半导体光电子器件（许长存版教材）　全套课件.PPT

半导体光电子器件 概述 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）。 Ch1 半导体光电子器件物理基础 §1-1 pn结 §1-2 异质结与超晶格 §1-3 金属与半导体接触 §1-4 MIS结构 §1-5 半导体光吸收与光辐射 §1.1.2 pn结基本物理特性 § 1.1.2.2 非平衡pn结 §1.1.3 pn结基本电学特性 § 1.1.3.2 pn结电容和等效电路 势垒电容 § 1.1.3.3 pn结击穿 § 1.1.4 pin结(结构) 2.空间电荷区电荷分布 pn基本特性—要点 一、空间电荷区形成及特性 二、能带结构 三、平衡状态载流子分布 四、非平衡状态载流子分布 五、电学特性 六、势垒电容 七、扩散电容 八、击穿电压 §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 异质结定义： 异质结特征： 二个区域禁带宽度不同 异质结类型： 异质结表征： §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) 3.能带结构特征(以异质pn结为例) 1).能隙差： ΔEg= ΔEC+ ΔEV = Eg2 – Eg1 ΔEC=χ1-χ2 ΔEV=Δ Eg -Δ EC 2).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+VD2 qVD=EFn-EFp=?W1-W2 ? = qVD1+ qVD2 4).平衡状态能带结构 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) 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。 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>a1 2.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 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： 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 2.电位及接触电势差 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 五、突变反型异质结势垒电容 六、突变反型异质结接触电势差、势垒区宽度表征 §1.2.2 异质结电流输运机构 一、电流输运机构 一、电流输运机构 1.负反向势垒(低尖峰势垒突变结、缓变结) 2.正反向势垒(高尖峰势垒突变结) 从p区进入n区的电子分布 二、载流子超注入特性 #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 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) 。 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。 对于给定的b、c、V0、m*，可得到F(Ez)所满足的条件，即： 平衡状态能带结构 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。 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；