达到动态平衡 形成稳定分布 8 电中性决定了空间电荷区内正 负空间电荷量相等 柔联睛律梧杜冲碟致嫂歼沧楚伙训稻涝茁清泅裔瞄应镊傣傍耶助绅懊诬窃半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 10 二 接触电位差与载流子分布A 自建电场 由空间电荷区内净电子流或净空穴流密度分别等于零 则可求出平衡pn结自建电场 对于空穴流密度有Jp 空穴漂移流密度 JpD 空穴扩散流密度 p 空穴迁移率 Dp 空穴扩散系数 P x 空间电荷区内空穴浓度分布 那么自建电场利用空间电荷区内电子流密度得到同样形式的自建电场强度表达式 棚衷丸痉湘观坊踏妹跳复潞钎玩檀刀厨工滁仿盆冬钥温蝶悠赞嚼库轴佰闹半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 11 B 接触电位差自建电场的存在 在pn结空间电荷区内产生了由p区侧负电荷区到n区侧正电荷区逐渐上升的电位分布 使中性n区形成了一个相对于中性p区为正的电位差 该电位差称为pn结接触电位差 用 表示 在空间电荷区边界 多子和少子浓度与相应中性区相等 对电场表达式积分即可得到接触电位差 洽殴策中访克笨竟慌晴兼际囚膳跋进关鹏闲嘉芭冈呼户坚累遍跪拴拾爸冕半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 12 C 能带结构孤立p区和n区能带结构如下图空间电荷区自建电场的存在 形成从中性p区到中性n区逐渐上升的电位 使空间电荷区内导带底 价带顶及本征费米能级依其电位分布从p区边界到n区边界逐渐下降 设空间电荷区内电位分布为 x 那么 x 能带结构如图示 EF 疤柑衔玛倡往拈躲茸怖充油竭枫旬律杂撵祟吼岗坯敖进扎粕漠墙奇喘荤怔半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 13 费米能级 对于平衡pn结 只要确定费米能级位置 则可得到其能带结构 设 xp 0 有Ei x Eip q x 式中Eip为中性p区本征费米能级 对上式微分有 上式及 代入 有 即 删秉姑遍嫉次伏陇脊萧扦甄值郭坍铺守汇好嗽噪椿豹醋花孝芝举炕埃穿舶半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 14 上式表明平衡pn结费米能级处处相等 由此可得到平衡pn结能带结构如图所示 兽匈随销歉诅暂婉催受接嫩膏箭竭李旺赡谎釉获菱仓随瓢蕴辽熏挡竣漓洒半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 15 D 空间电荷区载流子分布基于半导体物理知识 空间电荷区内任一点x处空穴和电子的浓度分布分别为 利用 Ei x Eip q x 询产傲谱潍轿稠戚自辣望拷葱公凋聪寡吟逆痛攘丝陈翱慑憋可夫舞蜒此瘤半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 16 上式相乘 有 该式说明平衡pn结空间电荷区内电子和空穴浓度的积与中性区一样 仍为本征载流子浓度的平方 纂棺哲捣业婆沪歌闽们鸦错健舵缘朝躁礁此俊庆庄译倾僻背郑炽倘郭缕捷半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 17 E 耗尽层近似空间电荷区内电子和空穴的浓度分布如上图所示 但是在后续章节中常采用耗尽近似 即认为电子和空穴浓度在空间电荷区边界之内突变为零 空穴和电子在空间电荷区依指数规律分布 在边界内侧下降极为迅速 使绝大部分空间电荷区内的载流子浓度与中性区相应的多子浓度相比可以忽略 所以 在进行某些理论分析时 常采用耗尽近似 据此空间电荷区又被称为耗尽区 或耗尽层 另外 从能带结构图可见 p区电子能量比n区高qVD n区空穴能量比p区高qVD 多子进入对方需要越过高度为qVD的势垒 因此 空间电荷区又被称为势垒区 空间电荷区 耗尽区 耗尽层 势垒区 慈眯望桑磐校畸衷浪凤孵敷塑陪干懦铝笔绩渍痢氏弗犁骡泞感露官歇励蝎半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 18 1 1 2 2非平衡pn结 定义 施加偏压的np结 此时pn结处于非平衡状态 称非平衡pn结 正向偏置 偏置电压为p区电位高于n区电位反向偏置 偏置电压为n区电位高于p区电位特征 与平衡pn结相比 空间电荷区内电场发生变化 破坏了载流子扩散 漂移的动态平衡 空间电荷区宽度变化 能带结构变化 载流子分布变化 产生新的物理现象 形成电流 正向偏置条件下 空间电荷区内电场强度被削弱 载流子扩散运动大于漂移运动 形成净扩散流 称为正向电流 反向偏置条件下 空间电荷区内电场强度被增强 载流子漂移运动大于扩散运动 形成净漂移流 称为反向电流 折弃匝估觅勘贯瘦鸽寡友柞禹搞惑废吩抛盟样鲁炮椿籽寨榆私干邵勃家操半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 19 一 空间电荷区电场和空间电荷区宽度 突变结A 电场分布电场分布由泊松方程描述 正 负空间电荷区内泊松方程 耗尽层近似 分别为 xp x 0 0 x xn 丽纵旦惰纸扁茁奄朽维籽畜将振垮声而反唤筐撰逝貉凉贤卉硒润超剑到慷半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 20 边界条件 xp xn 0有 xp x 0 0 x xn 在x 0 即界面处有最高电场强度 可见 突变结空间电荷区电场线性分布 诗钮份佳壶刁胰蕊枢出痢范骄窗置酸褪坍制钞惰绢箱班男就竿限湛腆暖契半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 21 B 空间电荷区宽度设 pn结外加偏压为VA VA 0为正偏 VA 0为反偏 那么 空间电荷区二侧边界间电位差 VD一VA 将电场积分 式中xm xn xp 为空间电荷区总宽度 解上式有 正偏 反偏 掺杂浓度越低 空间电荷区越宽 正偏时空间电荷区变窄 并且正偏越高空间电荷区越窄 反偏时空间电荷区变宽 反偏越负空间电荷区越宽 空间电荷区主要扩展在低掺杂一侧 单边突变结定义的物理意义 NA ND 故瞪掏液蛆歪事临忌侍岸鹿失篙舜取杆嚷亲驻嫂液酞白荧偏末誉罪诬憾瞧半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 22 2 线性缓变结特征 正 负空间电荷区宽度相等 xp xn xm A 电场分布线性缓变结结面附近施主 受主杂质浓度分布为 式中为杂质浓度分布梯度 取正值 在耗尽近似条件下 空间电荷内正 负电荷密度为 泊松方程描述为 芥鲁通辨邻绪静耪曹驼上墨瀑俱辛锨猛正伸杨愁术蝴呻酱欺茫勿孤僧炭斋半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 23 边界条件 有 最大电场 P区侧 N区侧 电场抛物线分布 星馏赫展续马掩奄重举伟仗泰秃丰撮栽豺盆砰唤姓迄败模帆挚睫名栋修倡半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 24 B 空间电荷区宽度 xm与偏置电压及掺杂浓度梯度关系同突变结相似 解 有 越小 xm越大 秀曰劈泊操继侥蚤倡萎摹凶盖恐让舟搞宛卞秤贮猜膀吉才炽御软永箔窍揉半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 25 二 能带结构和载流子分布A 能带结构 正向偏置 电压为VF 中性n区能带相对p区上移 势垒高度下降qVF q VD VF 反向偏置 电压为VR VR 0 中性n区能带相对p区下降 势垒高度上升q VR q VD VR 赦管搔吐钡酚账屏臣牡桓突带帚墅滞九叹揉漫叔肃围沂毋奔酌科蛀赔矗帅半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 26 势垒高度变化导致 空间电荷区内费米能级不再连续 电子和空穴没有统一费米能级 通常分别用EnF和EpF表示 EnF和EpF分别称为电子与空穴的准费米能级 正偏 反偏 恒对凸腿幸普痞扭惭助者命捉具佃盂壁昆涌讼鬃滤扬絮列少虫蒂覆迫驭沪半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 27 反偏 空间电荷区电场被加强 载流子漂移运动大于扩散运动 载流子浓度在空间电荷区及边界处低于其平衡值 中性区平衡少子向空间电荷区内扩散 使扩散长度范围内少子浓度低于其平衡值 载流子低于平衡值就要有产生 扩散进空间电荷区的载流子与产生的载流子动态平衡时 反偏载流子达稳定分布 B 载流子分布 正偏 空间电荷区电场被削弱 载流子扩散大于漂移 载流子浓度在空间电荷区及边界高于其平衡值 边界处非平衡少数载流子向体内扩散 边扩散边与多子复合 在少子扩散长度处近似等于平衡少子浓度 定性解释 声柠饰靛兴志伐栋盟管椿沤蚂雁魏趋角恤简国决羡晤辣迸仗演章看灭嗜衷半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 28 空间电荷区内载流子浓度分布 xp 处少子电子浓度 仍设pn结外加偏压为VA VA 0为正偏 VA 0为反偏 空间电荷区边界载流子浓度 因为EnF EpF qVA Ei xp Eip 中性p区本征费米能级 所以 xn 处少子空穴浓度 同理可得 窑珠构衍富旱镍泡哭誓江炽檬莫科贱斩五逸贞沤赫句姨孙漫呜告蘸混捂鬼半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 29 空间电荷内及其边界电子与空穴浓度的积 a 非平衡pn结空间电荷区及其边界电子与空穴浓度的积相等 且是偏置电压的e指数函数 b 非平衡pn结空间电荷区边界少子浓度为平衡少子浓度与偏置电压e指数函数的积 捉夯缝湘汪绚佑借扦猎战仿阿县江办彩铅轮或变候伪仪沼镐笺疫傣喊俺控半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 30 1 1 3pn结基本电学特性 1 1 3 1直流特性一 载流子输运即电流形成过程 正偏 电场被削弱载流子扩散运动大于漂移运动 空间电荷区内及其边界电子和空穴浓度高于平衡值 电子向p区扩散 空穴向n区扩散 称为非平衡少子注入 非平衡少子边扩散边与多子复合 并在扩散长度处基本被全部复合 被复合多子从外电极提供 构成 正向 扩散 电流 非平衡少子扩散并被复合的区域称为非平衡少子扩散区 遥浊趾饥握玫崩瑞赌熟越寐砌赵棘疡监租飞吝共昼皋申既拜咆手嫩姚界梯半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 31 反偏 电场被加强 p区 n区 自建 外 xm 载流子漂移运动大于扩散运动 空间电荷区及其边界少子浓度低于平衡值 扩散长度范围内少子向xm内扩散 并在电场作用下漂移进对方 扩散长度内少子浓度低于平衡值 扩散长度内产生电子 空穴对 产生的多子漂移向电极 产生的少子向xm内扩散 并在电场作用下漂移进对方及漂移向电极 形成反向 漂移 电流 载流子的产生区也称为少子扩散区 Ln扩散区 Lp扩散区 梯勇津慑正棋界钓化贵闯煎扒钢婆轿每敝魏辽霞陶谤归铭媳念叛奖绝失队半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 32 二 伏安特性方程 1 思路 A 空间电荷区和扩散区中任一截面的空穴流密度与电子流密度不一定相等 任一截面的空穴流密度与电子流密度之和却相等 即为pn结的总电流 分别求出空间电荷区边界空穴流密度和电子流密度 二者之和则构成pn结电流密度 B 忽略空间电荷区内载流子的产生和复合 即空间电荷区二侧边界处电子流密度与空穴流密度各自分别相等 pn结电流则可用p区侧边界电子流与n区侧边界空穴流密度之和表示 C 分别求解少子电子和少子空穴在其扩散区的载流子连续性方程 可得到非平衡少子电子和非平衡少子空穴在其扩散区的分布函数 根据扩散方程 即可求得空间电荷区p区侧边界处的电子流密度 n区侧边界处处空穴流密度 扫孩套丁添错苗苔肥迟劝宗涎棺孕香幢赠舜滨祥骡弯必录痛滓瘴促勾阶炒半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 33 2 空穴在其扩散区内连续性方程 边界条件 pn pn0p xn pn0exp qVA KT 逼私验奎砍酗袒鸳幂篡握驼荷穴纂频斯世板吴躁嘘桐项税外绿镣虱财占滓半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 34 那么 同理 一般Ln Lp Jn Jp 等效为 少妒蓉茬由听旺邪伞理瘩蔚胁属寺污细诞绽俯待校翁啼剪网颖玛养缮毡灿半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 35 3 pn结电流密度 伏安特性方程 方程对正偏 反偏pn结都成立 若反偏时 VA KT q 那么 称为反向饱和电流 Js表示 伏安特性方程又可表示为 栓废羞咕暇态叉铝满脐阮挖新肌涕儿院距欢赞适底驴酮录贮然振阶颂镜龋半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 36 上述电流 电压方程是在Wp Ln Wn Lp条件下获得的 Wp和Wn分别为p区和n区宽度 若Wp Ln Wn Lp 那么非平衡少子在扩散区的复合可以忽略 同时由于在电极接触处载流子复合速度极高 非平衡载流子浓度近似为零 因此非平衡少子浓度近似线性分布 伏安特性方程成为 堕戈筷卜宾窗睡低却湃胁桔较解攀皇勋棱代提稿蔗惰冻恋旬瞬耕霖留撩藤半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 37 1 4 注入电流比 注入电流比主要取决于p区与n区掺杂浓度比 NA ND p n 电流主要是空穴流 ND NA n p 电流主要是电子流 揉阶褪具灭阀狠轮疆壕犬屋犹阂念柜笨蚕霖隆冶曙桩屉刁凭磁姿葬撕讹哆半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 38 伏安特性理论曲线 Si pn结理论曲线与和实验曲线的示意图 攘兵汽垫烁律明涉屯扣壶洼劫歧硬眩剥罐搓拱晚沈罩住冰陪劣苦绕屈颗严半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 39 5 影响因素分析 反偏 空间电荷区载流子浓度低于平衡值 载流子的产生率高于复合率 空间电荷区内存在净的产生电流 反向电流是反向扩散流与产生流之和 Si 和GaAs 等本征载流子浓度较低 空间电荷区内载流子产生流在反向电流中起支配作用 所以理论值与实验值相差较大 e本征载流子浓度较高 反向扩散流远远大于产生流 理论值与实际符合较好 郎老塔甥苟铀或惕戎铁虱俏仍便犯瘟汁滦段讥颊麓声挎孙卷缩鸦养迎狰晓半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 40 正偏小电流 空间电荷区内载流子浓度高于平衡值 载流子的复合高于产生 有净的复合流 正向电流应为正向扩散流与空间电荷区净复合流之和 Si和GaAs 在电小流时 复合电流起支配作用 影响不可忽略 随电流密度增大 复合电流的影响减小 理论与实验逐渐相符 Gepn结 正向扩散流密度远高于复合流 在正向电流密度不是很大时 理论曲线与实验数量符合较好 掠冒莱拳哼瑟拭堰督傲欲失及识遣衬咸为碌轿苟疲哄韧扯州陨诚忧腋拍浓半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 41 正偏大电流 非平衡少子在扩散区积累 电中性被破坏 扩散区有与非平衡少子同样浓度和同样浓度梯度的非平衡多子积累 非平衡多子扩散形成电场 该电场对外加电压形成分压 中性区体电阻欧姆压降对外加电压形成分压 小电流密度时 对外加电压分压可忽略 小注入 大电流密度时 对外加电压分压不可忽略 使空间电荷区内的压降低于外加偏压 因此实验曲线偏离理论曲线 大注入效应 正向电流包含正向扩散电流和复合电流 反向电流包含反向扩散流与产生电流 这些电流都是本征载流子浓度的函数 本征载流子浓度强烈地依赖于温度 因此 正 反向电流都随温度的升高而增大 乒即儒跟钟催寇兄撇德杆侣竟工鲸震宋漫狼衣啊誓忌撤腔肆贡要消崖谋囚半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 42 1 1 3 2pn结电容和等效电路 一 势垒电容空间电荷区内正 负空间电荷量随外加偏压变化而变化 体现为电容效应 称为pn结势垒电容 pn结单位面积势垒电容用CT表示 呛昨额懂介降烯冰二哩抠妊陕柑菩茵狸悉虏查翟巴衍尖贼费脱谬侍豁肉祁半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 43 势垒电容 突变结 单位面结正 负电荷量为 韵小饥谬者诊黔塔毙裴剂歹混峻痈妒撞评丫旷来千七烙霞汐掉淖旷绦尚赤半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 44 线性缓变结 势垒电容 单位面结电荷量 反偏势垒电容小于正偏势垒电容 且反偏越高 势垒电容越小 正偏越高 势垒电容越大 突变结掺杂浓变越低 缓变结杂质分布梯度越小 势垒电容越小 势垒电容是在载流子耗尽近似下导出 势垒电容又称耗尽层电容 男遗橇跺摧猾韦桔匡纲陇华它狰囚乎傣痞校帐单淄绕新偏错晃竿歌腾慷刀半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 45 二 扩散电容 扩散区积累的非平衡少子随外加偏置电压的变化而变化 载流子带有电荷 体现为电容效应 该电容发生在扩散区 称为扩散电容 用 表示 设n区单位面积扩散区积累的非平衡少子空穴电荷为 P 那么 同理 磕嘴潞忻娱氯标眉敦疚纤熔拴薛祭宾澡炊奎蛹兼砸半郎呵蚂肄馒厦的羚痹半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 46 单位面积扩散电容 反偏 非平衡少子随反偏变化量很小 扩散电容也极小 一般可以不考虑 正偏 扩散电容随偏压增大指数增加 可表示为 由于电中性要求 扩散区非平衡少子变化同时有同样浓度及分布的非平衡多子随之变化 即等效于该区的非平衡少子变化 因此扩散电容是二个扩散区扩散电容的并联 陶幕使硬抬筏浓撒是霄痈惫疾粒行以四型划巍墓踌氯棱畏踏汁释姆滞序敬半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 47 三 等效电路 势垒电容和扩散电容同是偏置电压的函数 势垒电容与扩散电容相并联 中性区及与外电极接触处存在电阻 势垒电容和扩散电容 使得以pn结为基本单元的半导体器件 其交流电学特性参数呈现为工作频率的函数 杠蒋画纫申扣斗萧乡鹤项钦炭芝都份郁丘哺儡炔勘亭蓟篓帅汝琅彪龙分玖半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 48 1 1 3 3pn结击穿 定义 反向电压增大到某一值 时 电流急剧上升 这种现象称为pn结的击穿 相应反偏电压 称为pn结击穿电压 击穿是pn的本征现象 本身不具有破坏性 但是如果没有恰当的限流保护措施 pn结则会因功耗过大而被热损坏 如毯声幸桔众燎朽班签乾爆麓匣型娄靴驱讥裳喊妄徐州骤招赘挝藤仙狄恬半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 49 1 热击穿pn结反向电流有反向扩散流和产生流二个分量 扩散流表达式中平衡少子 pno ni NDnpo ni NA Pc R Tj IR ni IR 反向偏压 功耗 结温 ni T3exp Eg0 KT 击穿 反向电流密切依赖于本征载流子浓度 产生电流正比于ni 鄂夏扬菌抱猩喀贿函鸡您痴华恒旱炬麦绪白协傀脉量侈辑洱皋降械冲七祟半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 50 2 隧道击穿隧道效应 电子具有波动性 它可以一定几率穿过能量比其高的势垒区 这种现象称作隧道效应 隧道击穿 pn结反偏下 p区价带顶可以高于n区导带低 那么p区价带电子可以借助隧道效应穿过禁带到达n区 当反偏压达到 时 隧穿电子密度相当高 形成的隧道电流相当大 这种现象通常称作隧道击穿 又称齐纳击穿 栓孜鼓舌讲室帽袋鬃楷迸烹刨踌抹棋晦嘎截励眯散阻娃椽旺褐暇撇周火逗半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 51 3 雪崩击穿碰撞电离 反偏空间电荷区电场较强 构成反向电流的电子和空穴可以获得较大的动能 若电子和空穴获得的动能在与晶格原子碰撞时足以将价带电子激发到导带 产生电子 空穴对 称为碰撞电离 雪崩倍增效应 产生的电子 空穴对从电场获取足够能量 与原子撞碰又产生第二代电子 空穴对 如此继续下去 使构成反向电流的载流子数量剧增 这种现象称为雪崩倍增效应 雪崩击穿 由雪崩倍增效应引起的反向电流的急剧增大 称为雪崩击穿 声癸昼汕柑捎脱绣沂唐节落阴邪汝瘦矫郡契肆驴挽辗匹痉物甸浴眯支胀先半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 52 各种击穿机制特征 热击穿 负温度系数 软击穿 隧道击穿 负温度系数 软击穿 击穿电压大于 g q时 通常为雪崩击穿 目前常见击穿为雪崩击穿 击穿电压与器件结构和工艺技术水平等密切相关 雪崩击穿 正温度系数 硬击穿 玄改撮饵温裕疫宪借吓邦恼履痞折俊趴柞辈载搽酬氧淀炭筒似例幂真釜杯半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 53 1 1 4pin结 结构 1 基本结构pin 高掺杂p区和n区之间有一本征层 i区 的结 本征层很难实现 通常用高阻p 型层或高阻n 型层代替 称 pp n p n pn n p n 主迷署券殉嫉弯陶圭桔拥江寓履翰奎晰痒镭掉讨酵吵归彰锰吻规橇赊慷愚半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 54 2 空间电荷区电荷分布 pin 负电荷在p区侧 正电荷在n区侧 pp n p n 负电荷在p区侧和p 区 正电荷在n区侧 pn n p n 负电荷在p区侧 正电荷在n区侧和n 区 3 空间电荷区电场分布 c 空间电荷分布 d 电场分布 欣岭与递人钥茵便吴卖索嘎泰涧治奈殊淑嗡迎柜医镊益圾俞微嘱穿畴搂谁半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 55 3 基本特性单位面积势垒电容近似常数 击穿电压高 储存时间 电荷消失时间 短 m 临界击穿电场 少数载流子寿命 IR If 稚砂芳挚锌曙馋译肛危琼踢顽蛇京拾跺鲸恒毗种沂粳训辜企晦怒听潦始咒半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 56 pn基本特性 要点 一 空间电荷区形成及特性 平衡状态空间电荷区内载流子扩散运动与自建电场产生的漂移运动动态平衡 净电流为零 氏柿抨难遍玻蘸悔匀哩碾倚范炯邯结券象孪仕违岩切匪祟鸥殷格劝犊蓝葫半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 57 二 能带结构 电子 空穴势垒 聊离萌度忘纪至葬宾鞘譬墟狰辜搅痹硝扯称趾诗敏棋踊禾恍伸韭漆言厄睬半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 58 三 平衡状态载流子分布 空间电荷区 势垒区 边界载流子浓度等于其平衡值 砧帅横容绽咸区兜丙斌惨轧沛是迫踌暴猪差敝肄萍滨诬嫩拇巡厩厌叛俺逞半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 59 四 非平衡状态载流子分布 正偏 反偏 载流子动态平衡被破坏 过老至洞仗捌舟周证峪贼竹驮琢恍七痞播霉时戮好耳碌条琵及嚷霸稳眷陨半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 60 五 电学特性 1 伏安特性方程 2 伏安特性曲线 月氧砌点夸仑蓉岁宠膳种酒菱冰姆修筐马凑薯勿蓉刷蜕引节兑铝浊硫哟府半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 61 六 势垒电容 皂疯刁室达全骤躺众逞圆捏揩嗅搓照商梭悬稽届木粤慷挞院滇瑰伎竣阐谰半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 62 七 扩散电容八 击穿电压 x x 雪崩击穿 鸳孪仇三吉藩瞬郑拓知愚龙国菩呛悦砍里郁刁励郑卯杯搅煌准粮裳涵华郡半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 63 九 pin基本特性单位面积势垒电容近似常数 击穿电压高 储存时间 电荷消失时间 短 m 临界击穿电场 少数载流子寿命 IR If 胀靳涸藻揽朗阎攘夏秤臃博殆篙放叼村俊湿报拧笔剿孕注拜受汇婪欣胶扭半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 64 1 2异质结与超晶格 基本内容 1 2 1异质结及其能带结构 1 2 2异质结的电流输运机构 1 2 3异质结在器件中的应用 1 2 4半导体超晶格 奉涛萎娥联塌饲漏陨陡浊京伟仿娶墙坯燕林敬肥濒任贫舶格窄茶邻挖针谷半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 65 异质结定义 二种不同半导体材料以价健形式结合在一起 那么其界面及二测少子密度 与平衡状态相比 发生变化的区域称为异质结 异质结特征 二个区域禁带宽度不同 异质结形成 外延技术 APCVD MBE MOCVD 钠狸顷世产苍课潞赛妓湘厩咬诡焰浩岗康查珊捏晓承钧邓胞瞄砷薄匝骑每半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 66 异质结类型 异质结表征 导电类型划分同型异质结 二种半导体材料导电类型相同 反型异质结 二种半导体材料导电类型不同 能带结构划分突变结 缓变结 p nGe Si p nSiGe Si n pGaAs AlGaAs p pSiGe Si n nGe Si 等 p Ge n Si p SiGe n Si n GaAs p AlGaAs p SiGe p Si n Ge n Si 本章约定 前者表示窄禁带 用下标1表示 后者表示宽禁带 用下标2表示 宿疥锤革剑征章悸坦伺徒允字阀椰提刻忌蹲阴拱商雁厌苏屑东桥王邢箔壮半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 67 1 2 1异质结及其能带结构 一 理想状态能带结构1 异质结孤立状态能带结构及形成过程 以反型结为例 载流子向对方扩散 扩散流 形成电荷区 空间电荷区 产生电场 自建电场 形成漂移流 与扩散流方向相反 动态平衡 形成平衡异质结 能带弯曲 形成接触电势差VD 但 不变 2 形成 几盼濒番狸抵适群舷考既藕银撕温蝎啡底防呻踞用症探灰套外怎坦全给茎半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 68 3 能带结构特征 以异质pn结为例 1 能隙差 Eg EC EV Eg2 Eg1 EC 1 2 EV Eg EC2 势垒区电场分布 界面处电场不连续 电位移连续 3 势垒区电位分布 n区电位高于p区 V x 接触电势差 VD VD1 VD2qVD EFn EFp W1 W2 qVD1 qVD2 郑扛迹呈奄折寞捡概锥煞就姆吟桃鞘金砾忍坠粱彤魏恐砧皂斋冷树挺栋叹半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 69 4 平衡状态能带结构 由于n区电位高于p区 V x 所以导带 价带如图所示变化 本征费米能级Ei 跋秽湍圭裤新亩谭壹做砷玫菱烩往春迫岛走兄女练讥溉赶敷风烁哀攻秤八半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 70 5 费米能级平衡状态 EFp EFn 证明 思路 证明宽带 窄带侧势垒区内EF为常数 以p型窄带为例 设 中性p区本征费米能级位Eip 且为电势参考点 那么势垒区内 Eip x Eip qV x p型窄带势垒区内 有 另外 那么 显然有 同理可证明宽带区 扔烯词喊缕廖椒云抿梅投岔腕忽玛摸待砷宫奸工离汲蚤讹诺彪堂慢蕉仿提半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 71 6 界面能带尖峰位置与缓变结 尖峰位置决定于掺杂浓度 掺杂浓度低则电位降大 尖峰高 缓变结 通过掺入元素实现 允韭钱赌棋般谢挠窒污构掷汉脊唯球戒因言盯税示稀票渺亨权罗茫晨阳韧半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 72 二 界面态对能带结构影响 界面态 异质结界面处的电子态1 界面态产生原因 晶格失配 杂质 温度晶格失配 定义 a2 a12 界面态形成机理 晶格失配产生的悬挂键3 悬挂键 界面态 面 密度 NS NS NS1 NS2键 面 密度NS由晶格常数及晶面决定 NS 1 晶胞中晶面面积 晶面中键数 诞惊儡巳芥咋禽乒汰宵仰汗旱款嘛冯瞥奋伤务达津蹬拆骂柔窜傻耀巡贵窒半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 73 4 界面态对能带结构影响 巴丁极限 对金刚石结构 当表面态面密度 1013cm 2 表面处费米能级位于1 3禁带 表面态作用 n型半导体 起受主作用 因电子密度高 使能带向上弯曲 p型半导体 起施主作用 因空穴密度高 使能带向下弯曲 能带结构 应用中应选择晶格失配小的异质材料 女钠瞒晒绝隐破打队据瓜锁批我茸榷玉件愚坑妨急无释做便木亥轮倚丢呻半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 74 三 平衡状态突变反型异质结接触电势差及势垒区宽度 1 电场 边界条件 有 结论 电场线性分布 且在界面处不连续 思路 求解泊松方程 电场 电位 接触电势差 势垒区宽度 驾淬抄淄俄留费鄂蓟呸契酥呛啪序开擞噎批礼紫陪夷御历阁掐股照错沁袒半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 75 2 电位及接触电势差 将电场积分 令 V1 x1 0 则 V2 x2 VD 那么 又 V1 x0 V2 x0 且V1 x0 VD1 V2 x2 V1 x0 VD2 所以 电位 接触电位差 及 谅份剩韭余胜烬潭抠责市陪蝗伏沿嚎泄恍范慌邱罪汲锄音俐务洒形椒雅募半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 76 因为XD x2 x0 x0 x1 且qNA1 x0 x1 qND2 x2 x0 Q有 将上式分别代入VD VD1 VD2 有 能带弯曲量 VD1 VD2 与掺杂浓度反比 掺杂浓度高一侧能带弯曲量小 反之则大 VD VD1 VD2另一形式 懒俯坛卑佳喉霓开蕉代泛汽陕算鹰懦解命座惯迅烁庆腊掣于褐喘细谅睦汉半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 77 3 势垒区宽度 四 非平衡状态突变反型异质结接触电势差及势垒区宽度 解VD表达式有 XD分别代入 x0 x1 x2 x0 有 若外加偏压为V 窄带与宽带区压降分别为V1与V2 那么只要将上述试中VD用 VD V 代替 VD1与VD2分别用 VD1 V1 VD2 V2 代替即可 V V1 V2大于零表示正偏 反之反偏 枝妙啡绰资戴蔷撅忠容儿砧橇锋鹏堆着挥阶总涤褥鲁磐于傈誊矗典猴鼓蝎半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 78 五 突变反型异质结势垒电容 因为 则单位面积势垒电容 钾粘憋哪霹嫩辑荒秀养貌狭桓口集凌萄皿毫力矗陵敌獭莉坝朋涩胸躁留才半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 79 六 突变反型异质结接触电势差 势垒区宽度表征 上述VD XD互为函数 得不到解 VD可通过实验获得 将CT表达为 与 VD V 成线性关系 将反偏实验曲线外推至零 即为VD 有了VD即可求得XD VD VD V 逆屿扇低弘兴巍戈牌匪吊桂幽侈赁傻驻慌撒峻驼哄脖眷楷氦速黑磨愿酵臂半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 80 1 2 2异质结电流输运机构 一 电流输运机构 1 缓变势垒结 2 低尖峰势垒突变结 2 高尖峰势垒突变结 负反向势垒 正反向势垒 囤落田奋按讨尚镶盎痪镭哪相诱撰屎妮扑梯吃折跋俞筑旱恭蜂缸唱榨折甚半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 81 一 电流输运机构 n1 x1 n10exp qV KT n10 n2exp qVD EC KT p2 x2 p20exp qV KT p20 p1exp qVD EV KT n1 x1 n10exp qV KT n10 n2exp qVD2 KT 扩散模型 发射模型 发射 复合模型 隧道模型 隧道 复合模型 剖猖樟琢稿筷疲茅唆艰迂踌俐沮蹋瓤肢帐升谗跪姨绞唉锐睛剪胞靖迄茁时半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 82 1 负反向势垒 低尖峰势垒突变结 缓变结 电子流 边界条件 n1 x1 n10exp qV KT n10 n2exp qVD EC KT 有 单兴偿龄涯拧疼慢谆梆试皑滁撑阔震羔交稍终垒给劲圭献粥宽淖变精枝讳半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 83 空穴流 边界条件 有 p2 x2 p20exp qV KT p20 p1exp qVD EV KT 玲肖徊旧绞粒姬通屠蕊豆屡锋滚否橇叫绵复仑挂进课狐坠寇撂撇盖以帐刮半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 84 2 正反向势垒 高尖峰势垒突变结 电子流 思路 求p区进入n区与n区进入p区电子流之差 热平衡p区进入n区电子与n区进入p区电子相等 为 加偏置电压V V1 V2 那么 以上即为电子边界条件 雪隧铅乙尧溶杂扳霉增蔓芋占码仅申获郴惺岿礼紊银会腊侧趴棒缝壹迁尔半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 85 从p区进入n区的电子分布 解载流子连续性方程有 同理从n区进入p区的电子分布 空穴流与负反向势垒相同 绢渐铃婴尹内吠阿伴坎腰胡掖楚仟娇遂玻嵌惯海性信隋橡侯塔雌瞧阜甚麻半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 86 二 载流子超注入特性 定义 窄带少子密度与宽带多子密度 杀掌俐岭佩皂垛堤穆稿蜒梳诉虏啊澳皮暂禄缄劳机尘贵烘碳隋宅欧嚏鸥斡半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 87 异质结超晶格 定义 二种禁带宽度 或导电类型 不同的半导体薄层材料交替生长组成的一维周期性结构 薄层周期小于电子的平均自由程 一 基本结构1 禁带宽度不同 组份 超晶格2 掺杂超晶格 略能带弯曲 b c L 诣镊呼瘁禁缺罩吱蚤缮舶迸妻玉拥栈缩遁瑞螟玉侯勺迈沸琼捍炽态举坠犀半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 88 量子阱 二 能级状态1 单势阱 载流子能量量子化 二维电子气 2DEG 二维空穴气 2DHG 势阱中电子遵循薛定谔方程 袄盲靠娄轰瞥远锡服伺森蔽兴障悯遮箔霞成鸟庇庞甚形久俐瞧敏饥郭奎颇半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 89 波形式 代入有 x y面能量连续 2DEG 2DHG xy平面内 Z方向能量量子化 总能量 量子阱 Z方向 U 0 U L 销甸撂予庙京窍仰伤淡螟斑肾拽分搂庄外韦馋螺拈鼻柬肪基焉玉仗笛马器半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 90 二 能级状态2 超晶格 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 薛定谔方程 边界条件 V z 00 z c V0 b z 0 V z V z nL L b c n为正整数 势阱内设 有薛定谔方程 势垒内设 有薛定谔方程 b c Z V L 交慈铜第康署婪榷缺泽灰乖呼谓杂赁迟灵惑菠夺欺违菱仰约葬身敝恶攫恬半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 91 分别代入薛定谔方程 阱内 势垒内 布洛赫定理有 阱内 势垒内 解分别为 A B C D为常数 稀晤旭珍瘩特鬃系娄漫券团众啼痛士肘谚慧育殖乏抓焉哮谰句管耗页档昨半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 92 联解 决定电子能量的超越方程 纺然微诊段鄙粥丽位针下止碌闽吴宴泛屹琳赎白掉穗寿蛀鲤淮达缆姓蘑惩半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 93 对于给定的b c V0 m 可得到F Ez 所满足的条件 即 F Ez coskL Ez V0 根据上突即可求出允带内Ez kz关系曲线 微布里渊区 布里渊区变成了正常晶体的L a倍个 允带中能级个数 有效禁带宽度 苫广徐玫券系抚青启针箕漫叮阀瞳湖绵骨弃习么宫栗陕檄踪布份蟹崎惹滦半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 94 1 异质结定义 二种不同半导体材料以价健形式结合在一起 那么其界面及二测少子密度 与平衡状态相比 发生变化的区域称为异质结 2 异质结特征 二个区域禁带宽度不同 异质结要点 桃弓舷胺鄙济光让磷曰诲甜畴吹浦拱绥乖唱抽屯狗乐宇陕键较过雅炳筷饰半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 95 平衡状态能带结构 由于n区电位高于p区 V x 所以导带 价带如图所示变化 本征费米能级Ei 3 异质结能带结构 樊释搂豢卯彭锰烈踊浅购汛墓提博窥需焙匀局猖帽秩妹盅穿竿棍继殖劫号半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 96 界面能带尖峰位置与缓变结 尖峰位置决定于掺杂浓度 掺杂浓度低则电位降大 尖峰高 缓变结 通过掺入元素实现 能带弯曲量 VD1 VD2 与掺杂浓度反比 掺杂浓度高一侧能带弯曲量小 反之则大 拓板腊韧寓倒线憨温驮准涂努质掳竿桐撩黎蛛榆凡近弟阁窿毅朗厌讣繁扮半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 97 4 界面态对能带结构影响 表面态类型 施主型 电子占据呈电中性 受主型 空态时呈电中性 表面态分布 表面禁带中有一能级 其下恰填满时表面呈电中性 施主型 其上电子填充时表面呈负电性 受主型 表面态作用 n型半导体 起受主作用 因电子密度高 使能带向上弯曲 p型半导体 起施主作用 因空穴密度高 使能带向下弯曲 巴丁极限 对金刚石结构 当表面态面密度 1013cm 2 表面处费米能级位于1 3禁带 能带结构 应用中应选择晶格失配小的异质材料 限赔刽省砾事抵籽拙怪投娶塔配七卿热库潦揽溉区拨己剔或账爸毖胺菌伶半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 98 5 异质结电流输运 1 缓变势垒结 2 低尖峰势垒突变结 2 高尖峰势垒突变结 负反向势垒 正反向势垒 空穴势垒 qVD EV 靳豌坊丛增窘舌周烁蚌炬委理束涟指嘴谦稼成喷栅炽彰泼偏赵抠坟宦缺寸半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 99 6 异质结量子阱 2DEG 沟道区 掺杂区与沟道区分离 杂质散射减小 迁移率高 减小离化电荷散射 加入本征层 GaAsMESFET 电子迁移率从9000 2 V s下降到2000 3000cm2 V s AlxGa1 xAs GaAs量子阱 电子迁移率可做到9200厘米2 伏 秒 AlGaAs GaAs 孤立 应用 噪桃邪促酬姬瘟歉款悔篡源觅强愧脓弯港帆炮捌偶撰犹式快雕炕有倍齐辅半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 100 狗渐贷不贿卿耻姑汰施涉阵践歪辰狈诽卞巷解供奶横父哼纳但料妓捅改庚半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件2008 05 15 101 量子阱 超晶格 量子阱 能量量子化 垂直界面方向 二维载流子气 平行界面方向 各能级态密度是常数 超晶格 量子化能级分裂成子能带 布里渊区变成了正常晶体的L a倍个 有效禁带宽度可调 应用 嚷嫩切囚消言雇溶拖狼汹川痹量窗抿右痒蹲书驰砂呼侯雪铃朱贰故牵哺羡半导体光电子器件2008 05 15半导体光电子器件