《半导体光电子学课件》绪 论

半导体光电子学课件欢迎来到半导体光电子学课程。本课程将深入探讨半导体材料、器件和应用，揭示光与电子相互作用的奥秘。让我们开始这段激动人心的学习之旅。半导体光电子学的研究内容材料科学研究半导体材料的结构、性质和制备方法。器件物理探讨半导体器件的工作原理和性能特征。应用技术开发半导体光电子器件在各领域的创新应用。半导体材料的发展简史11833年法拉第发现硫化银的电导率随温度升高而增加。21947年肖克利等人发明晶体管，开启半导体时代。31960年代硅集成电路技术兴起，推动微电子革命。421世纪新型半导体材料不断涌现，推动光电子技术发展。半导体材料的基本特性电学特性导电性介于导体和绝缘体之间，可通过掺杂调控。光学特性具有独特的光吸收和发射特性，可用于光电转换。热学特性导热性较好，温度对电学性质影响显著。本征半导体和掺杂半导体本征半导体纯净半导体，电子和空穴浓度相等。如纯硅、锗。N型半导体掺入施主杂质，自由电子浓度增加。如掺磷的硅。P型半导体掺入受主杂质，空穴浓度增加。如掺硼的硅。半导体能带结构的形成原子轨道孤立原子的电子能级离散分布。能带形成原子靠近时，能级分裂形成连续能带。禁带出现价带顶和导带底之间形成禁带。能带结构最终形成半导体特有的能带结构。半导体材料的电子分布1导带自由电子占据2禁带无电子存在3价带束缚电子占据费米能级决定电子占据概率，温度影响电子分布。载流子浓度及其分布电子浓度导带中自由电子的数量。空穴浓度价带中空穴的数量。温度影响温度升高，载流子浓度增加。电子和空穴的产生与复合产生过程热激发光激发碰撞电离复合过程带间直接复合陷阱辅助复合俄歇复合电子和空穴的输运过程漂移在电场作用下，载流子定向移动。扩散载流子从高浓度区向低浓度区移动。复合电子与空穴相遇并湮灭。扩散电流和迁移电流扩散电流由载流子浓度梯度引起，方向从高浓度到低浓度。迁移电流由外加电场引起，方向与电场方向一致。总电流扩散电流和迁移电流的矢量和。半导体的热平衡状态费米能级电子占据概率为1/2的能级，决定载流子分布。质量作用定律n₀p₀=nᵢ²，描述电子和空穴浓度关系。载流子浓度平衡产生速率等于复合速率，保持动态平衡。半导体非平衡态下的动力学过程1激发外部能量输入，产生额外载流子。2弛豫载流子能量松弛，达到准平衡态。3复合过剩载流子逐渐复合，系统回到平衡态。半导体PN结的形成1P型和N型半导体接触2载流子扩散3空间电荷区形成4内建电场建立PN结是半导体器件的基本单元，其特性决定了许多器件的性能。势垒高度和空间电荷区势垒高度PN结两侧的能级差，决定电流通过难易程度。空间电荷区PN结界面附近的耗尽区，存在强电场。正向偏压下的PN结特性势垒降低外加电压减小内建电场。载流子注入多数载流子注入少数载流子区。电流增大载流子注入导致电流显著增加。反向偏压下的PN结特性势垒升高外加电压增强内建电场。耗尽区扩宽空间电荷区宽度增加。饱和电流少数载流子漂移形成小电流。肖特基结的形成与特性形成过程金属与半导体直接接触，形成势垒。特点开关速度快正向压降低无少数载流子存储效应光电导效应和光伏效应光电导效应光照使半导体电导率增加。光伏效应光照产生电动势。应用光敏电阻、太阳电池等。光电检测器的工作原理1光子吸收2载流子产生3载流子分离4电信号输出光电检测器将光信号转换为电信号，广泛应用于光通信、成像等领域。LED和激光二极管的工作原理LED电子-空穴复合发光，光谱宽。激光二极管受激辐射发光，光谱窄，相干性好。光波导和集成光电路光波导利用全反射原理传输光信号。集成光电路在单一芯片上集成多种光电子器件。应用光通信、光计算、生物传感等领域。太阳电池原理和结构光子吸收入射光子被半导体材料吸收。电子-空穴对生成光子能量激发产生载流子。载流子分离内建电场将电子和空穴分离。电流产生载流子在外电路形成光生电流。半导体器件制造工艺流程1晶圆制备生长高纯度单晶硅锭，切片抛光。2氧化和光刻生长二氧化硅层，光刻定义图形。3掺杂离子注入或扩散引入杂质。4金属化沉积金属层形成电极和互连。5封装测试切割、封装、功能测试。薄膜沉积技术蒸发法适用于金属薄膜沉积。溅射法适用于各种材料薄膜。化学气相沉积适用于高质量薄膜。光刻和蚀刻技术光刻利用光敏材料转移图形。步骤：涂胶、曝光、显影。蚀刻选择性去除材料。分为湿法蚀刻和干法蚀刻。离子注入和扩散技术离子注入高能离子束轰击样品，精确控制掺杂。热扩散高温下杂质原子扩散，形成掺杂区。退火修复晶格损伤，激活杂质。金属化和封装技术1金属化沉积金属层形成电极和互连线。2切割将晶圆切割成单个芯片。3引线键合将芯片电极与引脚连接。4封装将芯片封装在保护外壳中。半导体材料和器件测试技术电学测试测量电阻率、载流子浓度等。光学测试测量发光效率、光谱等。结构测试