現(xiàn)代電子材料與元器件

5.1pn結(jié)*5.2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*GaAsMESFET高電子遷移率晶體管5.4半導(dǎo)體光源激光器發(fā)光二極管5.5半導(dǎo)體光電探測(cè)器目前一頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.1pn結(jié)pn結(jié)？空間電荷區(qū)（耗盡區(qū)、渡越區(qū)）目前二頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.1pn結(jié)耗盡層近似準(zhǔn)中性近似內(nèi)建電場(chǎng)和內(nèi)建電勢(shì)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目前三頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.1pn結(jié)載流子的分布耗盡區(qū)寬度注意：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。目前四頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.1pn結(jié)正偏：擴(kuò)散電流越過勢(shì)壘的概率↑內(nèi)建電場(chǎng)↓少子注入——結(jié)定律描述外加電壓對(duì)注入少子濃度的影響目前五頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.1pn結(jié)少子注入→少子擴(kuò)散少子擴(kuò)散電流密度總電流注意：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)長度大于少子的擴(kuò)散長度。——長二極管肖克利公式目前六頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.1pn結(jié)短二極管中性區(qū)長度比擴(kuò)散長度短耗盡區(qū)邊界，滿足結(jié)定律中性區(qū)邊界，不存在過剩少子擴(kuò)散區(qū)（中性區(qū)）內(nèi)，少子不復(fù)合流經(jīng)中性區(qū)的電流保持不變目前七頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.1pn結(jié)正偏：復(fù)合電流耗盡區(qū)不完全耗盡，存在復(fù)合電流。目前八頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.1pn結(jié)正偏：總電流理想因子1：擴(kuò)散電流為主2：復(fù)合電流為主目前九頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.1pn結(jié)反偏——反向飽和電流密度依賴于材料，依賴于外加電壓，依賴于溫度目前十頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.1pn結(jié)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。目前十一頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.1pn結(jié)PN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)散電流增加，而后者使勢(shì)壘產(chǎn)生電流增加。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。SiO2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。目前十二頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.1pn結(jié)注入比當(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。對(duì)于同質(zhì)結(jié)，所以決定同質(zhì)結(jié)注入比的是摻雜濃度，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。目前十三頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.1pn結(jié)注入比對(duì)于突變異質(zhì)結(jié)，對(duì)于緩變異質(zhì)結(jié)，因此為了得到有利的注入比，可選擇適合的長度和漸變方式，從而使能帶圖趨于平滑。一般來說，異質(zhì)結(jié)晶體管的發(fā)射結(jié)都是采用緩變的。目前十四頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.1pn結(jié)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7.4×105。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?，只有注入到基區(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)。目前十五頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.2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)WE與WB接近時(shí)，即要求NE

>>NB。(2)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：共基極接法、共發(fā)射極接法。目前十六頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.2.1基本原理基極相對(duì)于集電極和發(fā)射極的偏置電壓是公共的，稱為共基極（CB）電路發(fā)射極重?fù)诫s中性基區(qū)寬度WB目前十七頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.2.1基本原理EB正偏空穴注入基極電子注入發(fā)射極（少）CB反偏空穴驅(qū)趕到集電極熱產(chǎn)生電流（漏電流）B區(qū)內(nèi)，電子和空穴復(fù)合目前十八頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.2.1基本原理先計(jì)算發(fā)射極結(jié)的擴(kuò)散電流當(dāng)WB<<Lh時(shí)，即短二極管——發(fā)射極電流目前十九頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.2.1基本原理IE由EB結(jié)上的正向偏置VEB和基區(qū)寬度WB來決定當(dāng)不考慮復(fù)合時(shí)，IC=IE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)。共基極電路獲得功率增益目前二十頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.2.1基本原理共基極電流增益（晶體管的電流轉(zhuǎn)換率）理論值小于1發(fā)射極注入效率的限制基極復(fù)合的存在——基極傳輸因子——少子渡越時(shí)間理想目前二十一頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.2.1基本原理共基極電流增益τB時(shí)間內(nèi)復(fù)合的幾率為τB/

τp，穿越過基極的幾率為1-

τB/

τp——基極傳輸因子——共基極電流增益目前二十二頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.2.1基本原理再來考慮基極電流晶體管的電流增益目前二十三頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.2.1基本原理現(xiàn)在考慮集電極電流熱產(chǎn)生的漏電流？讓IE開路只有漏電流ICBO

晶體管的本質(zhì)是IE受VEB控制作用，即IC也受VEB控制。目前二十四頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.2.1基本原理直流特性厄利效應(yīng)目前二十五頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.2.1基本原理

可見，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

。目前二十六頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.2.1基本原理截止頻率特征頻率fTβ＝1所對(duì)應(yīng)的工作頻率（電流放大最高工作頻率）基區(qū)渡越時(shí)間發(fā)射極延遲時(shí)間減薄基區(qū)寬度WB，可采用淺結(jié)擴(kuò)散或離子注入技術(shù)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)。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。目前二十七頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)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。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。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。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。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)雙極型晶體管目前二十八頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)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)。這種設(shè)計(jì)可以顯著改進(jìn)器件的性能。自從1970年開始，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)開出來了，可采用SiGe，SiC和氧摻雜的Si來構(gòu)造發(fā)射極/基區(qū)異質(zhì)結(jié)。5.2.2異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管目前二十九頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)1HBT基本結(jié)構(gòu)臺(tái)面型離子注入型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。目前三十頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)1HBT基本結(jié)構(gòu)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。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)雙極型晶體管目前三十一頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)2HBT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。目前三十二頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)2HBT器件的直流特性5.2.2異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管則增益異質(zhì)結(jié)的注入比用寬帶材料做發(fā)射極可以使βmax達(dá)到105左右。但實(shí)際的晶體管達(dá)不到這個(gè)極限。目前三十三頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)2HBT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：即使是在NE<<NB的時(shí)候，也能獲得很高的βmax值。當(dāng)NB/NE為50-100時(shí)，為了獲得β>100，則ΔEg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)，ΔEg=0.39eV，注入效率顯著提高；

x>0.2時(shí)，AlGaAs層出現(xiàn)深施主，發(fā)射區(qū)電容增加。目前三十四頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)2HBT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)的空穴不是特別有效(所造成的β降低可以部分由基區(qū)電子速度增加來補(bǔ)償)，(2)可能會(huì)有基區(qū)雜質(zhì)的擴(kuò)散。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。目前三十五頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)2HBT器件的直流特性討論影響增益的因素：注入效率γ，它是注入電子電流In和總的發(fā)射極電流之比基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)αT

5.2.2異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管目前三十六頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)2HBT器件的直流特性假設(shè)基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)αT為1，即基區(qū)足夠薄，復(fù)合可忽略注入效率為增益為5.2.2異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管當(dāng)In>>Id時(shí)，發(fā)射極總電流IE≈In，則這說明復(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。目前三十七頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)2HBT器件的直流特性5.2.2異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管AlGaAs/GaAsHBT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。一般來說，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。n為二極管的理想化因子，其值在1-2之間。目前三十八頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)2HBT器件的直流特性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β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β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β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SiBJT來講，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。目前三十九頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)2HBT器件的直流特性假設(shè)注入效率足夠高，即γ=1增益為5.2.2異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管少子的擴(kuò)散長度越大，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。目前四十頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)2HBT器件的直流特性或者5.2.2異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管基區(qū)電子壽命基區(qū)渡越時(shí)間基區(qū)均勻摻雜，由擴(kuò)散控制基區(qū)緩變，由漂移控制為了獲得高的電流增益，τB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)，需要考慮速度過沖。目前四十一頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)2HBT器件的頻率特性在實(shí)際晶體管中并不要求增益無限制地增大，高增益甚至?xí)?dǎo)致器件特性不穩(wěn)定。異質(zhì)結(jié)注入比大的優(yōu)點(diǎn)并不完全用來增大增益，更重要的是用來提高晶體管的頻率特性。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。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)雙極型晶體管目前四十二頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)2HBT器件的頻率特性截止頻率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)間目前四十三頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)2HBT器件的頻率特性5.2.2異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管HBT的功率增益說明：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τB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，τB可進(jìn)一步減小。當(dāng)AlGaAs/GaAsHBT的發(fā)射極寬度為1.2μm時(shí)，器件的截止頻率可高達(dá)75GHz。目前四十四頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)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。目前四十五頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)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。目前四十六頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)請(qǐng)總結(jié)思考：HBT與SiBJT相比有哪些優(yōu)勢(shì)？5.2.2異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管目前四十七頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)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。它通過改變垂直于導(dǎo)電溝道的電場(chǎng)強(qiáng)度來控制溝道的導(dǎo)電能力，從而調(diào)制通過溝道的電流。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”。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：結(jié)型柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(縮寫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MESFET)劃歸此類；絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(縮寫IGFET)，MOSFET屬于此類；薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管(縮寫TFT)。5.3場(chǎng)效應(yīng)晶體管目前四十八頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)結(jié)型柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其柵極的控制作用是通過反向偏置pn結(jié)或肖特基結(jié)來實(shí)現(xiàn)的。其導(dǎo)電過程發(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”。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”。無論是“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)：體積小、重量輕、直流輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好等；與雙極型晶體管相比是一種電壓控制器件——通過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)晶體管目前四十九頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)以JFET為例，其基本結(jié)構(gòu)如圖5.3.1JEFT目前五十頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)JFET的工作原理5.3.1JEFT目前五十一頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)JFET的工作原理5.3.1JEFT目前五十二頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)JFET的工作原理5.3.1JEFT特性曲線目前五十三頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)JFET的工作原理IDS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。5.3.1JEFT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。目前五十四頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)JFET的名稱來源于在反偏的耗盡層中通過變化VGS來調(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)。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。發(fā)生夾斷后的區(qū)域稱為電流飽和區(qū)，需要注意的是JFET的飽和區(qū)是起放大作用的，與BJT的飽和區(qū)不要混淆。5.3.1JEFT目前五十五頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)JFET的工作原理5.3.1JEFT夾斷電壓

閾值電壓電壓增益目前五十六頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)表面場(chǎng)效應(yīng)概念的提出可以追溯到1926年。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。FET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。5.3.2MOSFET目前五十七頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)金屬-氧化物-半導(dǎo)體（有時(shí)叫做金屬-氧化物-硅）場(chǎng)效應(yīng)晶體管常常稱為MOSFET，也簡(jiǎn)稱為MOST（金屬-氧化物-半導(dǎo)體晶體管）。它歸屬于稱為IGFET（絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管）或MISFET（金屬-絕緣體-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。另一方面，MISFET則意指基于化合物半導(dǎo)體的IGFET。5.3.2MOSFET目前五十八頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)MOSFET的工作原理5.3.2MOSFET夾斷目前五十九頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.3.2MOSFET當(dāng)VGS<VT時(shí)，對(duì)任何VDS，都沒有電流ID。當(dāng)VGS>VT后，

ID先隨VDS線性增加，再趨向飽和。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)的意思是，在漏源之間需要一個(gè)超過VT的柵電壓來形成導(dǎo)電溝道。目前六十頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.3.2MOSFET閾值電壓MOSFET的閾值電壓VT是柵極下面的半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)強(qiáng)反型，從而出現(xiàn)導(dǎo)電溝道時(shí)所加的柵源電壓。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，還需要建立耗盡層電荷、抵消金-半之間接觸電勢(shì)差、以及補(bǔ)償氧化層中電荷。目前六十一頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)MESFET是金屬-半導(dǎo)體-場(chǎng)效應(yīng)晶體管的縮寫。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)。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。MESFET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)。目前，MESFET是高速和微波電路的主導(dǎo)器件。5.3.3GaAsMESFET

目前六十二頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.3.3GaAsMESFET

與硅基MOSFET器件性能相比，GaAsMESFET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。GaAs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。器件的有源層是生長在半絕緣的GaAs襯底上的，GaAs的電阻率高達(dá)107Ω·cm。而與此相對(duì)比，本征Si的典型電阻率為30Ω·cm。GaAs的少子壽命短。低的寄生電阻，較大的跨導(dǎo)，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目前六十三頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)MESFET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。MESFET的工作原理與JFET基本相同，但有兩點(diǎn)差異：

在長溝道(0.5~2μm)GaAs-MESFET中，速度飽和模型能較好地描述I-V特性；對(duì)于柵長<0.5μm的短溝道GaAs-MESFET，由于GaAs中電子的能量弛豫時(shí)間>>動(dòng)量弛豫時(shí)間，則電子的輸運(yùn)將是瞬態(tài)的，有明顯的速度過沖效應(yīng)(對(duì)短溝道Si器件，無明顯的速度過沖)。5.3.3GaAsMESFET

目前六十四頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.3.3GaAsMESFET

1基本結(jié)構(gòu)它是在半絕緣的GaAs襯底上外延生長一層n-GaAs作為有源層，并在該層上生長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。目前六十五頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)2直流特性MESFET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。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，以改變溝道開口。分析可知，如果沿溝道的電勢(shì)變化比垂直于溝道的小（相當(dāng)于L?α），則可使用漸變溝道近似，在該近似下可應(yīng)用一維解處理。5.3.3GaAsMESFET

目前六十六頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)2直流特性5.3.3GaAsMESFET

——FET晶體管的基本方程目前六十七頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)2直流特性5.3.3GaAsMESFET

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)。定性上講，若漏極偏置高于VD，sat，夾斷點(diǎn)開始向源極移動(dòng)。但是，夾斷點(diǎn)的電勢(shì)始終保持為VD，sat，而與VD無關(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。目前六十八頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)2直流特性5.3.3GaAsMESFET

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)之間的有效溝道長度減小的緣故。目前六十九頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)2直流特性以上分析都是基于假設(shè)為遷移率模式。在短溝道器件（L<1μm）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和飽和速度來表征。5.3.3GaAsMESFET

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，sat值。目前七十頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)2直流特性5.3.3GaAsMESFET

電子速率飽和時(shí)的臨界電場(chǎng)柵極長度短溝道下情況下的飽和電流經(jīng)驗(yàn)公式目前七十一頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)2直流特性5.3.3GaAsMESFET

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)遷移率模式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。目前七十二頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)2直流特性5.3.3GaAsMESFET

電壓增益AV

圖5.14實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的GaAsMESFET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、通過表面和溝道-襯底狀態(tài)導(dǎo)電的機(jī)制等。GaAsMESFET的增益隱含在跨導(dǎo)參數(shù)gm之中。目前七十三頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)3微波特性5.3.3GaAsMESFET

截止頻率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。這就要求：溝道的載流子有效速度要高；柵極長度要短；寄生電阻要小。目前七十四頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)4應(yīng)用GaAsMESFET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0.25μm溝道長度的器件，有望達(dá)到100GHz。MESFET也可用作微波功率器件，可施加約10V的電壓。無柵極的FET或飽和電阻器有時(shí)用作MESFET邏輯電路中的負(fù)載。5.3.3GaAsMESFET

目前七十五頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)GaAsMESFET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。同時(shí)，GaAsMESFET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。高電子遷移率晶體管（HEMT）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)展起來的一種異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)器件。5.3.4HEMT器件300K77KSiMOSFET6301500GaAsMESFET48006200HEMT800054000目前七十六頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.3.4HEMTHEMT的獨(dú)特性在于異質(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）。故又稱為二維電子氣場(chǎng)效應(yīng)晶體管（TEGFET）。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，且由于不存在雜質(zhì)散射而具有極高的遷移率。目前七十七頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.3.4HEMT1HEMT器件結(jié)構(gòu)AlGaAs/GaAsHEMT的截面結(jié)構(gòu)與能帶結(jié)構(gòu)首先在半絕緣GaAs襯底上采用MBE依次生長高純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，并通過離子刻蝕去除柵極面上的GaAs層，最后在AlGaAs表面沉積柵電極。目前七十八頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.3.4HEMT1HEMT器件結(jié)構(gòu)AlGaAs/GaAsHEMT的截面結(jié)構(gòu)與能帶結(jié)構(gòu)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界面處，在i-GaAs溝道中形成高遷移率溝道。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覆蓋層來過渡，形成低電阻的歐姆接觸。目前七十九頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.3.4HEMT1HEMT器件結(jié)構(gòu)AlGaAs/GaAsHEMT的截面結(jié)構(gòu)與能帶結(jié)構(gòu)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。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。目前八十頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.3.4HEMTHEMT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。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。1HEMT器件結(jié)構(gòu)AlGaAs/GaAsHEMT的截面結(jié)構(gòu)與能帶結(jié)構(gòu)目前八十一頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.3.4HEMT對(duì)于HEMT來說，AlGaAs層的厚度和Al組分都需要特別考慮。AlGaAs越薄，串聯(lián)電阻越小。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。提高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。但組分過大，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。目前八十二頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.3.4HEMT2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：當(dāng)器件飽和時(shí)，對(duì)于長溝道來說目前八十三頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.3.4HEMT2直流特性閾值電壓夾斷電壓跨導(dǎo)截止頻率目前八十四頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.3.4HEMT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)。對(duì)于短溝道器件，2-DEG面密度與柵壓無關(guān)，跨導(dǎo)為目前八十五頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.3.4HEMT3應(yīng)用由于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)用而開發(fā)的。頗為令人驚奇的是，后來發(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)。HEMT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，其溝道長度在0.25-0.5μm范圍。預(yù)期未來的極限速度將高達(dá)100GHz。目前八十六頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.3.4HEMT4當(dāng)代HEMT技術(shù)1)贗GaAsHEMT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。目前八十七頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.3.4HEMT4當(dāng)代HEMT技術(shù)1)贗GaAsHEMT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。目前八十八頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.3.4HEMT2)雙異質(zhì)結(jié)GaAsHEMT

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)。目前八十九頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.3.4HEMT3)晶格匹配贗InPHEMT

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襯底上生長出高質(zhì)量的InGaAs薄膜（In的含量可高于35%）。目前九十頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.3.4HEMT3)晶格匹配贗InPHEMT

InP的晶格常數(shù)比GaAs大，因而可在InP襯底上制作出完全無應(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InPHEMT。與GaAsHEMT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)。目前九十一頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.3.4HEMT4)形變GaAsHEMT

直接在GaAs襯底上生長高含量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。漸變目前九十二頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4半導(dǎo)體光源半導(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)體來制備的，這主要是基于以下兩個(gè)方面的原因：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；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。未來化合物半導(dǎo)體光子器件可用來構(gòu)建光電集成電路和光學(xué)計(jì)算機(jī)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，由通過器件的電流產(chǎn)生光的現(xiàn)象。LED（發(fā)光二極管）LD（激光二極管）目前九十三頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4半導(dǎo)體光源三種躍遷過程E2E1（a）自發(fā)輻射E2E1（c）受激輻射E2E1（b）受激吸收受激輻射與自發(fā)輻射雖然都是從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷并發(fā)射光子的過程，但這兩種輻射卻存在著重要的區(qū)別。最重要的區(qū)別在于光輻射的相干性，由自發(fā)輻射所發(fā)射的光子的頻率、相位、振動(dòng)方向都有一定的任意性，而受激輻射所發(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，即有高度的簡(jiǎn)并性。目前九十四頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4.1LED1LED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，稱為注入電致發(fā)光。目前九十五頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4.1LED1LED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)可見光譜，當(dāng)P組分<0.45時(shí)，為直接帶隙。目前九十六頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4.1LED2LED的結(jié)構(gòu)LED的結(jié)構(gòu)必須使得所發(fā)射的光子從器件逃逸而不是被材料吸收。首先在GaAs襯底上外延生長一層n+層，再外延生長一層p層。發(fā)射到n+區(qū)的光子或者被吸收或者被襯底反射回去，這取決于襯底的厚度和LED的結(jié)構(gòu)。目前九十七頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4.1LED2LED的結(jié)構(gòu)表面發(fā)光二極管側(cè)邊發(fā)光二極管在面發(fā)射結(jié)構(gòu)中，光輻射垂直于p-n結(jié)的平面；在邊發(fā)射結(jié)構(gòu)中，光被限制在平面內(nèi)，輻射方向與結(jié)平行。在這種結(jié)構(gòu)中通常將異質(zhì)結(jié)用于光限制（作為波導(dǎo)）和載流子限制（窄能隙）。光輸出有更多指向性。異質(zhì)結(jié)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可改善注入效率，這對(duì)兩種結(jié)構(gòu)都適用。目前九十八頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4.1LED2LED的結(jié)構(gòu)雙異質(zhì)結(jié)LED正偏壓時(shí)，n+p異質(zhì)結(jié)上的電子勢(shì)壘降低，使得n+層的導(dǎo)帶上的電子得以注入到p層。又由于p-p異質(zhì)結(jié)上存在勢(shì)壘，使得這些電子被限制在中間p層。因此寬帶隙的AlGaAs層將所注入的電子限制在窄帶隙的GaAs層，稱為限制層。注入的電子和p層的空穴復(fù)合發(fā)射的光子，在逃逸有源區(qū)時(shí)不會(huì)被寬帶隙的AlGaAs層吸收，從而能到達(dá)器件表面。目前九十九頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4.1LED2LED的結(jié)構(gòu)量子阱LED量子阱LED（QWLED）采用窄能隙材料形成量子阱，插在p-n結(jié)之間，當(dāng)阱厚度很窄時(shí)，電子和空穴分別從n型電極和p型電極注入到量子阱中。因?yàn)樽幽軒窃诹孔于鍍?nèi)形成的，所以光通過量子化子能帶之間的躍遷發(fā)射。目前一百頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4.1LED3LED的特性LED的內(nèi)量子效率p-n結(jié)附近產(chǎn)生的光在離開結(jié)時(shí)會(huì)經(jīng)歷光損耗。這些損耗可歸因于以下因素：（1）被半導(dǎo)體材料吸收，（2）當(dāng)光接近垂直于界面時(shí)在半導(dǎo)體/環(huán)境界面處有部分反射，（3）當(dāng)入射角大于斯涅耳臨界角時(shí)產(chǎn)生的全反射。LED的量子效率改善光效率的兩種結(jié)構(gòu)：半球形半導(dǎo)體確保光始終垂直于半導(dǎo)體/環(huán)境界面。增加一層折射率介于半導(dǎo)體和環(huán)境之間的環(huán)氧涂層。目前一百零一頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4.1LED3LED的特性LED的線寬LED發(fā)射的光子能量不簡(jiǎn)單的等于帶隙Eg，其輻射按能量分布。目前一百零二頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4.1LED3LED的特性LED的線寬輸出光譜中半強(qiáng)度點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)點(diǎn)之間的寬度。紅光GaAsPLED的典型輸出光譜，光功率-電流曲線，I-V曲線目前一百零三頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4.1LED4LED的應(yīng)用目前一百零四頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4.1LED4LED的應(yīng)用紅外LED

圖5.36紅外InP基LED玻璃光纖通信主要使用紅外LD和探測(cè)器。對(duì)于非常短距離的通信，有必要采用低成本的發(fā)光器件，如基于GaAs的波長范圍為0.8-0.9μm的紅外LED、和基于InP的波長為1.3μm的紅外LED。光纖通信對(duì)光源性能的要求是高亮度和高響應(yīng)速度。高亮度可采用DH結(jié)構(gòu)來獲得，高響應(yīng)速度可采用高摻雜濃度以減小載流子的壽命來實(shí)現(xiàn)。目前一百零五頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4.1LED4LED的應(yīng)用可見光LED介于紅光和綠光之間的可見光LED主要是由兩種化合物半導(dǎo)體制成的——GaP和GaAs。這也是為什么這兩種化合物半導(dǎo)體材料是最重要的半導(dǎo)體材料的一個(gè)原因。緊接其后的是基于GaN的短波長LED，基于Zn的半導(dǎo)體材料（如ZnSe、ZnTe和ZnO都是非常有應(yīng)用前景的短波長LED材料）。⑴紅光LED⑵黃光和橙光LED⑶綠光LED⑷藍(lán)光LED⑸白光LED目前一百零六頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4.1LED4LED的應(yīng)用⑴紅光LED

基于GaP基于PGaAs基于DH-AlGaAs目前一百零七頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4.1LED4LED的應(yīng)用⑵黃光和橙光LEDGaAsP的禁帶寬度可以通過調(diào)節(jié)組分來改變，其發(fā)射的波長范圍可由紅光變到黃光。在GaP襯底上外延生長所需組分的GaAsP，就可制作出黃光和橙色光LED。目前一百零八頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4.1LED4LED的應(yīng)用⑶綠光LED基于N摻雜的GaP的黃綠光LEDZnTe材料制作純的綠光LEDGaAs外延ZnSe結(jié)構(gòu)的藍(lán)綠光LED

基于GaN的藍(lán)綠光LED目前一百零九頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4.1LED4LED的應(yīng)用⑷藍(lán)光LED基于SiC基于GaN目前一百一十頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4.1LED4LED的應(yīng)用⑷白光LED最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方式是采用三個(gè)RGBLED目前一百一十一頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4.1LED4LED的應(yīng)用⑷白光LED藍(lán)光LED激發(fā)黃色磷光來實(shí)現(xiàn)LED發(fā)射藍(lán)光，然后部分藍(lán)光被磷光體轉(zhuǎn)化為黃光，（黃色為紅色和綠色的混合色），再藍(lán)、黃混合獲得“白”光。LED有望替代現(xiàn)有的白熾光源。目前一百一十二頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4.1LED4LED的應(yīng)用紫外LED紫外LED非常重要，它不僅是可用于白光LED的光源，而且還有其他各種用途，諸如氣體分解，除臭，驗(yàn)鈔等。近紫外（NUV）LED可用InGaN基材料作為發(fā)射層極紫外LED則可采用Al(In)GaN基材料作為發(fā)射層多量子阱（MQW）有源層的極紫外LED結(jié)構(gòu)目前一百一十三頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4.2LD激光器（laser）這一名稱源自受激輻射光放大器（lightamplificationbystimulatedemissionofradiation）的英文縮寫。激光器是從微波激射器演變而來，微波激射器即是受激輻射微波放大器。它們之間的差別在于輸出頻率的范圍不同。激光器和微波激射器兩種器件的工作原理都是基于20世紀(jì)10年代Einstein提出的受激輻射現(xiàn)象。激光器介質(zhì)可以是氣體、液體、非晶態(tài)固體或半導(dǎo)體。半導(dǎo)體激光器也稱為注入式激光器、結(jié)型激光器或激光二極管。目前一百一十四頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4.2LD1激光振蕩原理二能級(jí)體系的基本光學(xué)過程考慮能量為E1和E2、電子濃度為N1和N2的二能級(jí)體系的光學(xué)過程，這不一定局限于半導(dǎo)體。三個(gè)主要的過程：（a）吸收（b）自然發(fā)射（c）受激發(fā)射光電探測(cè)器和太陽能電池的基本過程。自然發(fā)射產(chǎn)生的光在空間和時(shí)間上呈隨機(jī)性（非相干），這是LED的主要機(jī)理。受激發(fā)射需要光子輸入來激發(fā)電子躍遷，以產(chǎn)生相同波長和相位的另一個(gè)光子（相干）。它是激光振蕩的主要機(jī)理。目前一百一十五頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4.2LD1激光振蕩原理二能級(jí)體系的基本光學(xué)過程光強(qiáng)（或光子數(shù)Nhν）的凈變化為受激發(fā)射＋自然發(fā)射－吸收自然發(fā)射在發(fā)射激光過程中可忽略不計(jì)，且可證明B21=B12

所以光增益要求N2>N1

——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。

目前一百一十六頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4.2LD1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：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：也就是增益要大于總的損耗。F-P腔目前一百一十七頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4.2LD2LD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)N2>N1。某個(gè)hv>Eg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)過程是雪崩似的，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。目前一百一十八頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4.2LD2LD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。這可以通過腐蝕、拋光或最通用的自然解理來實(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。目前一百一十九頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4.2LD2LD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。目前一百二十頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4.2LD2LD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。目前一百二十一頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4.2LD3LD特性閾值電流低于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)是由于形成了相干光，重復(fù)反射的光必須與諧振腔內(nèi)其余的光同相。多線振蕩稱為縱模。在更大的電流下，縱模數(shù)減少。目前一百二十二頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4.2LD3LD特性閾值電流功率效率目前一百二十三頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4.2LD3LD特性優(yōu)點(diǎn)：LD的響應(yīng)速度較快，可用于較高的調(diào)制速率。LD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中由于沒有選擇波長的諧振腔，所以它的光譜是自發(fā)輻射的光譜。其譜寬度一般為0.03~0.04μm。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)，而LED的發(fā)散角一般在40°～20°范圍內(nèi)，耦合到光纖中的效率較低，通常只有3%左右。LD的輸出光強(qiáng)及效率較高，LED的輸出光強(qiáng)及效率較低。目前一百二十四頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4.2LD3LD特性缺點(diǎn)：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沒有閾值電流，故其溫度特性較好。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。LD價(jià)格昂貴，LED比較便宜。LD的P-I曲線不如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。目前一百二十五頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4.2LD4應(yīng)用激光器是現(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選擇在1.3到1.5μm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）。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)。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。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切割金屬、鉆孔（也用于木材和陶瓷）和焊接。目前一百二十六頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.4.2LD4應(yīng)用激光束可燒斷集成電路中用于連接的金屬互連。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（3-12μm波長）及氣象學(xué)，它也是很好的分析工具。在一般商業(yè)應(yīng)用中，它已廣泛應(yīng)用于小型音頻光盤（CD）和視頻光盤（DVD）播放機(jī)、復(fù)印機(jī)及打印機(jī)。目前一百二十七頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.6半導(dǎo)體光電探測(cè)器半導(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。探測(cè)器光子探測(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電效應(yīng)。探測(cè)器吸收光子后，直接引起原子或分子的內(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)）內(nèi)光電效應(yīng)本征型光電效應(yīng)非本征型光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)溫度變化體積變化電阻變化電勢(shì)變化熱釋電效應(yīng)目前一百二十八頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.6半導(dǎo)體光電探測(cè)器光子器件熱電器件響應(yīng)波長有選擇性，一般有截止波長，超過該波長，器件無響應(yīng)響應(yīng)波長無選擇性，對(duì)可見光到遠(yuǎn)紅外的各種波長的輻射同樣敏感響應(yīng)快，吸收輻射產(chǎn)生信號(hào)需要的時(shí)間短，一般為納秒到幾百微秒響應(yīng)慢，一般為幾毫秒目前一百二十九頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.6半導(dǎo)體光電探測(cè)器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。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)。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）。

目前一百三十頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.6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)生的光電流探測(cè)器的量子效率η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)量目前一百三十一頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.6.1光電導(dǎo)探測(cè)器它是開發(fā)的第一種量子光電探測(cè)器，在此之前的很長一段時(shí)期內(nèi)都只有光熱電探測(cè)器。1873年，Smith發(fā)現(xiàn)了硒的光電導(dǎo)性。典型結(jié)構(gòu)InSb、HgCdTe材料兩個(gè)接觸之間的水平部分暴露在光照下。在這種結(jié)構(gòu)中，通常為輕摻雜的有源半導(dǎo)體層淀積在半絕緣襯底上，形成外延異質(zhì)結(jié)構(gòu)。目前一百三十二頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.6.1光電導(dǎo)探測(cè)器特性入射光子的能量高于半導(dǎo)體Eg，半導(dǎo)體電導(dǎo)率隨之增加。被半導(dǎo)體所吸收的光會(huì)產(chǎn)生空穴-電子對(duì)，這會(huì)導(dǎo)致電導(dǎo)率的增加。在外加電場(chǎng)的作用下，所產(chǎn)生的空穴和電子在復(fù)合前被分離，且在相應(yīng)的電極上進(jìn)行復(fù)合。暗電流光電流增益目前一百三十三頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.6.1光電導(dǎo)探測(cè)器增益隨τ、μ、V和1/L2而增加。在實(shí)際器件中，容易得到約為1000的增益。為使增益最大，偏置應(yīng)該較高，但通常受到擊穿機(jī)理和空間電荷的限制。工作電壓可以從數(shù)伏變化到數(shù)百伏。載流子壽命τ應(yīng)該長，但是又會(huì)降低器件的關(guān)斷速度。在速度是重要因素的應(yīng)用中，通過有意引入復(fù)合中心，可人為地縮短壽命，但以降低增益和靈敏度為代價(jià)。響應(yīng)時(shí)間約為1ps的超高速光電導(dǎo)探測(cè)器已有報(bào)道。在某些實(shí)際器件，金屬接觸為交叉指形，如圖所示。這樣便可利用大的W使感光面積最大，同時(shí)利用小的L提高增益。目前一百三十四頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.6.2p-i-n光電二極管p-i-n光電二極管是最常用的光電探測(cè)器之一，有時(shí)簡(jiǎn)稱為光電二極管。20世紀(jì)40年代后期開發(fā)的p-n結(jié)可應(yīng)用于許多光子器件，如20世紀(jì)50年代的光電二極管、太陽能電池及LED。20世紀(jì)50年代后期開發(fā)的p-i-n光電二極管是對(duì)常規(guī)p-n結(jié)光電二極管的改進(jìn)。半導(dǎo)體反偏pn結(jié)的耗盡層引起空穴和電子的分離。當(dāng)光子進(jìn)入該器件，則會(huì)產(chǎn)生空穴-電子對(duì)。耗盡層的電場(chǎng)足夠高以便可以分離空穴和電子，且把這些載流子送到各自主要載流子區(qū)域。目前一百三十五頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.6.2p-i-n光電二極管典型結(jié)構(gòu)替換簡(jiǎn)單pn結(jié)結(jié)構(gòu)的探測(cè)器的是p-i-n結(jié)構(gòu)，區(qū)域“i”是指本征層，或是p-層，或是n-層。在沒有偏壓或是負(fù)偏壓的情況下，耗盡層會(huì)延伸到整個(gè)i區(qū)。通常頂部的p+層比較薄，以保證頂部接觸層的吸收小到幾乎可以忽略。大多數(shù)的吸收發(fā)生在“i”層或n-層圖(b)為異質(zhì)結(jié)p-i-n光電二極管的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)非常靈活，可從襯底接收光，使襯底具有較大的能隙，因此對(duì)于入射光來說是透明的。這種倒置結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于可避免了由于金屬接觸造成的感光面積的損失。從速度方面考慮，結(jié)面積最小化是減小結(jié)電容的重要因素，而臺(tái)面結(jié)構(gòu)則有助于達(dá)到這一目的。另一方面，來自探測(cè)器一邊的光可平行通過結(jié)。這樣就有可能減小本征層厚度、縮短渡越時(shí)間、從而提高速度，但代價(jià)是降低了量子效率。目前一百三十六頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.6.2p-i-n光電二極管特性厚本征層主要有兩方面的優(yōu)點(diǎn)：(1)有效收集光生載流子，(2)減小結(jié)電容工作時(shí)，p-i-n光電二極管適當(dāng)反偏，以確保整個(gè)本征層完全耗盡。于是由RC延遲產(chǎn)生的速度限制可降到最低。為此，本征層厚度應(yīng)該大于吸收長度以完全吸收，但不能太厚而延遲響應(yīng)。量子效率目前一百三十七頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.6.2p-i-n光電二極管為了得到高的量子效率，常采用增加一層防反射層來使得二極管的反射率盡可能小，使得反射率Rr≈0。同樣，αW>>1使得ηext接近1，但這是以犧牲渡越時(shí)間為代價(jià)得到的，因而頻率響應(yīng)很小。需要說明的是，p-i-n光電二極管沒有增益（增益=1）。

目前一百三十八頁\總數(shù)一百五十三頁\編于六點(diǎn)5.6.2p-i-n光電二極管應(yīng)用與高增益光電探測(cè)器如雪崩光電二極管和光電晶體管相比，盡管p-i-n光電二極管沒有增益，但它隨光強(qiáng)變化的線性度更好、且量子效率更高。它之所以引人注目是因?yàn)槠涑杀镜?、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單