半导体器件物理(四)

nullnull半导体器件物理 （ 四 ）谢 孟 贤◆ 电子科技大学 微电子与固体电子学院 ◆null第八章 半导体光电子器件 （Semiconductor Photonic Devices）◎ 光纤通信的发展； ◎ 基本概念 ； ◎ 半导体发光二极管 （LED，Light-Emitting Diode）； ◎ 半导体激光二极管 （LD，Laser Diode）； ◎ 半导体光电器件 （Photo-devices）。1 光纤通信发展概况 光纤通信发展概况第一代 (1970年开始)： 采用室温LD、低损耗光纤和 0.8m多模激光。 第二代 (1977年开始)： 采用1.3 m单模激光。 第三代 (1980年开始)： 采用1.55 m激光和直接检测技术。 第四代 (1985年开始)： 采用1.55 m激光和光频分复用及光放大器, 使传信速率、距离。 第五代 (1989年开始)： 开始研究光孤子通信，可实现超长距离通信。波长损耗0.9m1.3m1.55m1.5dB/km0.6dB/km0.2dB/km石英光纤 (掺GeO2) 的光损耗特性2null光的传播速度： 在真空中为c=30万公里/秒; 在介质中为c/n, 其中相对折射率为 n = { (ε/ 2 ) [1+ ( 1 + σ2 / ω2εr2 ε02 )1/2 ] }1/2 ， 材料的介电常数ε = εr ε0 ， 相对介电常数εr 是一个无量纲的数， 真空的介电常数ε0 ≈ 8.85×10-14 F/cm = 55.4电子电荷/V-μm. 半导体的折射率 n = εr 1/2 . 光在不均匀介质中的传播: 有界面→ ① 反射 (反射定律); ② 透射 (与光吸收有关); ③ 折射 (折射定律). ∴光趋向在n大的介质中传播 →限光. 光的传播规律 ~ 基本概念之一(sinα/sinβ) = v1 / v2 = n2 / n1αβn1n23null —— 光在光波导、光纤中的传播 ——n1n2n1n1 < n24null光强的变化规律: * 光波振幅按指数式衰减 ( exp[-ωκx /c] ) , κ是消光系数: κ= { ( -ε/ 2 ) [1- ( 1+σ2/ω2ε2 ε02 )1/2 ] }1/2 ; n2 - 2 = ε, 2 n  = σ/ ωε0 . 对绝缘体, σ= 0, 则κ= 0, 故光不衰减 (绝缘体不吸收光). 沿x方向传播的光波 (横电磁波) 的电场分量为: Ey = E0 exp( [-ωκx /c] )·exp( iω[ t – x ] / [c / n] ) . * 光强 I ∝│ Ey │2 : I = I0 exp( -  x ) < I0 , 吸收系数 与消光系数有关:  = 2  /c = 4 /  , 复折射率N = n -i  = * . 吸收光谱为() , 1/  为光吸收的有效深度 .5null半导体吸收光的微观机理: a) 本征吸收~ 价带电子跃迁到导带（有竖直跃迁和非竖直跃迁）。 b) 激子吸收~ 价带电子跃迁到导带底附近的激子能级上 (性质类似本征吸收) 。 c) 自由载流子吸收~ 导带电子在导带中被光波电场加速而吸收（间接跃迁 吸收）；空穴在子价带间直接跃迁而吸收。 d) 杂质吸收~ 分为中性杂质吸收和电离杂质吸收2种。 e) 晶格吸收~ 离子晶体吸收较强, 原子晶体吸收较弱 。 电子跃迁吸收光的本质: 低能态(E1)  高能态(E2) . n1 数目   吸收 ；n2 数目  吸收 ,    (n1 - n2) . 因为通常是n1 > n2 , ∴ 通常  > 0 . 通常是光吸收 .光( n1 )( n2 )E2E1 光吸收 (衰减) ~ 基本概念之二6 自发发光 ~ 基本概念之三 自发发光 ~ 基本概念之三机理: 电子在激发态E2上不稳定 (平均停留时间为10 -9~10 -3秒) 自发跃迁到较低的E1态而发光 ~自发发光 : 发光频率 12  (E1-E2)/ h . 发光强度: 发光强度  跃迁几率  f (E2) [ 1- f (E1) ] . 特点: a) 发射出的各光波是非相干的光波; b) 发射光谱是连续的“谱带” . E2E1非相干光f (E2)f (E1)光强 I7 受激发光 ~ 基本概念之四 受激发光 ~ 基本概念之四机理: 电子在激发态E2上尚未自发跃迁之前,当受到外来光的作用时  许多电子同时 跃迁到低能态E1而发光~受激发光 : 12 = (E2 - E1)/ h . 发光强度:  跃迁几率  f (E2)[ 1- f (E1) ] P(E21) ; P(E21) 是激发光子密度 . 特点: a) 发射光与外来激发光的频率、相位、传播方向、偏振态等都相同; b) 发出的各光子都处于相同的光子态(频率,相位,传播方向,偏振态等都相同) ~是相干光  激光~光得到了放大: I = I0 exp(-x) > I0 ; c) 必须满足 < 0 条件~ 粒子数反转分布(n2>n1)  要有激励能源 ; d) 发射光谱为“谱线” (有一定的宽度) .相干光f (E1)f (E2)E1E2外来激发光光强 I8 电子数反转分布 ~ 基本概念之五 电子数反转分布 ~ 基本概念之五产生激光的必要条件: a) 要有外来激发光 (也可在内部设置光学共振腔, 通过产生自激振荡来提供激发光); b) 要有电子数反转分布: n2 > n1 . 在半导体中如何实现电子数反转分布? 设: E2是导带中的一个能级, E1是价带中的一个能级, E2 -E1= h 12  Eg ; Efn 和 Efp 分别是电子和空穴的准Fermi能级 ； 根据要求 n2 > n1, 可得 ( Efn - Efp ) > E2 -E1  Eg , 即Fermi能级需要进入能带 ~高掺杂(呈简并态) . h 12h 12E2E1f (E1)f (E2)9null—— 要点 —— 原理和特点； 材料和结构的设计考虑； 发光效率； 发光光谱； 调制频率特性. 一、 半导体 LED 10nullp-n结注入型的发光机理: 原理：p-n结正偏  注入少子  少子复合而发光 . 要点: 注入少子  发光强度 ; 发光区 (有源区)主要是扩散区 (Ln区 > Lp区) . LED的基本特点: a/ 发光功率P与注入电流I间有线性关系, 而且与温度关系不大 无畸变调制 ; b/ 无光的相干性  对反射光不灵敏, 无分配噪音 ; c/ 因P与温度关系不大, 则工作稳定, 驱动电源结构简单 ; d/ 工作寿命长,生产成本低廉 .  LED在中、短距离光通信中 优于LD . npLpLn光强x电流 I发光功率0IthLEDLD11nullLED的设计~ 材料考虑: a) 能带性质 ~ 理当用直接跃迁材料(例如GaAs); 但实际上常用某些间接跃迁材料 (例如用GaP制作发绿光的LED). GaP:N的发光机理? b) 禁带宽度 ~ Eg [ev] = 光子能量h = 1.24 /  [m] . 若没有合适的Eg材料，可采用多元化合 物 半导体（调节化合物 半导体的组分 来控制Eg ）. c) 掺杂浓度 ~ 要求掺杂浓度越高越好,但若太高, 反而 会有不利影响. 所以一般近于简并掺杂 即可(  1018 cm-3 ) . XLKE<111><100>0.45101.4242.261组分 xE (ev)X直接间接GaAs1-xPx12null☆ 可见光LED的材料选择 ☆0.555μm绿黄橙红红外紫外兰紫GaP2.22.6CdSSiC3.03.41.81.4GaNZnSCdSeGaPGaAs1.0SiGaAs1-yPy0.60.71.00.50.40.35Eg (eV)λ (μm)人眼的灵敏度 曲线13nullLED的设计~ 结构考虑: (1) 平面发光结构: 优点~ p区出光, 效率高; 工艺简单; 光纤耦合容易 . GaP衬底的优点~ 不吸收光(有反光作用). 在衬底背面还可镀上SiO2来进一步增强反光作用. (2) 侧面发光结构: 基本结构 ~ 优点: 发射光较集中, 光纤耦合效率高 . 缺点: 四面发射, 效率低; 端面反射, 可 能导致受激发射 . 改进 ~ 槽形有源区结构.+-GaAs 或 GaPPGaAsn-PGaAsp-PGaAs芯片抛物面半球面平面+-pn+-槽形有源区结构侧面发光结构平面发光 结构14nullLED的工作特性之一 ~ 发光效率 : * 内量子效率内 = [单位时间内发射的光子数] / [单位时间内注入的载流子数] = [辐射复合几率] / [总复合几率] = (1/r) /{(1/r) + (1/nr)} = 1 / {1 + ( r / nr ) } . * 外量子效率外 = [单位时间内输出到器件外的光子数] / [单位时间内注入载流子数] = 内 注入 出光 . * 辐射功率效率P = [输出光功率] / [输入电功率] = {  S() d / qV } 外 . * 可见光发射效率可见 = 680 { V() S() d}÷  S() d [流明/瓦]. 为了提高可见, 应尽可能使 S()曲线靠近V()曲线. 人眼 V()器件发光 S()有效可见光分布 V() S()相对光强 (光功率)0.555m15nullLED的工作特性之二 ~ 发光光谱分布 I (h ) : 光强 I (h)  2 (h -Eg)1/2 exp{- (h -Eg) / kT} ; 光谱宽度  = P2 (n k T) / h c , n  2 . ( 与结构和掺杂有关 ) . ① 光谱分布与温度T有关: T时, 光谱峰往前移, P增长, . ② 光谱分布与有源区尺寸有关: 尺寸时, 光谱峰往前移, P增长, . ③ 光谱分布与器件结构有关: 平面结构器件的温度稳定性比较好, 但  比较宽 (例如:在 P =1.3m时,  =0.13m ). ④ 光谱分布与发光机理有关: 当有多种发光中心时, 光谱线将出现 多个峰. ⑤ 长波长LED的宽  通信BL值较小.1.41.82.23h (eV)相对光强GaP:Cd-LED红红外绿h相对光强EgP光谱分布的简单形式16nullLED的工作特性之三 ~ 调制频率f : * 截止频率 fc : 因为电调制频率f 时, LED的发光强度, 所以有一最高调制频 率 —— 截止频率fc . (一般, fc = 数百MHz .) * 调制带宽 f = (0 ~ fc ) 要求应该宽 : 因为提高 fc , 可以增宽调制带宽, 从而 在高速调制时, 输出光功率能够稳定, 而且无畸变. * 存在截止频率fc 的原因: 小注入时~ p-n结电容的限制 . 大注入时~ 发光区中少数载流子 寿命的限制. * 提高截止频率fc 的措施: 主要是减短少数载流子的寿命 fc = 1 / ( 2 ) , 当 r < nr 时,  = r . 3dB调制带宽  f =  3 / ( 2 ) . 发光区的掺杂浓度调制截止频率 fc17null —— 要点 —— 原理和特点 ； 基本结构及其改进 ； QW 和 DFB-LD； 基本的光放大性质； 工作特性(振幅和相位条件)； 调制和噪音特性； 激光放大器.二、半导体 LD18nullLD的基本工作原理: * p-n结两边高掺杂  实现粒子数反转 ; * p-n结加正偏压  注入载流子  复合发光 (有源区在哪里?) ; * 内设光学谐振腔  提供相同频率的激发光 : 少数载流子复合而发出的非相干光, 在光学 谐振腔内产生自激振荡  只能存在某个相 应频率, 而且只是轴向传播的激发光  激光的单色性好, 方向性好 . LD的基本特点: a) 发出的激光方向性好 (辐射角小), 单色性 好(谱宽窄), 输出光功率大(出纤功率大) ; b) 输出激光功率P与注入电流I之间有非线性 关系  存在阈值电流 Ith(?) ; 大电流时趋向 平缓 . c) 激光波长可以满足光通信的三个窗口的要求.Ln+-(100)(110)n+p+Ith电流 I发光功率 PLDLED019null阈值电流密度Jth : * 存在Jth的原因 ~ 光在谐振腔内存在有损耗 : 在 J < Jth 时: 发光功率低  光在谐振腔内来回反射而衰减  为非受激 发射~连续光谱 ; 当 J = Jth 时: 正好发光功率 = 损耗能量, 则产生受激发射~多模光谱线 ; 在 J > Jth 时: 为受激发射, 很多纵模光逐渐被抑制  单色谱线 . * 减小Jth 的措施 ~ ① 减小谐振腔内的光能损耗: 减小各种光吸收作用 (适当减低掺杂浓度) ; ②提高光功率密度: 把光限制在小区域内(限光) 最好把光都限制在有源区 . h光强hh光强光强J < JthJ = JthJ > Jthhm20nullLD的基本结构型式 : (1) 同质 p-n结 (2) 单异质结(SH) (3) 双异质结(DH)折射率折射率折射率光强光强光强dddn - GaAsP - GaAsP - GaAsn - GaAsP - AlGaAsP - GaAsP - AlGaAsn - AlGaAs* 发光有源区是载流子复合的区域d . * 光波导 ~ 器件中折射率比较大、光强比较集中的区域; 在此, 光波导与有源区一致.21nullLD的改进(双异质结)结构型式: 增大限光(Jth); 增宽波导(发光功率) . (1) 逐次限光(SCH) (2) 大谐振腔(LOCH) (3) 四层异质结(FLH)n+ -衬底n+ -衬底n+ -衬底P+-GaAsP+-GaAsP+-GaAsP -AlGaAsP -AlGaAsP -AlGaAsP -AlGaAsP -GaAsP -GaAsP -GaAsn -AlGaAsn -AlGaAsn -AlGaAsn -AlGaAsn -AlGaAsn -GaAsdddWWW折射率光强发光有源区是d , 光波导区是W 。22（光波导增宽） （光波导增宽; 限光也增强）null量子阱(QW)结构的LD: * 工作原理 ~ 二维电子气(2-DEG) 与 二维空穴气(2-DHG) 的复合发光: 自发发射  受激发射. * 重要特性 ~ 通过改变势阱宽度, 即可方便地改变激光波长; QW的限光作用强, 使阈值电流密度大大降低 (可低于1mA) .GaAsAlGaAsAlGaAs能量 EEcEcEv能态密度n(E)n(E)重轻Ev能量 ELO声子能量23null分布反馈（DFB）结构的LD: * 结构 ~ 在LD中, 把光波导的纵截面做成下图型式,即光波导中的折射率n 发生周期性变化 ( 周期为a ) . * 工作原理 ~ 光在波导中传播时, 受到各个折射率斜面的反射  各反射光 在满足以下Bragg 反射条件时, 将相互干涉加强: a =  / 2 . * 性能特点 ~ 激光波长 (=2a) 仅决定于周期a , 而与半导体性质(Eg)无关  激光波长与温度T基本无关 (因为折射率n, 从而a, 基本与T无关). 折射率 n小折射率 n小折射率 n大a温度 T300400(K)激光波长 24nullLD的基本性质 ~ 光放大系数 g : [A] 光放大系数g的含义: 1) 在 g < i 时: 光衰减, 即相应 J < Jth ; 在 g = i 时: 受激发射光能=损耗, 即 J = Jth; 在 g > i 时: 出现受激发射 (光放大), 相应有 J > Jth . 2) 在 g < i 时, 即使有受激发射, 也不产生激光 (无光放大) . [B] g ~ J 的关系: * 在 J < Jth 时 (g < I): 当电流增大到电子数达到反转时, 即开始受激发射. * 在 J = Jth 时 (g = i ): 开始振荡而发射激光 . * 在 J > Jth 时 (g > i ): 发出的光能除维持受激发射和 抵消损耗外, 其余用于产生激光, 则 g  J, 而且 g增加不大 . 注意 : 受激发射  发射激光; 而且有 g  Jth . gJ注入电流密度0JthJ’i(LED)(LD)25nullLD的基本工作特性之一 ~ 振幅(阈值)条件: * 激光在谐振腔内的传播情况如下图所示. * 光放大要求: I0R1R2 e ( g - i ) 2 L  I0 ,  g ≥ i + { ln(1/R1R2) / 2L } .  只有当 J 增大到使g 满足此关系时, 才有放大作用~阈值条件. 又, g  Jth ,  Jth  i+ {ln(1/R1R2)/2L . * 降低 Jth 的措施: ① 损耗 i  (限光); ② 谐振腔长度 L; ③ 谐振腔端面的 反射系数R1 R2 ( 采用晶体的解理面 ) . I0I0 e ( g - i ) LI0 I0T2 e (g-i)LI0R2 e ( g - i ) LI0R2 e ( g - i ) 2 LI0R1R2 e ( g - i ) 2 LI0R1R2 e ( g - i ) 3 LR1 T1R2 T2入射光透射光I0R1R2T2 e (g-i)LL26nullLD的基本工作特性之二 ~ 相位(驻波)条件: * 驻波: 在谐振腔内纵向传播的光，来回反射，只有形成驻波的光才稳定; 满足 以下条件: m ( / n) / 2 = L (其中m=1,2,3,…… 为纵向传播的光的模式指数) . 若入射光与纵轴的夹角是, 则驻波条件为 m ( / 2n) /cos = L . * 讨论: 1) 纵模指数m标志着LD的发射光谱特性 ( 注入电流时, 纵模数目: 高注入电流时, 可得到准单模激光 ~ 例如DFB-LD ). 2) 在 L时  m的个数 ~ 纵模数目 ; 当L减短到极限时, m=1, 为单纵模激光 .光强I >Ith , P =6mWI =Ith , P =2mWI »Ith , P =10mW(多纵模振荡)(主模增益, 边模增益, 纵模数目.)(高注入 I 时, 近于单模振荡.)27nullLD的横模振荡特性: * 横模相位条件~ 当光波导的上下面是全反射的限光面时,则光波的横向分量 也 应满足驻波条件: m’ ( / 2n) / cos’ = L’ ( 其中m’=0,1,2,3,……是横向模式指数 ) . * 讨论~ 横模表示在谐振腔横截面上纵光场分量的分布 (用近场图和远场图 描述)；为了使限光作用增强，希望尽可能减少横模数（减小L’，使m’↓， 可完全抑制横模）。L’纵向光强坐标m’=0m’=1m’=2- 0 +0+-0+-角度光强垂 直 发 光 结 面 的 远 场 图垂 直 发 光 结 面 的 近 场 图基本横模 (m’=0)一阶横模 (m’=1)二阶横模 (m’=2)28nullLD的调制响应特性: 1) 理论上, 3dB调制带宽  ( I- Ith) ; 但是, 实际上往往 由外电路决定, 常常是 < 10 GHz . 2) 存在有电光延迟时间 ( ns 数量级 ), 将使光脉冲发生 变形 [见右上图] ) . 3) 为避免频率啁啾, 需要LD直流工作, 而采用外调制器. LD的(激光)噪音: 1) 电子-空穴对的复合所产生的散弹噪音影响很小. 2) 主要是自发辐射噪音, 将使输出光的信噪比 和发光谱带 . 相对强度噪音[dB/Hz]与频率和 输出光功率有关(右图). 3) 在多模式LD中,存在有模式分配噪音; 再由于光纤 存在有色散, 则将导致接收信号减弱和码间干扰.电脉冲光脉冲P -3P -1Pf相对强度噪音相对强度噪音29null(1)半导体激光放大器(SLA): a) Fabry-Perot半导体激光放大器(FP-SLA): 是正偏在阈值以下(J损耗, 则产生谐振放大, 输出较强的激光. 该激光放大器的特点是增益带宽比较窄, 对器件的温度稳定性要求较高. b) 行波半导体激光放大器(TW-SLA): 工作状态与FP-SLA相同, 但对LD的两个端面进行了理想的增透, 使入射 激光信号在此放大器中只经历单程放大 (象行波一样传输) . 该激光放大器的增益带宽比FP-SLA的大3个数量级, 而且温度稳定性好. c) 注入锁定SLA (IL-SLA): 把LD偏置在J>Jth（多模激光), 可谐振放大入射的单模激光. 特点是输出功率大. 30 激光放大器:null (2) 掺杂光纤放大器(EDFA): * 原理 ~ 在SiO2光纤中掺入存在有高、低能态的稀土离子; 然后用泵浦光把 电子从低能态激发到高能态, 使形成粒子数反转分布. → 当有入射的激光 通过光纤时, 即产生受激发射 入射的激光得到放大. * 掺Er 3+ 光纤放大器 ~ Er3+ 在非晶SiO2中的能级结构如图示. 泵浦光常用二种: 1.48m 和 0.98m, 使电子有很多处在第一个能级 . 工作时: 当有1.55m的激光信号通过光 纤时, 则产生受激发射而放大此1.55m 的激光. 优点: 低损耗, 高增益(而且与偏振态 无关), 大带宽, 低噪音. 现已成熟, 应用最广. 0.65m0.80m0.98m1.53m4I 15/24I 13/24I 11/24F 9/24I 9/2(1.55m)0.98m1.48mEr 3+31null—— 要点 —— 光电检测二极管: p-n结和pin结光电二极管,APD； 光电转换效率； 响应速度； 噪音和检测灵敏度; 太阳电池.（三）光电二极管32nullp-n结光电二极管（PD）: * 原理 ~ p-n结反偏; 光照激发满带中的电子 而产生电子-空穴对; 电子和空穴分 别往对方输运而形成光生电流. 有效作用区? * 改进 ~ ① 用浅结; ② p+区用宽Eg材料; ③ 增宽势垒区  pin结. pin光电二极管 ( pin-PD ): * 特点 ~ 有效作用区 势垒区(i层), 使得扩散 影响, 结电容, 响应速度, 灵敏度. * i 层厚度如何选取?+-P+nnpLnLpn-InPi-GaInAsp-GaInAspin-PD33null雪崩光电二极管(APD): a) 基本结构~ 常采用 Read二极管结构(容易 产生雪崩倍增). 工作时加反向偏压,使达到 雪崩倍增. 光吸收区与倍增区基本一致 ( p区 + i区 ). 缺点: 存在有隧道电流倍增的过程, 这将产生 大的散粒 噪音. ( 降低p区掺杂,可减小隧道电 流,但雪崩电压.) b) 改进的结构 ~ 倍增区用宽Eg材料 (不吸收光), 而光吸收区用窄Eg材料. +-光电场n+pP+i雪崩区-+光InP InP P+nnn+(倍增区 InP)(吸收区 InGaAs)34null c) QW-APD: * 主要优点: 实现了电离率n >>p (可降低噪音和提高增益-带宽积). * 基本结构: 用超晶格材料代替pin结中的i层(下左图). 因 Ec >> Ev ,则电子被“加热”厉害 (n/p)增大8 ~ 10倍 噪音. * 改进结构: 采用缓变带隙超晶格材料,来代替pin结中的i层(下右图).这 进一步增大了Ec,使倍增过程几乎完全由信号所控制,噪音大大降低. pnnp35null光电二极管的光电转换效率: * 响应度R = (光生电流 Ip ) / (入射光功率 Pin ) ; 量子效率 = (单位时间产生的电子数) / (单位时间入射的光子数) = ( Ip / q ) / ( Pin / h ) . APD的响应度很大 (光生电流有倍增) ; 波长  (入射的光子数增加), R ; 存在有检测截止波长 c = h c / Eg . * 量子效率 与光吸收系数 有关:  = P吸 / Pin = 1 - e-W . 在   c 时,  =0, 则  =0 ; 在 W >> 1/ 时,   1,则二极管中的光吸收 区宽度应大于1/ (有效吸收长度). 36null光电二极管的响应速度 ~ 响应带宽: * 光生载流子在电场区(宽W) 的渡越时间 tr = W / vs  1/ vs , 3dB响应带宽 f3dB  0.44 / tr = 0.44  vs   . 随着波长, 将增大(见右下图),则 f3dB  . * 对APD的响应带宽还与倍增系数M有关: M, f3dB  . * 实际光电二极管的响应速度( f3dB ), 主要由RLCJ时间常数决定.  为提高响应速度, 应尽可能减小 结电容CJ.SiGaAs吸收系数 (1/cm) (m)0.91.1101102103RpRLRSCJCJRL光电流37null光电二极管的噪音和检测灵敏度: PD ~ 一般, 热噪音为主[ S/N  Pin2 Req] ; 光功率较高时, 散弹噪音为主 [ S/N  Pin ] . APD ~ 在光功率较低时,热噪音为主 [ S/NM2 Pin2 Req , 比PD大M2倍 ] ; 在光功率较高时, 散弹噪音为主 [ S/N  Pin / Mx , 比PD小Mx倍 ]. ∴ 在光功率较低时, 应采用APD; 而在光功率较高时, 应采用PD. 为使检测灵敏度,应该和Req .光电 效应放大器光信号背景噪音暗电流外来噪音信号和噪音ip〈is2〉〈iT2〉CJRJRLRiRSip〈is2〉〈iT2〉CJReq放大器光电 效应雪崩 增益光信号背景噪音信号和噪音外来噪音过剩噪音PDAPD38null—— 太阳电池 —— 典型结构: 采用p-型衬底; 表面形成浅p-n结; 正面用指条形欧姆接触电极; 正面覆盖抗反射涂层; 背面整个覆盖欧姆接触电极. 注意 ~ 电子的扩散区是主要的有源区; 正面电极条的宽度和间隔 需折中考虑电极占据的表面积和电极条本身电阻的大小.太 阳 光1Ω-cm p-型 Sin- Si电 极抗反射 涂层39null伏安特性和转换效率: ① 太阳电池的伏安特性与0偏p-n结光电二极管的相同~ I = IS [ exp(qV/mkT) – 1 ] + IL , m=1~2 . ② 短路电流 ISC = IL ; 开路(I=0)电压 Voc = (mkT/q) ln(1+ IL / IS ). ③ 矩形面积代表输出最大功率~ Pm = Im Vm . ④ 负载线~ V=IR, 改变负载R 可使输出达到最大Pm . ⑤ 转换效率~ η= Im Vm / 太阳光功率Pin = FF IL Voc / Pin , 填充因子FF = Im Vm / IL Voc .VIV = I RVm-Im-ISCVoc40null等效电路: 与p-n结并联的有~ 光生反向电流 IL ; 阻止p-n结复合电流(泄漏电流)引起的损耗Rsh . 与p-n结串联的有~ 正面欧姆串联电阻RS. * 可见 ~ 制造器件时, 应该提高光生电流, 减小串联电阻, 增大并联电阻: ① 降低表面反射; ② 减小表面和缺陷引起的复合; ③ 优化电极结构; ④ 电池的光谱响应尽量与 太阳光谱一致(与材料 吸收光的性能有关).ILIshRshRs41 第九章 半导体声波器件 （Semiconductor Sound Wave Devices） 第九章 半导体声波器件 （Semiconductor Sound Wave Devices） 声电效应及其器件—— 超声波放大器件 声表面波及其器件—— Rayleigh波器件 Brillouin散射及其器件——声、光互作用器件42（1） 声电效应及其器件（1） 声电效应及其器件声电效应： * 声波(纵波) 在半导体中 → 产生传播的周期性势场波(周期与声波相同); * 在电子的平均自由程（l0）比声波的波长（ =2 / q）小时， 即 q l0 < 1 （q 为声子的波数）, 则电子不断遭受声子散射而损失能量 → 电子将被声波周期性电势场的 波谷所俘获. * 声波在半导体中传播时, 电子即被声波势场牵引着向前运动. → 产生了电动势 ~ 声波致电的效应 . [注] 这里“声子”是指声波的能量子. 而晶格振动的能量子特称为 “热声子”。电子电子(声波传播方向)43null声波的衰减和放大： l0 <  ~ 电子要落在声波的周期电势场谷中； 外加电场使电子漂移运动。 电子漂移速度 < 声波速度 ：声波周期势场牵引 电子向前~声波衰减。 电子漂移速度 > 声波速度 ：电子推压 声波周期势场~声波被放大。 超声波放大器件： ¤ 高速电子推着声波前进~ 声波得以放大。 ¤ 电信号声信号放大声信号电信号。前提条件电子（漂移电场）n-CdSIiI0（高频电输入信号）（高频电输出信号）放大器原理放大器结构石英换能器44null超声波放大器件的性能： * 放大系数 =（I0 / Ii ） ~ 是漂移电场的函数（当漂移电场大于某一定值 时才有放大作用）。 * 热声子的影响 ~ 使放大系数降低 和出现电流饱和（对高阻压电材料， 出现电流振动 ~声畴 ）。 漂移电场放大系数0（700V/ cm）CdS电流漂移电场时间电流（声速）放大特性电流饱和电流振动45 （2） 声表面波及其器件 （2） 声表面波及其器件声表面波的特点： ①沿着固体表面传播 ~ 表面波； ②作用深度是表面以下波长大小范围 ~ 声能（应变能量） 密度高； ③波的产生、检测等, 可在同一衬底上进行~ 利于电-光-声的组合； ④典型的声表面波 是Rayleigh波 . uxxuzz表面波传播方向46null声表面波的激发和检测： 激发表面波 ~ 在叉指式电极对（电极间隔 = 表面波的波长)上加高频电压 (频率与表面波频率相同） 。 接收表面波 ~ 过程相反（表面波高频电信号）。 声表面波元件： 延迟线：晶体中的声速 =2~ 31015cm/s.  每1cm有3~7µs的延迟时间。 带通滤波器：叉指式电极本身就是一种带通滤波器；若增加电极对数， 则可以得到窄带滤波器。（声波长）压电半导体47null表面超声波放大器件： 放大要点：对在压电晶体中传播的表面波补充能量 ~ 超声波放大器。 补充方法：高速电子推压声波势场 ~ 分体式、单体式。 电子半导体压电半导体压电半导体电子漂移电场漂移电场压电半导体半导体48 表面超声波卷积器件： 两端输入频率的表面波； 从半导体上输出2信号  两个表面波信号的乘积.2ω （3） Brillouin散射及其器件 （3） Brillouin散射及其器件 Brillouin散射：  超声波传播疏密波(波长=声波长)折射率周期变化(光弹性效应) 衍射光栅(按声波传播)：当有光通过时即发生光的散射. 得到最大衍射光的条件是 2  Sin = 0 .  散射时动量守恒 ~ ki + q = ks , ki ks.  声波长 (q)时,,偏转。  散射时能量守恒 ~ 散射使光 频率变化  = s - I = q vs .  散射光的强度 ~ 正比于超声波能量密度Pa .超声波入射光散射光qkiks249注: 是超声波长(光栅间距)，0 是半导体中的光波长, 是光的入射角. null超声波光偏转器件： 原理~ 光偏转角与声波频率有关 ( 2 随着声波长   [即声频率] 而增大 ). 要求~ ①偏转角2大 (采用频率高的声播 ~ 超声波)； ②散射光强度大 (即要求M值大，超声波衰减小，吸收光小[透明]). 应用~ 声光扫描, 声光调制, 声光开关等 . 声表面波光偏转器件： 特点~ ①表面声波能量密度高 光偏转角大； ②可作成平面型  在IC中可以用作光扫描、 光开关和逻辑电路等。 入射光衍射光水晶衬底玻璃膜光波导50 第十章 新型微电子器件 （Novel Microelectronic Devices） 第十章 新型微电子器件 （Novel Microelectronic Devices）隧道器件 (隧道二极管，RTD ) Neuron MOSFET(神经MOS场效应晶体管) 超导体/半导体 兼容器件 GaN器件 稀磁半导体51(1) 隧 道 器 件(1) 隧 道 器 件隧道二极管 : * I-V特性 ~ 高掺杂→正向电压致隧穿电流. 峰值的电压和电流决定于能带与掺杂; 谷值电流是由耗尽层中的深能级所产生 (称为“过剩电流”). * 要求峰-谷电流比大, 即要求负阻(-R)大 ~ 最大输出功率和转换效率与此有关. －VIABCDABCD52null * 隧道二极管的等效电路: 在负阻区由负阻(-R)、二极管电容C、串联电阻Rs、串联电感Ls 组成. * 隧道二极管放大器: 功率增益G = R /( R – RL ) . 当 R = RL 时, G→∞, 开始振荡; 当 R ＞ RL 时, 器件即稳定在负 阻区进行放大. ~~Zin-R-R-RCCCLsRsVsVsRsRsRLRL+－－+(并联负载放大器等效电路)(串联负载放大器等效电路)(二极管等效电路)53null共振隧穿二极管 ( RTD ) : * RTD的结构 ~ 双势垒(i-AlAs ) - 量子阱(i- GaAs) 的结构; 两边是高掺杂的 n+-GaAs层. * 共振隧穿效应 ~ 当运动电子的能量E与阱 中的某量子化能级一致时, 即有很大的隧穿几率(透射 率可达100% ~ 共振隧穿,这 与隧道二极管不同). 共振隧穿时,双势垒-量子阱 结构对电子几乎是透明的, 无反射波. E1 2 3 4 5 54null * 共振隧穿二极管的I-V特性 ~ 与隧道二极管相比, RTD的 峰值电流大得多, 峰-谷电流 比也大得多. * RTD的微波性能 ~ RTD的耗尽层电容很小 → 截止频率比隧道二极管高得多. AVIBC(A)(B)(C)D55 （2） 神经MOSFET （2） 神经MOSFET 基本结构： [ 多晶硅浮栅 + 多个信号输入栅 ] 阈值电压可变 同一个器件，既可以作增强型、也可以作耗尽型使用。SDGG1 G2 G3 Gnpn+n+SDGG1G2G356可保存信号,也可擦去当各栅的信号总和 > 阈值时即导通null互补-神经MOSFET的结构： n沟和p沟器件可以共用一个浮栅；可降低功耗、提高速度。 特点： a/ 应用电路设计灵活（多输入信号控制；阈值可变、可控）； b/ 结构、工艺与MOS兼容（可用双层多晶硅工艺等）； c/ 在模拟电路中功耗低（因用电容耦合、电压控制）。P-MOSn-MOSn+np+P-衬底nMOSpMOS57（3）超导体/半导体兼容器件（3）超导体/半导体兼容器件超导器件的优点： ①电流大，驱动力强， 速度快，响应快 （比半导体器件快1~ 2个数量级）； ②工作电压极低 （为3 ~ 10mv，比半导体器件低3 ~ 4个数量级）； ③功耗极低 （可低至1µW，比半导体器件低3 ~ 4个数量级）； ④集成度极高 （比Si-IC高4 ~ 5个数量级）。58null兼容三极管举例： a）超导场效应晶体管 （SFET） b）超导基区热电子晶体管 （SUBHT） c）超导基区半导体隔离层 晶体管（SUBS IT）AlI层In （超导体）SDGn+n+P型-InSb或InAsn+-半导体金属超导体I层半导体隔离层超导体金属金属或重掺杂半导体BECBEC（SFET）（SUBHT）（SUBSIT）59null兼容IC： 优点 ~ ①功耗低； ②噪声低； ③驱动能力强 速度高。 难点 ~ 超导器件与半