現(xiàn)代電子材料與元器件5

1、第五章化合物半導(dǎo)體器件光電工程學(xué)院微電子教研中心馮世娟25.1 pn結(jié)*5.2 雙極型晶體管*q異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管5.3 場(chǎng)效應(yīng)晶體管*qGaAs MESFETq高電子遷移率晶體管高電子遷移率晶體管5.4 半導(dǎo)體光源半導(dǎo)體光源q激光器激光器q發(fā)光二極管發(fā)光二極管5.5 半導(dǎo)體光電探測(cè)器半導(dǎo)體光電探測(cè)器35.1 pn結(jié)npn結(jié)？q空間電荷區(qū)q（耗盡區(qū)、渡越區(qū)）45.1 pn結(jié)n耗盡層近似n準(zhǔn)中性近似n內(nèi)建電場(chǎng)和內(nèi)建電勢(shì)2lnadoiN NkTVqndnoqN WE 注意：1.內(nèi)建電勢(shì)與摻雜、材料性質(zhì)有關(guān)。2.內(nèi)建電勢(shì)在橫跨在pn結(jié)上的電壓，而不是橫跨在二極管上的電壓55.1 p

2、n結(jié)n載流子的分布n耗盡區(qū)寬度000000expexppnpnnqVnkTpqVpkT1/22adooadNNVWqN N注意：耗盡區(qū)寬度正比于V01/2。 導(dǎo)致耗盡區(qū)電容依賴于電壓。65.1 pn結(jié)n正偏：擴(kuò)散電流q越過(guò)勢(shì)壘的概率q內(nèi)建電場(chǎng)q少子注入少子注入 0exp0expnnoppoqVppkTqVnnkT結(jié)定律結(jié)定律描述外加電壓對(duì)注入少子濃度的影響描述外加電壓對(duì)注入少子濃度的影響75.1 pn結(jié)n少子注入少子擴(kuò)散n少子擴(kuò)散電流密度n總電流2,holeexp1piDpdqD nqVJL NkT注意：1.假定耗盡區(qū)很窄，電子和空穴電流跨越耗盡區(qū)時(shí)幾乎不變。2.假定中性區(qū)長(zhǎng)度大于少子的擴(kuò)散長(zhǎng)

3、度。長(zhǎng)二極管exp1soqVJJkT2hesoihdeaqDqDJnL NL N肖克利公式肖克利公式85.1 pn結(jié)n短二極管n中性區(qū)長(zhǎng)度比擴(kuò)散長(zhǎng)度短n耗盡區(qū)邊界，滿足結(jié)定律n中性區(qū)邊界，不存在過(guò)剩少子n擴(kuò)散區(qū)（中性區(qū)）內(nèi)，少子不復(fù)合n流經(jīng)中性區(qū)的電流保持不變2exp1pnindpaqDqDqVJnNNkT95.1 pn結(jié)n正偏：復(fù)合電流耗盡區(qū)不完全耗盡，耗盡區(qū)不完全耗盡，存在復(fù)合電流。存在復(fù)合電流。recomexp/ 21roJJqVkT2pinronpWqnWJ105.1 pn結(jié)n正偏：總電流expexp2soroqVqVJJJkTkTkTVqkTeVJJoexp理想因子1：擴(kuò)散電流為主2

4、：復(fù)合電流為主115.1 pn結(jié)n反偏2s0pnipdnaqDqDJnL NL N反向飽和電流密度反向飽和電流密度依賴于材料，依賴于外加電壓，依賴于材料，依賴于外加電壓，依賴于溫度依賴于溫度125.1 pn結(jié)n除了反向擴(kuò)散電流外，還存在熱產(chǎn)生電流 反偏時(shí)空間電荷區(qū)內(nèi)載流子濃度低于平衡值，故產(chǎn)生率大于產(chǎn)生率大于復(fù)合率復(fù)合率，凈產(chǎn)生率不為零。 反偏下，產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)馬上被空間電場(chǎng)分開(kāi)拉向兩側(cè)，從而形成了勢(shì)壘產(chǎn)生電流，也稱為熱產(chǎn)生電流熱產(chǎn)生電流。genigqWnJ135.1 pn結(jié)nPN結(jié)反向電流反向擴(kuò)散電流勢(shì)壘產(chǎn)生電流表面漏電流q擴(kuò)散區(qū)表面和勢(shì)壘區(qū)表面的復(fù)合中心產(chǎn)生電子空穴對(duì)，前者使反向擴(kuò)散電

5、流增加，而后者使勢(shì)壘產(chǎn)生電流增加。q表面沾污。主要是工藝不良引起Na沾污，或者是水汽分子，相當(dāng)于表面形成一個(gè)電導(dǎo)，形成漏電通路。qSiO2層被Na嚴(yán)重沾污，或者原材料本身是高補(bǔ)償型的，則在P型SiO2層下Si表面處極易形成反型層。結(jié)果是使PN結(jié)實(shí)際面積增大，空間電荷區(qū)產(chǎn)生電流大大增加。145.1 pn結(jié)n注入比注入比q當(dāng)pn結(jié)加正向電壓時(shí)，n區(qū)向p區(qū)注入的電子電流與p區(qū)向n區(qū)注入的空穴電流之比。q對(duì)于同質(zhì)結(jié)，221211 1012022122021210pnpnnipnppniLD LiqD nn niLqDpD Ln pnpdpanpnND LiiD L N所以決定同質(zhì)結(jié)注入比的是摻雜濃度，

6、要得到高注入比pn結(jié)的一邊應(yīng)高摻雜。所以一般作為發(fā)射極的材料都是重?fù)诫s。155.1 pn結(jié)n注入比注入比q對(duì)于突變異質(zhì)結(jié)，q對(duì)于緩變異質(zhì)結(jié)，1expexpnvdvpiEqVEiexpngpiEi因此為了得到有利的注入比，可選擇適合的長(zhǎng)度和漸變方式，從而使能帶圖趨于平滑。一般來(lái)說(shuō)，異質(zhì)結(jié)晶體管的發(fā)射結(jié)都是采用緩變的。165.1 pn結(jié)n注入比注入比禁帶寬度是決定異質(zhì)結(jié)注入比的關(guān)鍵因素。對(duì)于p-GaAs/n-Al0.3Ga0.7As異質(zhì)結(jié)，其注入比大約為7.4105。在晶體管、半導(dǎo)體激光器中，注入比是一個(gè)很重要的物理量，它決定了晶體管的放大倍數(shù)、激光器的閾值電流和注入效率等。這是因?yàn)樵诳傠娏髦?，?/p>

7、有注入到基區(qū)（或作用區(qū)）中的少子才對(duì)器件有作用。而在異質(zhì)結(jié)中可以用寬帶材料做效率很高的發(fā)射極，這是異質(zhì)結(jié)器件的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。175.2 雙極型晶體管(1)發(fā)射區(qū)的雜質(zhì)總量遠(yuǎn)大于基區(qū)，當(dāng)發(fā)射區(qū)的雜質(zhì)總量遠(yuǎn)大于基區(qū)，當(dāng)WE與與WB接近時(shí)，接近時(shí)，即要求即要求NE NB 。(2)基區(qū)必須很薄，即基區(qū)必須很薄，即WB LB 。要使晶體管區(qū)別于兩個(gè)二極管的串聯(lián)而具有放大作用，必須滿足兩個(gè)基本條件：晶體管放大電路有兩種基本類型：晶體管放大電路有兩種基本類型：共基極共基極接法、接法、共發(fā)射極共發(fā)射極接法。接法。185.2.1 基本原理n基極相對(duì)于集電極和發(fā)射極的偏置電壓是公共的，稱為共基極（共基極（CB）電

8、路電路n發(fā)射極重?fù)诫sn中性基區(qū)寬度WB195.2.1 基本原理nEB正偏正偏q空穴注入基極空穴注入基極q電子注入發(fā)射極電子注入發(fā)射極（少）（少）nCB反偏反偏q空穴驅(qū)趕到集電極空穴驅(qū)趕到集電極q熱產(chǎn)生電流（漏電流）熱產(chǎn)生電流（漏電流）nB區(qū)內(nèi)，電子和空穴復(fù)合區(qū)內(nèi)，電子和空穴復(fù)合nrnEEprpEpCCnrnEBnEpEEIIIIIIIIIIIII,205.2.1 基本原理n先計(jì)算發(fā)射極結(jié)的擴(kuò)散電流n當(dāng)WBLh時(shí)，即短二極管(0)expEBnnoqVppkT0)(BnWp0(0)pnnEpxBqAD pdpIqADdxW exppnoEBEBqAD pqVIWkT發(fā)射極電流發(fā)射極電流215.2.

9、1 基本原理nIE由EB結(jié)上的正向偏置VEB和基區(qū)寬度WB來(lái)決定n當(dāng)不考慮復(fù)合時(shí)，IC=IEn輸入電路的VEB對(duì)輸出電流的IC進(jìn)行控制，這就是晶體管特性的本質(zhì)。n共基極電路獲得功率增益225.2.1 基本原理n共基極電流增益（晶體管的電流轉(zhuǎn)換率）q理論值小于1q發(fā)射極注入效率的限制q基極復(fù)合的存在n基極傳輸因子n少子渡越時(shí)間ECII11pEnEpEnEpEIIIIICCTpEEIIII22BBpWD理想理想1BEEBWW235.2.1 基本原理n共基極電流增益nB時(shí)間內(nèi)復(fù)合的幾率為B/ p，n穿越過(guò)基極的幾率為1- B/ p1CBTpEpII 1BTp 基極傳輸因子基極傳輸因子共基極電流增益共

10、基極電流增益245.2.1 基本原理n再來(lái)考慮基極電流1BBBpEnEEEppIIIIIBECIII晶體管的電流增益1pCBBII255.2.1 基本原理n現(xiàn)在考慮集電極電流n熱產(chǎn)生的漏電流？q讓IE開(kāi)路q只有漏電流ICBO (1)CECBOBECBOIIIIIIexppnoEBEBqAD pqVIWkT晶體管的本質(zhì)是IE受VEB控制作用，即IC也受VEB控制。265.2.1 基本原理n直流特性n厄利效應(yīng)275.2.1 基本原理n 2BCEBAdBdBCEW VWVdxxdV可見(jiàn)，為減小厄爾利效應(yīng)，應(yīng)增大基區(qū)寬度WB , 減小集電結(jié)耗盡區(qū)在基區(qū)內(nèi)的寬度 xdB, 即增大基區(qū)摻雜濃度NB 。28

11、5.2.1 基本原理n截止頻率n特征頻率fTq1所對(duì)應(yīng)的工作頻率（電流放大最高工作頻率）q基區(qū)渡越時(shí)間q發(fā)射極延遲時(shí)間q減薄基區(qū)寬度WB，可采用淺結(jié)擴(kuò)散或離子注入技術(shù)q降低基區(qū)摻雜濃度NB以提高DnB；適當(dāng)提高基區(qū)雜質(zhì)濃度梯度，以建立一定的基區(qū)自建電場(chǎng)。q減小結(jié)面積AE、AC，減小集電區(qū)電阻及厚度，以減小結(jié)電容。29n同質(zhì)雙極型晶體管在改進(jìn)器件的高速性能時(shí)存在有本征限制。q獲得高增益需要提高發(fā)射區(qū)摻雜濃度，減薄基區(qū)寬度。q提高fT需要減小發(fā)射區(qū)電容，減少基區(qū)電阻，減小集電區(qū)電阻。q減小厄爾利效應(yīng)，又要增大基區(qū)寬度，或增大基區(qū)摻雜濃度。q典型的硅基BJT中，基區(qū)的摻雜和寬度都是折中考慮，器件的延

12、遲主要是由基區(qū)渡越時(shí)間所確定的。5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 30n寬帶隙發(fā)射極的設(shè)計(jì)可以放寬對(duì)基區(qū)摻雜濃度的限制，因?yàn)檩p摻雜的發(fā)射極和重?fù)诫s的基區(qū)可以保持足夠的發(fā)射效率，同時(shí)采用具有低電阻的薄基區(qū)的結(jié)構(gòu)。q這種設(shè)計(jì)可以顯著改進(jìn)器件的性能。q自從1970年開(kāi)始，由于MBE和MOVPE技術(shù)的實(shí)用化，使得使用晶格匹配的III-V化合物半導(dǎo)體系統(tǒng)（諸如AlGaAs/GaAs、InP/InGaAs、InAlAs/InGaAs）制作HBT晶體管成為可能。硅基的HBT技術(shù)也已經(jīng)開(kāi)出來(lái)了，可采用SiGe，SiC和氧摻雜的Si來(lái)構(gòu)造發(fā)射極/基區(qū)異質(zhì)結(jié)。5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 31n1 HBT基本結(jié)構(gòu)

13、 q臺(tái)面型q離子注入型5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 利用液相外延法或分子束外延法在高摻雜的GaAs或InP襯底上依次生長(zhǎng)摻雜合適的集電區(qū)、基區(qū)和發(fā)射區(qū)的外延層形成npn結(jié)構(gòu)，再用光刻法刻出臺(tái)面，分別做上歐姆電極。先用液相外延在n+型InP襯底上生長(zhǎng)一個(gè)InGaAs/InP的nn型異質(zhì)結(jié)，然后用Be、Si進(jìn)行三次離子注入形成npn結(jié)構(gòu)，離子注入型的結(jié)構(gòu)更利于集成化。32n1 HBT基本結(jié)構(gòu)q離子注入型的特點(diǎn)包括基區(qū)接觸電阻小、層結(jié)構(gòu)組合的靈活性、C-B電容低等。q臺(tái)面型（自對(duì)準(zhǔn)工藝）的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單，快速，低溫工藝，基區(qū)接觸電阻非常高，電流增益比較低等。 5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 33n2

14、HBT器件的直流特性 5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 考慮一個(gè)緩變npn異質(zhì)結(jié)，其能帶如圖所示。發(fā)射區(qū)為n型寬帶材料，基區(qū)和集電區(qū)為窄帶材料。發(fā)射極電流由三部分組成：越過(guò)勢(shì)壘由發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)導(dǎo)帶中稱為少子的電子電流In；通過(guò)界面缺陷進(jìn)入基區(qū)價(jià)帶和空穴復(fù)合的電流Id（包括復(fù)合電流和隧道電流）；基區(qū)空穴越過(guò)勢(shì)壘進(jìn)入發(fā)射極的空穴電流Ip。集電極反偏，反向電流主要由發(fā)射極注入到基區(qū)的少子漂移到集電區(qū)形成Ic，同時(shí)將在基區(qū)復(fù)合一部分，形成基區(qū)復(fù)合電流Ir 。34n2 HBT器件的直流特性 5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 EnpdBprdCnrIIIIIIIIIII則增益CnrBprdIIIIIIInp

15、IImax異質(zhì)結(jié)的注入比用寬帶材料做發(fā)射極可以使max達(dá)到105左右。但實(shí)際的晶體管達(dá)不到這個(gè)極限。35n2 HBT器件的直流特性 5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 緩變異質(zhì)結(jié)的注入比：maxexp/nEnBgBpBpEJNEk TJN即使是在NE100，則Eg應(yīng)當(dāng)0.24eV，這對(duì)應(yīng)的是Al含量在22%左右的寬禁帶AlGaAs發(fā)射極。注意：x=0.25時(shí)， Eg=0.39eV，注入效率顯著提高； x0.2時(shí)，AlGaAs層出現(xiàn)深施主，發(fā)射區(qū)電容增加。36n2 HBT器件的直流特性 5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 采用緩變發(fā)射結(jié)的不足之處不足之處在于(1)在抑制由基區(qū)注入到發(fā)射區(qū)的空穴不是特別有

16、效(所造成的降低可以部分由基區(qū)電子速度增加來(lái)補(bǔ)償)，(2)可能會(huì)有基區(qū)雜質(zhì)的擴(kuò)散。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)有：(1) 由于發(fā)射結(jié)緩變，存在自建電場(chǎng)，使得其空間電荷區(qū)的載流子復(fù)合減??；(2)同時(shí)提高了電子的注入；(3)異質(zhì)結(jié)的選取上更方便。37n2 HBT器件的直流特性q討論討論影響增益的因素：n注入效率，它是注入電子電流In和總的發(fā)射極電流之比n基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)T 5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 nnpdIIIInrTnIII38n2 HBT器件的直流特性q假設(shè)基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)T為1，即基區(qū)足夠薄，復(fù)合可忽略q注入效率為q增益為5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 nndIIIndIIexp(/)qVkTexp(/)qV

17、kT1exp(1)(/)qVkTn當(dāng)InId時(shí)，發(fā)射極總電流IEIn，則1(1)nEI這說(shuō)明復(fù)合電流的存在使得晶體管的增益隨著發(fā)射極電流的增加而增加。39n2 HBT器件的直流特性 5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 AlGaAs/GaAs HBT中的基極電流遠(yuǎn)比硅基BJT器件的復(fù)雜。AlGaAs中深能級(jí)缺陷對(duì)于控制發(fā)射結(jié)的復(fù)合中心起到了非常重要的作用。一般來(lái)說(shuō)，HBT基區(qū)電流可能包含以下四項(xiàng)：(1)基區(qū)的復(fù)合電流，(2)發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)的復(fù)合電流，(3)發(fā)射區(qū)注入的空穴電流，(4)環(huán)路電流。 exp/BBEBIqVnk Tn為二極管的理想化因子，其值在1-2之間。40n2 HBT器件的直流特性

18、5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 當(dāng)基區(qū)電流主要是基區(qū)復(fù)合電流時(shí)，n值接近于1，電流增益為常數(shù)。如果基區(qū)電流主要是發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)的復(fù)合電流時(shí)，此時(shí)n=2，電流增益隨IC的增加而增加，隨溫度的升高而減小。如果是以發(fā)射區(qū)注入的空穴電流為主時(shí)，n=1，電流增益隨溫度的升高而減小。 需要注意的是，采用寬帶隙材料為發(fā)射區(qū)，使得其ni較小，從而相對(duì)于Si BJT來(lái)講，HBT的發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)復(fù)合電流比基區(qū)復(fù)合電流所占比例更大。還有比如表面復(fù)合電流、隧道電流（基區(qū)重?fù)诫s）也需討論。41n2 HBT器件的直流特性 q假設(shè)注入效率足夠高，即=1q增益為5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 1exp() 11nrTBT

19、rnIIWIL少子的擴(kuò)散長(zhǎng)度越大，基區(qū)越薄，增益越高。當(dāng)然，增益還與溫度有關(guān)，比如擴(kuò)散長(zhǎng)度是溫度的函數(shù)，各種電流組分均與溫度有不同的函數(shù)關(guān)系。42n2 HBT器件的直流特性 q或者5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 nB基區(qū)電子壽命 基區(qū)渡越時(shí)間 基區(qū)均勻摻雜，由擴(kuò)散控制 2/2BBWD基區(qū)緩變，由漂移控制 /BBnW 為了獲得高的電流增益，B就要求盡可能的小。所以采用緩變發(fā)射結(jié)緩變基區(qū)HBT，當(dāng)基區(qū)很薄，電場(chǎng)很強(qiáng)，需要考慮速度過(guò)沖。 43n2 HBT器件的頻率特性 q在實(shí)際晶體管中并不要求增益無(wú)限制地增大，高增益甚至?xí)?dǎo)致器件特性不穩(wěn)定。q異質(zhì)結(jié)注入比大的優(yōu)點(diǎn)并不完全用來(lái)增大增益，更重要的是用來(lái)

20、提高晶體管的頻率特性。q同質(zhì)結(jié)晶體管提高注入比的辦法是使發(fā)射極高摻雜而基區(qū)低摻雜，結(jié)果造成發(fā)射極電容和基區(qū)電阻都比較大。q而在異質(zhì)結(jié)晶體管中在保證得到同樣的注入比條件下，可使發(fā)射極摻雜降低而基區(qū)摻雜增高，從而減少了發(fā)射極的電容和基區(qū)電阻。5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 44n2 HBT器件的頻率特性q截止頻率fT是一個(gè)非常重要的品質(zhì)因子。它描述的是使共發(fā)射極電流增益變?yōu)?時(shí)的頻率。5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 12ECBTCTfCccTCr C22BBBnnWWDcTCsx發(fā)射極電容充電時(shí)間 集電極充放電時(shí)間 有效基區(qū)少子渡越時(shí)間 載流子渡越集電極-基極的時(shí)間 4(0)BEeTEDETEEk

21、 Tr CCCqI45n2 HBT器件的頻率特性 5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 HBT的功率增益 28TbbTCfGf r C說(shuō)明：功率增益與截止頻率成正比，與基區(qū)寄生電阻和集電極-基極結(jié)電容成反比。GaAs的電子遷移率高可以降低B和rcc，同時(shí)又使得截止頻率和功率增益增加。采用緩變基區(qū)后， B可進(jìn)一步減小。當(dāng)AlGaAs/GaAs HBT的發(fā)射極寬度為1.2m時(shí)，器件的截止頻率可高達(dá)75GHz。 46n除了基于GaAs材料的HBT，還有其他幾種新型的HBT，如基于InP的DHBT器件等。5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 當(dāng)集電極結(jié)也做成異質(zhì)結(jié)時(shí)，就是所謂的雙異質(zhì)結(jié)晶體管。其優(yōu)點(diǎn)是可以抑制由基

22、區(qū)進(jìn)入集電區(qū)的少子電流，同時(shí)增大的擊穿電壓，減少了漏電流，并在邏輯集成電路中發(fā)射極和集電極能夠互換。中國(guó)科學(xué)院微電子所研制成功的DHBT器件擊穿電壓大于6V，最高電流增益截止頻率達(dá)到176GHz，最大振蕩頻率高達(dá)253GHz。47n如基于Si/SiGe的應(yīng)變HBT。5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 當(dāng)這類HBT具有很高的注入效率；同時(shí)采用成熟的Si工藝，工藝簡(jiǎn)單可靠，價(jià)格便宜，機(jī)械和導(dǎo)熱性能良好，可以在同一襯底上集成電子或光電子器件。48n請(qǐng)總結(jié)思考：HBT與Si BJT相比有哪些優(yōu)勢(shì)？5.2.2 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 49n場(chǎng)效應(yīng)晶體管是區(qū)別于雙極型晶體管的另一大類晶體管。它通過(guò)改變垂直于導(dǎo)電溝

23、道的電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)控制溝道的導(dǎo)電能力，從而調(diào)制通過(guò)溝道的電流。由于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作電流僅由多數(shù)載流子輸運(yùn)，故又稱之為“單極型場(chǎng)效應(yīng)晶體管”。n根據(jù)其結(jié)構(gòu)(主要指柵極結(jié)構(gòu))和制作工藝，F(xiàn)ET可分為三類：q結(jié)型柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(縮寫(xiě)JFET)，由于原理上近似，有時(shí)也將肖特基柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(縮寫(xiě)MESFET)劃歸此類；q絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(縮寫(xiě)IGFET) ，MOSFET屬于此類；q薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管(縮寫(xiě)TFT)。5.3 場(chǎng)效應(yīng)晶體管50n結(jié)型柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其柵極的控制作用是通過(guò)反向偏置pn結(jié)或肖特基結(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其導(dǎo)電過(guò)程發(fā)生在半導(dǎo)體材料的體內(nèi)，故JFET屬于“體內(nèi)場(chǎng)效應(yīng)器件體

24、內(nèi)場(chǎng)效應(yīng)器件”。絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管和薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管的導(dǎo)電過(guò)程均發(fā)生在半導(dǎo)體表面薄層內(nèi)。故從導(dǎo)電機(jī)構(gòu)的角度看，它們均屬于“表面場(chǎng)效應(yīng)器件表面場(chǎng)效應(yīng)器件”。n無(wú)論是“體內(nèi)的”，還是“表面的”，它們都具有場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體器件的共同特點(diǎn)：q體積小、重量輕、直流輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好等；q與雙極型晶體管相比是一種電壓控制器件通過(guò)輸入電壓的改變控制輸出電流，而雙極型晶體管為電流控制器件。5.3 場(chǎng)效應(yīng)晶體管51n以JFET為例，其基本結(jié)構(gòu)如圖5.3.1 JEFT52nJFET的工作原理5.3.1 JEFT0GSVDSDABVIRPDAPVIR53nJFET的工作原理5.3.1 JEFT2GSVV P

25、GSDAPVVIR54nJFET的工作原理5.3.1 JEFT5GSVV 特性曲線55nJFET的工作原理qIDS相對(duì)獨(dú)立于VDS，而受柵極電壓VGS的控制。類似于BJT晶體管中集電極電流受控于基極-發(fā)射極電壓。5.3.1 JEFT晶體管效應(yīng)就是指在漏-源電路中柵-源電壓VGS對(duì)漏極電流IDS的控制作用。56qJFET的名稱來(lái)源于在反偏的耗盡層中通過(guò)變化VGS來(lái)調(diào)節(jié)電場(chǎng)，而改變耗盡層向溝道內(nèi)延伸，進(jìn)而改變溝道電阻的這個(gè)效應(yīng)。q該作用被認(rèn)為是基于場(chǎng)效應(yīng)。因?yàn)樵跂藕蜏系乐g有個(gè)p+-n結(jié)，所以稱為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。這個(gè)反偏的結(jié)對(duì)柵和溝道起到隔離的作用。q發(fā)生夾斷后的區(qū)域稱為電流飽和區(qū)，需要注意的是

26、JFET的飽和區(qū)是起放大作用的，與BJT的飽和區(qū)不要混淆。5.3.1 JEFT57nJFET的工作原理5.3.1 JEFT2Dps2qN aV夾斷電壓 閾值電壓 TbiPVV電壓增益 ()DmgsdsVmDgsgsRg vvAg Rvv 58n表面場(chǎng)效應(yīng)概念的提出可以追溯到1926年。n滲透到半導(dǎo)體中的場(chǎng)，決定其中的載流子的多少積累/耗盡/反型。nFET的種類很多，結(jié)構(gòu)類似，不同的是溝道位于何處、溝道-柵絕緣如何實(shí)現(xiàn)、柵絕緣層的材料不同、溝道是否摻雜等。5.3.2 MOSFET59n金屬金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體半導(dǎo)體（有時(shí)叫做金屬金屬-氧化物氧化物-硅硅）場(chǎng)效應(yīng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管晶體管常常稱為MO

27、SFET，也簡(jiǎn)稱為MOST（金屬金屬-氧化氧化物物-半導(dǎo)體晶體管半導(dǎo)體晶體管）。n它歸屬于稱為IGFET（絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管）或MISFET（金屬金屬-絕緣體絕緣體-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）的一大類器件，這類器件有一個(gè)用介質(zhì)層與半導(dǎo)體呈電隔離的柵極。MOSFET有作為絕緣層的氧化物，因?yàn)镾i上熱生長(zhǎng)的氧化物/半導(dǎo)體界面接近理想情況，所以它通常指的是硅器件。n另一方面，MISFET則意指基于化合物半導(dǎo)體的IGFET。5.3.2 MOSFET60nMOSFET的工作原理5.3.2 MOSFET,0GSTDSVV V(),GSTDSDS satVV VV(),GSTD

28、SDS satVV VV(),GSTDSDS satVV VVDSDn chVIR()DS satDAPchVIR夾斷夾斷615.3.2 MOSFETn當(dāng)VGSVT后， ID先隨VDS線性增加，再趨向飽和。n當(dāng)VDS VDS(sat)后， ID幾乎不依賴于VDS，而是明顯依賴于VGS。此時(shí)漏-源輸出電路中的飽和漏極電流ID幾乎完全由柵-源輸入電路上的VGS的控制。這就是MOSFET的工作機(jī)制。增強(qiáng)增強(qiáng)的意思是，在漏源之間需要一個(gè)超過(guò)VT的柵電壓來(lái)形成導(dǎo)電溝道。625.3.2 MOSFETn閾值電壓nMOSFET的閾值電壓閾值電壓VT是柵極下面的半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)強(qiáng)強(qiáng)反型反型，從而出現(xiàn)導(dǎo)電溝道時(shí)所加

29、的柵源電壓柵源電壓。強(qiáng)反型強(qiáng)反型：是指半導(dǎo)體表面積累的少數(shù)載流子的濃度達(dá)到和超過(guò)體內(nèi)多子濃度的狀態(tài)；或者半導(dǎo)體表面能帶彎曲至表半導(dǎo)體表面能帶彎曲至表面勢(shì)等于兩倍費(fèi)米勢(shì)面勢(shì)等于兩倍費(fèi)米勢(shì)。實(shí)際上，柵源電壓除了提供反型的2倍費(fèi)米勢(shì)外，還需要建建立耗盡層電荷立耗盡層電荷、抵消金抵消金-半之間接觸電勢(shì)差半之間接觸電勢(shì)差、以及補(bǔ)償氧化補(bǔ)償氧化層中電荷層中電荷。63nMESFET是金屬金屬-半導(dǎo)體半導(dǎo)體-場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的縮寫(xiě)。實(shí)用場(chǎng)效應(yīng)晶體管的JFET形式于1953年實(shí)現(xiàn)，而MOSFET形式則于1960年實(shí)現(xiàn)。n由于硅材料的獨(dú)特的、接近理想的天然氧化物性質(zhì)，所以MOSFET只使用硅材料。nMES

30、FET更適合用化合物半導(dǎo)體制備，GaAs已成為制作這種器件的主流材料。與JFET相比，它在制作工藝方面具有優(yōu)勢(shì)。n目前，MESFET是高速和微波電路的主導(dǎo)器件。5.3.3 GaAs MESFET 645.3.3 GaAs MESFET n與硅基MOSFET器件性能相比，GaAs MESFET器件的性能有了很顯著的提高，這主要是材料的特性所造成的。 qGaAs導(dǎo)帶電子的遷移率是是Si的6倍，峰值遷移速率是Si的2倍。 q器件的有源層是生長(zhǎng)在半絕緣的GaAs襯底上的，GaAs的電阻率高達(dá)107cm。而與此相對(duì)比，本征Si的典型電阻率為30cm。qGaAs的少子壽命短 。 低的寄生電阻，較大的跨導(dǎo)，

31、以及較短的電子渡越時(shí)間 低的寄生電容 很好的抗輻照能力 65nMESFET是一種由Schottky勢(shì)壘柵極構(gòu)成的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。它與p-n結(jié)型柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管相比，只是用金屬-半導(dǎo)體接觸勢(shì)壘代替了p-n結(jié)柵。nMESFET的工作原理與JFET基本相同，但有兩點(diǎn)差異： q在長(zhǎng)溝道(0.52m) GaAs-MESFET中，速度飽和模型能較好地描述I-V特性； q對(duì)于柵長(zhǎng)動(dòng)量弛豫時(shí)間，則電子的輸運(yùn)將是瞬態(tài)的，有明顯的速度過(guò)沖效應(yīng)速度過(guò)沖效應(yīng)(對(duì)短溝道Si器件，無(wú)明顯的速度過(guò)沖)。5.3.3 GaAs MESFET 665.3.3 GaAs MESFET n1 基本結(jié)構(gòu) 它是在半絕緣的GaAs襯底上外延生

32、長(zhǎng)一層n-GaAs作為有源層，并在該層上生長(zhǎng)一層金屬形成肖特基勢(shì)壘，再引出柵極（G），并在柵極兩側(cè)形成歐姆接觸作為源極（S）和漏極（D）。源漏之間的導(dǎo)電層構(gòu)成了溝道，溝道電阻由柵源電壓Vgs進(jìn)行調(diào)節(jié)。半導(dǎo)體-金屬柵極接觸在MESFET溝道中產(chǎn)生了一個(gè)耗盡區(qū)，該耗盡區(qū)的厚度依賴于柵源電壓Vgs。 67n2 直流特性 nMESFET與JFET相似，差別在于(1)它是單柵極，(2)柵極由金屬-半導(dǎo)體結(jié)形成。n其源極和漏極之間的晶體管電流主要受柵極控制。柵偏置對(duì)柵區(qū)下方的耗盡層寬度進(jìn)行調(diào)制，以改變溝道開(kāi)口。n分析可知，如果沿溝道的電勢(shì)變化比垂直于溝道的?。ㄏ喈?dāng)于L），則可使用漸變溝道近似，在該近似下可

33、應(yīng)用一維解處理。 5.3.3 GaAs MESFET 22DpqN AVTpbiVVV 68n2 直流特性 5.3.3 GaAs MESFET ( )chchDdI dxdVI dRq N W AA x1/22( )( )dbiGDA xV xVVqN3/23/201/223ibiGbiGchipVVVVVIgVVFET晶體管的基本方程 69n2 直流特性5.3.3 GaAs MESFET 根據(jù)肖特基模型，電流飽和發(fā)生在導(dǎo)電溝道在漏極一側(cè)夾斷時(shí)。 3/201/21233SbiGchpobiGsatpVVIgVVVV定性上講，若漏極偏置高于VD，sat，夾斷點(diǎn)開(kāi)始向源極移動(dòng)。但是，夾斷點(diǎn)的電勢(shì)始

34、終保持為VD，sat，而與VD無(wú)關(guān)。因此漂移區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)保持恒定不變，從而引起電流飽和。D,satGTVVV70n2 直流特性5.3.3 GaAs MESFET 實(shí)際表明，Isat并不隨VD完全飽和，這是由于源區(qū)和夾斷點(diǎn)之間的有效溝道長(zhǎng)度減小的緣故。 3/201/21233SbiGchpobiGsatpVVIgVVVV71n2 直流特性p以上分析都是基于假設(shè)為遷移率模式。p在短溝道器件（L1m）中，溝道縱向電場(chǎng)高到足以驅(qū)動(dòng)載流子到速度飽和。其速度-電場(chǎng)關(guān)系可以用臨界電場(chǎng)Ec和飽和速度來(lái)表征。5.3.3 GaAs MESFET p在這種情況下，甚至在夾斷之前，電流也將隨VD飽和，并有新的VD，sa

35、t值。D,satcVE L72n2 直流特性5.3.3 GaAs MESFET 11/SDSDSDScgIIVE L電子速率飽和時(shí)的臨界電場(chǎng) 柵極長(zhǎng)度 21tanhDSGSTDSDSIVVVV短溝道下情況下的飽和電流經(jīng)驗(yàn)公式73n2 直流特性5.3.3 GaAs MESFET ds cdsmgsVIgV在固定的漏極電壓（Vds）下，溝道電流（Ids）被柵極電壓（Vgs）的調(diào)制作用。器件的跨導(dǎo)1/201biGSmpVVggV遷移率模式satDmPbiG2()Sqv WANgV VV速度飽和模式與遷移率模式相比，VD，sat、Isat和gm，sat全都因速度飽和而下降。 74n2 直流特性5.3.

36、3 GaAs MESFET 電壓增益AV dsmVgsdsVgAVggs cdsdsdsVIgV圖5.14 實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的GaAs MESFET輸出特性曲線。影響輸出跨導(dǎo)的因素包括由溝道注入到非摻雜的緩沖層的電荷、通過(guò)表面和溝道-襯底狀態(tài)導(dǎo)電的機(jī)制等。GaAs MESFET的增益隱含在跨導(dǎo)參數(shù)gm之中。 75n3 微波特性5.3.3 GaAs MESFET 截止頻率 21mTsdgsgdmgdsddsgfRRCCg CRRRn為了得到高的截止頻率，柵極電容和寄生電阻都必須盡可能的小，而與此同時(shí)，跨導(dǎo)則必須盡可能大。n這就要求：溝道的載流子有效速度要高；柵極長(zhǎng)度要短；寄生電阻要小。76n4 應(yīng)用

37、nGaAs MESFET具有較高的載流子遷移率、較低的寄生電容，所以具有高速的優(yōu)點(diǎn)。已用于通信、計(jì)算機(jī)及軍事系統(tǒng)的高性能電路中。已可提供達(dá)40GHz的商用微波放大器，對(duì)于0.25m溝道長(zhǎng)度的器件，有望達(dá)到100GHz。nMESFET也可用作微波功率器件，可施加約10V的電壓。無(wú)柵極的FET或飽和電阻器有時(shí)用作MESFET邏輯電路中的負(fù)載。5.3.3 GaAs MESFET 77nGaAs MESFET已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平，但當(dāng)其組成電路后，卻比一般高速硅器件電路的速度好不了多少。n同時(shí)， GaAs MESFET溝道摻雜很高，電離雜質(zhì)散射使得電子遷移率從理論值急速下降。n高電子遷移率晶體管（HE

38、MT）又稱為調(diào)制摻雜場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MODFET）是20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來(lái)的一種異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)器件。5.3.4 HEMT器件器件300K77KSi MOSFET6301500GaAs MESFET48006200HEMT800054000785.3.4 HEMTnHEMT的獨(dú)特性在于異質(zhì)結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中對(duì)寬能隙材料進(jìn)行摻雜，載流子擴(kuò)散到未摻雜的窄能隙材料中，并在此形成溝道，溝道中電子在垂直方向上的動(dòng)量是量子化的（即二維電子氣） 。q故又稱為二維電子氣場(chǎng)效應(yīng)晶體管二維電子氣場(chǎng)效應(yīng)晶體管（TEGFET）。n這種調(diào)制摻雜的實(shí)際結(jié)果是，未摻雜異質(zhì)界面上的載流子在空間上與摻雜區(qū)隔離，且由于

39、不存在雜質(zhì)散射而具有極高的遷移率。 795.3.4 HEMTn1 HEMT器件結(jié)構(gòu) qAlGaAs/GaAs HEMT的截面結(jié)構(gòu)與能帶結(jié)構(gòu) n首先在半絕緣GaAs襯底上采用MBE依次生長(zhǎng)高純GaAs、n-AlGaAs和n-GaAs層，然后進(jìn)行臺(tái)面腐蝕以隔離有源區(qū)，接著制作源、漏、歐姆電極，并通過(guò)離子刻蝕去除柵極面上的GaAs層，最后在AlGaAs表面沉積柵電極。805.3.4 HEMTn1 HEMT器件結(jié)構(gòu) qAlGaAs/GaAs HEMT的截面結(jié)構(gòu)與能帶結(jié)構(gòu) n由于AlGaAs的禁帶寬度比GaAs大并且肖特基勢(shì)壘的作用，使得n+AlGaAs施主層全部耗盡，電子轉(zhuǎn)移到AlGaAs/GaAs界

40、面處，在i-GaAs溝道中形成高遷移率溝道。n由于AlGaAs晶體的表面狀況不太好，在其上不易制作良好的歐姆接觸，所以一般需要一層高摻雜的n+GaAs覆蓋層來(lái)過(guò)渡，形成低電阻的歐姆接觸。 815.3.4 HEMTn1 HEMT器件結(jié)構(gòu) qAlGaAs/GaAs HEMT的截面結(jié)構(gòu)與能帶結(jié)構(gòu) n柵電壓可以改變?nèi)切蝿?shì)阱的深度與寬度，從而改變2-DEG的濃度，所以可以控制器件的漏電流，這種模式屬于耗盡型工作模式。n如果減薄AlGaAs層的厚度，或減小該層的摻雜濃度，則在肖特基勢(shì)壘作用下，三角形勢(shì)阱中的電子將被耗盡，只有柵電壓為正時(shí)才能形成提供導(dǎo)電的2-DEG，該模式屬于增強(qiáng)型工作模式。825.3.

41、4 HEMTnHEMT的工作區(qū)是未摻雜的i-GaAs， n+AlGaAs層的電離雜質(zhì)中心對(duì)近鄰的2-DEG的庫(kù)侖散射仍舊存在。因此為了完全隔離，往往在兩層間再制作一層i-AlGaAs，可大大提高2-DEG的遷移率。n但是如果i-AlGaAs太厚，則又會(huì)使得2-DEG的面密度下降和源漏電阻增加。一般取7-10nm為佳。n1 HEMT器件結(jié)構(gòu) qAlGaAs/GaAs HEMT的截面結(jié)構(gòu)與能帶結(jié)構(gòu) 835.3.4 HEMTn對(duì)于HEMT來(lái)說(shuō)， AlGaAs層的厚度和Al組分都需要特別考慮。qAlGaAs越薄，串聯(lián)電阻越小。q增強(qiáng)型器件要求AlGaAs層薄比較好，而如果是耗盡型器件則需要厚些。q提高

42、Al的組分，可增大禁帶寬度，導(dǎo)致其導(dǎo)帶突變量增大，從而使得2-DEG的濃度增加，對(duì)于減小寄生電阻、提高高頻性能是有益的。q但組分過(guò)大，則容易是表面缺陷增加，工藝也難于實(shí)現(xiàn)，故而一般選取0.3左右。845.3.4 HEMTn2 直流特性 HEMT器件的輸出特性 與MESFET器件輸出曲線非常相似，其電流方程為： 022( )( )( )DGdDGk T dnVV ydVIqWynVV ydyqdy當(dāng)器件飽和時(shí)，對(duì)于長(zhǎng)溝道來(lái)說(shuō) 2( )dsDqWInu duL855.3.4 HEMTn2 直流特性 閾值電壓 CTbnPEVVq夾斷電壓 d2DdPD0ss( )2xqN xqVNy ydy跨導(dǎo) ef

43、fdsmgsIgWVh截止頻率 m,satTopar2 ()gfWLCC865.3.4 HEMTn對(duì)于大多數(shù)實(shí)際器件，由于載流子速度飽和，所以在發(fā)生夾斷之前電流就已隨VD達(dá)到飽和。這與調(diào)制摻雜得到的高遷移率直接相關(guān)。n對(duì)于短溝道器件， 2-DEG面密度與柵壓無(wú)關(guān)，n跨導(dǎo)為2dsDeffIqnW,22,()()D sateffmDGSDGSVD satqgnVnVVVD,satcVE L875.3.4 HEMTn3 應(yīng)用q由于HEMT具有很高的跨導(dǎo)，所以這種器件最初主要是為高速應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的。q頗為令人驚奇的是，后來(lái)發(fā)現(xiàn)這種器件也具有比其它FET更優(yōu)良的噪聲性能。噪聲性能的改進(jìn)與二維電子氣性質(zhì)有關(guān)

44、。qHEMT電路的速度大約比MESFET快三倍。商用HEMT產(chǎn)品，可在高于60GHz的頻率下工作，其溝道長(zhǎng)度在0.25-0.5m范圍。預(yù)期未來(lái)的極限速度將高達(dá)100GHz。885.3.4 HEMTn4 當(dāng)代HEMT技術(shù) 1)贗GaAs HEMT 這種器件的溝道是由InGaAs構(gòu)成的。且AlGaAs/InGaAs界面處能帶的不連續(xù)性要比AlGaAs/GaAs界面處的大，使得2-DEG的面密度增加。895.3.4 HEMTn4 當(dāng)代HEMT技術(shù) 1)贗GaAs HEMT 同時(shí)，In的摻入會(huì)導(dǎo)致溝道遷移率的增加。且溝道的晶格常數(shù)比襯底層、覆蓋層、AlGaAs施主層和空間隔離層的晶格常數(shù)大，因而所形成

45、的溝道是一個(gè)應(yīng)變溝道。從而不會(huì)引入缺陷。因而，p-HEMT器件中溝道載流子濃度比HEMT器件的大，具有更大的電流驅(qū)動(dòng)能力。且溝道中的電子被限制在InGaAs/GaAs緩沖界面處，使得電荷控制進(jìn)一步改善，減小輸出電導(dǎo)，改善夾斷特性。905.3.4 HEMT2)雙異質(zhì)結(jié)GaAs HEMT 在HEMT器件溝道下再引入一個(gè)摻雜層。這樣設(shè)計(jì)可使得溝道中載流子的濃度增加1倍，這相當(dāng)于在保持器件寬度不變的情況下，漏源電流變大了。此外，器件的接觸電阻變小，這會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器件進(jìn)入飽和所需的漏極電壓變小了。由于這些原因，雙異質(zhì)結(jié)HEMT通常用于功率放大器設(shè)計(jì)。 915.3.4 HEMT3)晶格匹配贗InP HEMT

46、 在HEMT器件非溝道層中添加In可導(dǎo)致器件溝道中體內(nèi)電子濃度增加，以及載流子的有效速率和遷移率的。因而，對(duì)于器件的高頻應(yīng)用，溝道中就需要比較大的In摻雜。令人遺憾的是，由于晶格失配的原因，直到現(xiàn)在才能在GaAs襯底上生長(zhǎng)出高質(zhì)量的InGaAs薄膜（In的含量可高于35%）。925.3.4 HEMT3)晶格匹配贗InP HEMT InP的晶格常數(shù)比GaAs大，因而可在InP襯底上制作出完全無(wú)應(yīng)力的HEMT器件，溝道中In的含量可高達(dá)53%。這種高In含量的器件稱為晶格匹配InP HEMT。與GaAs HEMT相比，器件的跨導(dǎo)和截止頻率等特性都得到了顯著的改進(jìn)。 935.3.4 HEMT4)形變

47、GaAs HEMT 直接在GaAs襯底上生長(zhǎng)高含量In溝道層是不可能的，這主要是晶格失配現(xiàn)象非常嚴(yán)重。然而，在溝道層下面使用緩沖層，在緩沖層中In的含量緩慢變化，或是按照一系列階梯變化，就可得到高質(zhì)量的單晶高含量In的溝道層。由于溝道晶格常數(shù)和襯底晶格常數(shù)不同，基于這類層狀結(jié)構(gòu)的HEMT稱為形變HEMT。 漸變945.4 半導(dǎo)體光源n半導(dǎo)體光電器件，即半導(dǎo)體光源和半導(dǎo)體光電探測(cè)器，這些器件主要是用化合物半導(dǎo)體來(lái)制備的，這主要是基于以下兩個(gè)方面的原因：q一是大部分化合物半導(dǎo)體是直接躍遷半導(dǎo)體，內(nèi)光電轉(zhuǎn)化效率高；q其次，化合物半導(dǎo)體材料禁帶寬度有一個(gè)較大的變化范圍。q未來(lái)化合物半導(dǎo)體光子器件可用來(lái)

48、構(gòu)建光電集成電路和光學(xué)計(jì)算機(jī)n半導(dǎo)體光源是將輸入的電能轉(zhuǎn)化為光能的器件，其機(jī)理是電致發(fā)光，即在一定的偏置下，由通過(guò)器件的電流產(chǎn)生光的現(xiàn)象。qLED（發(fā)光二極管）qLD（激光二極管）955.4 半導(dǎo)體光源三種躍遷過(guò)程E2E1h（a）自發(fā)輻射）自發(fā)輻射E2E1（c）受激輻射）受激輻射E2E1（b）受激吸收）受激吸收hhh受激輻射與自發(fā)輻射雖然都是受激輻射與自發(fā)輻射雖然都是從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷并發(fā)射光子的從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷并發(fā)射光子的過(guò)程過(guò)程，但這兩種輻射卻存在著重要的區(qū)別。，但這兩種輻射卻存在著重要的區(qū)別。最重要的區(qū)別在于光輻最重要的區(qū)別在于光輻射的相干性射的相干性，由，由自發(fā)輻射自發(fā)輻射所發(fā)射

49、的光子的頻率、相位、振動(dòng)方向都所發(fā)射的光子的頻率、相位、振動(dòng)方向都有一定的有一定的任意性任意性，而，而受激輻射受激輻射所發(fā)出的光子在頻率、相位、振動(dòng)方所發(fā)出的光子在頻率、相位、振動(dòng)方向上與激發(fā)的光子高度一致，即有向上與激發(fā)的光子高度一致，即有高度的簡(jiǎn)并性高度的簡(jiǎn)并性。965.4.1 LEDn1 LED原理GaAs直接禁帶半導(dǎo)體電子空穴對(duì)復(fù)合導(dǎo)致光子發(fā)光零偏壓下，勢(shì)壘阻礙電子從n型一側(cè)向p型一側(cè)擴(kuò)散。正偏壓下，勢(shì)壘降低，n+一側(cè)的電子開(kāi)始擴(kuò)散到p區(qū)。從p區(qū)注入到n+區(qū)的空穴數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于從n+區(qū)注入到p區(qū)的電子數(shù)量。注入電子在耗盡區(qū)復(fù)合，并引起光子發(fā)射。這種由于電子空穴對(duì)復(fù)合的光發(fā)射現(xiàn)象，稱為注入

50、電致發(fā)光。975.4.1 LEDn1 LED原理需要注意的是，對(duì)類似于GaP這樣的材料，電子空穴對(duì)的復(fù)合過(guò)程借助復(fù)合中心發(fā)生，涉及到晶格振動(dòng)而不是光子發(fā)射。如果用將N摻入GaP中，替代P原子，則要形成等電子陷阱，接近導(dǎo)帶底，當(dāng)它俘獲一個(gè)導(dǎo)帶電子后，形成帶電中心，該帶電中心由于庫(kù)侖作用又能俘獲一個(gè)空穴，從而形成束縛激子。這種依靠束縛激子的直接復(fù)合發(fā)射的光子，其能量略小于禁帶寬度。GaAsP可以覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光譜，當(dāng)P組分N1 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 為了獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，可使用外部源如光源的激勵(lì)。對(duì)于注入式激光器， p-n結(jié)正偏置提供載流子注入。在結(jié)的任何一側(cè)，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合以產(chǎn)生光

51、。 1185.4.2 LD1 激光振蕩原理產(chǎn)生激光要的條件除了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)外，還需要：諧振腔諧振腔：能起到光反饋?zhàn)饔?，形成激光振蕩；形成形式多樣，最?jiǎn)單的是法布里-帕羅諧振腔。還必須滿足閾值條件閾值條件：也就是增益要大于總的損耗。F-P腔 intmirg1195.4.2 LD2 LD結(jié)構(gòu)所有實(shí)用的LD都是雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。載流子被限制在n-GaAlAs和p-GaAlAs之間，是由于兩者之間的帶隙寬度不同所造成的。很大的正向偏壓下，簡(jiǎn)并摻雜的GaAs層中，導(dǎo)帶底有大量電子，價(jià)帶頂有大量空穴，即此時(shí)N2N1。某個(gè)hvEg的入射光子激發(fā)p- GaAs層導(dǎo)帶中的電子，從而產(chǎn)生受激發(fā)射。在有源層中這個(gè)過(guò)程是雪

52、崩似的，最終實(shí)現(xiàn)光放大。放大的程度依賴于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的程度，即依賴于LD的正向電流。所以LD存在一個(gè)閾值電流。1205.4.2 LD2 LD結(jié)構(gòu)激光器在結(jié)構(gòu)上的另一個(gè)獨(dú)特性是，要求光的輸出方向上具有光學(xué)諧振腔。這意味著形成諧振腔的兩個(gè)垂直面應(yīng)該完全垂直于結(jié)，且必須象鏡面一樣的平滑，具有最佳反射性。這可以通過(guò)腐蝕、拋光或最通用的自然解理來(lái)實(shí)現(xiàn)。法布里-珀羅反射鏡之一能夠全反射，使光只從一端射出。1215.4.2 LD2 LD結(jié)構(gòu)平行于激光輸出的反射鏡表面粗糙到能產(chǎn)生強(qiáng)烈吸收，以防止橫向上的激光振蕩。為了限制橫向光輸出，可使用條形幾何結(jié)構(gòu)。 這就需要光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。光波導(dǎo)利用了光在不同折射率的介質(zhì)中傳播

53、時(shí)發(fā)生的全反射現(xiàn)象。這樣就可以將光限制在高折射率介質(zhì)中。1225.4.2 LD2 LD結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器可分為增益引導(dǎo)激光器和折射率引導(dǎo)激光器。在增益引導(dǎo)激光器中，傳播模式被限制在側(cè)向傳播，而水平方向的傳播在設(shè)計(jì)中則不加考慮；在折射率引導(dǎo)激光器中，則模式的傳播在橫向的2個(gè)方向都被加以限制。一個(gè)非常普遍的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)是脊型激光器，這是一種弱折射率引導(dǎo)激光器。 1235.4.2 LD3 LD特性閾值電流 th211211ln()2dJCCLR R低于Jth時(shí)，與LED相似，自然發(fā)射產(chǎn)生的光譜具有200-500的帶寬。若電流稍高于Jth，則將出現(xiàn)分立的窄譜線，其帶寬大大減小到數(shù)。這些多模的出現(xiàn)是由于形成了

54、相干光，重復(fù)反射的光必須與諧振腔內(nèi)其余的光同相。 2r2Lnr2cvLn 多線振蕩稱為縱?？v模。在更大的電流下，縱模數(shù)減少 。1245.4.2 LD3 LD特性0/0T TththJJe閾值電流 功率效率 intthoutmirPmirIIPhVIqVI1255.4.2 LD3 LD特性優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：pLD的響應(yīng)速度較快，可用于較高的調(diào)制速率。pLD的光譜較窄，應(yīng)用于單模光纖時(shí)，光在光纖中傳播引起的色散小，可用于大容量通信。而LED中由于沒(méi)有選擇波長(zhǎng)的諧振腔，所以它的光譜是自發(fā)輻射的光譜。其譜寬度一般為0.030.04m。p由于LD輻射光束的發(fā)散角較小，因而耦合的光纖中的功率較高，傳播距離較遠(yuǎn)，

55、而LED的發(fā)散角一般在4020范圍內(nèi)，耦合到光纖中的效率較低，通常只有3%左右。pLD的輸出光強(qiáng)及效率較高，LED的輸出光強(qiáng)及效率較低。1265.4.2 LD3 LD特性缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：q溫度特性較差。LD的閾值電流依賴于溫度T，故其輸出功率也依賴于T。LED沒(méi)有閾值電流，故其溫度特性較好。q易損壞，壽命短。半導(dǎo)體光源的損壞一般由三種原因引起，即內(nèi)部損壞（如p-n結(jié)損壞），接觸損壞（如引線斷掉）和光學(xué)諧振端面的損壞（如光纖碰角或端面污染引起）。前兩種為發(fā)光二極管和激光二極管所共有，而后一種損壞卻是LD所獨(dú)有的，由于這一因素而大大降低了LD使用壽命。qLD價(jià)格昂貴，LED比較便宜。qLD的P-I曲線

56、不如LED的P-I曲線線性范圍大，調(diào)制時(shí)的動(dòng)態(tài)范圍相對(duì)較小。1275.4.2 LD4 應(yīng)用q激光器是現(xiàn)代光纖通信應(yīng)用的必不可少的光源，其主要優(yōu)點(diǎn)是有很寬的帶寬。由于光纖的特性，故用于光纖通信的最佳波長(zhǎng)選擇在1.3到1.5m之間。已經(jīng)證明調(diào)制率高于20Gb/s，相關(guān)的應(yīng)用有定向射束通信（如衛(wèi)星之間的通信）。q激光器也可以用于激光雷達(dá)系統(tǒng)、地形斷面測(cè)距儀、軍事導(dǎo)航、跟蹤和制導(dǎo)系統(tǒng)以及入侵告警系統(tǒng)。q能夠存儲(chǔ)和恢復(fù)三維圖像的全息照相技術(shù)也是其重要的應(yīng)用領(lǐng)域。q高度定向射束能有效應(yīng)用于精密對(duì)準(zhǔn)，而且在極高功率密度下可用來(lái)切割金屬、鉆孔（也用于木材和陶瓷）和焊接。1285.4.2 LD4 應(yīng)用q激光束可

57、燒斷集成電路中用于連接的金屬互連。q激光器還可在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域用于外科手術(shù)，如視網(wǎng)膜修復(fù)及癌變的探查。對(duì)于化學(xué)放射光譜分析如廢氣和污染分析（3-12m波長(zhǎng)）及氣象學(xué)，它也是很好的分析工具。q在一般商業(yè)應(yīng)用中，它已廣泛應(yīng)用于小型音頻光盤(pán)（CD）和視頻光盤(pán)（DVD）播放機(jī)、復(fù)印機(jī)及打印機(jī)。 1295.6 半導(dǎo)體光電探測(cè)器n半導(dǎo)體光電探測(cè)器是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件。 n探測(cè)器q光子探測(cè)器光子探測(cè)器q光熱探測(cè)器光熱探測(cè)器單個(gè)光子的性質(zhì)對(duì)產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光單個(gè)光子的性質(zhì)對(duì)產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光電效應(yīng)。探測(cè)器吸收光子后，直接引起原子或分子的電效應(yīng)。探測(cè)器吸收光子后，直接引起原子

58、或分子的內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。光子能量的大小直接影響內(nèi)部?jī)?nèi)部電子狀態(tài)的改變。光子能量的大小直接影響內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。電子狀態(tài)的改變。探測(cè)元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi)部電子探測(cè)元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\(yùn)動(dòng)能狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\(yùn)動(dòng)能量，引起探測(cè)元件溫度上升，溫度上升的結(jié)果又使探量，引起探測(cè)元件溫度上升，溫度上升的結(jié)果又使探測(cè)元件的電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。測(cè)元件的電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。外光電效應(yīng)（光電發(fā)射效應(yīng)）外光電效應(yīng)（光電發(fā)射效應(yīng)）內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)本征型光電效應(yīng)本征型光電效應(yīng)非本征型光電

59、效應(yīng)非本征型光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)溫度變化溫度變化體積變化體積變化電阻變化電阻變化電勢(shì)變化電勢(shì)變化熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)1305.6 半導(dǎo)體光電探測(cè)器光子器件光子器件熱電器件熱電器件響應(yīng)波長(zhǎng)有選擇性，一般響應(yīng)波長(zhǎng)有選擇性，一般有截止波長(zhǎng)，超過(guò)該波長(zhǎng)，有截止波長(zhǎng)，超過(guò)該波長(zhǎng)，器件無(wú)響應(yīng)器件無(wú)響應(yīng)響應(yīng)波長(zhǎng)無(wú)選擇性，對(duì)可響應(yīng)波長(zhǎng)無(wú)選擇性，對(duì)可見(jiàn)光到遠(yuǎn)紅外的各種波長(zhǎng)見(jiàn)光到遠(yuǎn)紅外的各種波長(zhǎng)的輻射同樣敏感的輻射同樣敏感響應(yīng)快，吸收輻射產(chǎn)生信響應(yīng)快，吸收輻射產(chǎn)生信號(hào)需要的時(shí)間短，一般為號(hào)需要的時(shí)間短，一般為納秒到幾百微秒納秒到幾百微秒響應(yīng)慢，一般為幾毫秒響應(yīng)慢，一般為幾毫秒1315.6 半導(dǎo)體光電探測(cè)器

60、n各種不同類型的光電探測(cè)器的性能由其量子效率、頻率響應(yīng)及響應(yīng)靈敏度決定。n在這里所討論的半導(dǎo)體探測(cè)器是本征型的，即半導(dǎo)體中所產(chǎn)生光子的能量接近半導(dǎo)體的禁帶寬度。而非本征光電探測(cè)器是用來(lái)檢測(cè)能量小于禁帶寬度的光，這依賴于深能級(jí)陷阱，或者是量子阱中不同的能級(jí)。n本節(jié)討論的探測(cè)器有光電導(dǎo)、結(jié)型如p-i-n二極管、MSM（金屬-半導(dǎo)體-金屬）型光電探測(cè)器和APD（雪崩擊穿二極管）。 1325.6 半導(dǎo)體光電探測(cè)器在半導(dǎo)體光電探測(cè)器中，其所吸收的光子所具有的能量大于或等于Eg 入射光所產(chǎn)生的光電流 pinIRP探測(cè)器的量子效率定義為一定數(shù)量的入射光子所產(chǎn)生的空穴-電子對(duì)的數(shù)量 /pinIqhRPhq1w