宁永强半导体材料讲稿第六章 IIIV半导体激光PPT课件
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半导体物理与器件ppt课件

2.23
h h K为波数=2π/λ, λ为波长。 2mE 15 P
2.3薛定谔波动方程的应用
2.3.2无限深势阱(变为驻波方程) 与时间无关的波动方程为:
2 x 2m 2 E V x x 0 2 x
2.13
由于E有限,所以区域I和III 中:
课程主要内容
固体晶格结构:第一章 量子力学:第二章~第三章 半导体物理:第四章~第六章 半导体器件:第七章~第十三章
1
绪论
什么是半导体
按固体的导电能力区分,可以区分为导体、半导体和绝缘体
表1.1 导体、半导体和绝缘体的电阻率范围 材料 电阻率ρ(Ωcm) 导体 < 10-3 半导体 10-3~109 绝缘体 >109
分别求解与时间无关的波动方程、与时间有关的波 动方程可得自由空间中电子的波动方程为:
j j x, t A exp x 2mE Et B exp x 2mE Et
2.22
说明自由空间中的粒子运动表现为行波。 沿方向+x运动的粒子: x, t A exp j kx t
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2.3薛定谔波动方程的应用
无限深势阱(前4级能量)
随着能量的增加,在任意给 定坐标值处发现粒子的概率 会渐趋一致
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2.3薛定谔波动方程的应用
2.3.3阶跃势函数
入射粒子能量小于势垒时也有一定概率穿过势垒 (与经典力学不同)
20
2.3薛定谔波动方程的应用
2.3.3阶跃势函数 Ⅰ区域 21 x 2mE 2 1 x 0 2.39 2
半导体材料总结ppt课件

ppt课件.
23
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GaAs电学性质
电子迁移率高达 8000cm2 VS
GaAs中电子有效质量为自由电子的1/15, 是硅电子的1/3
用GaAs制备的晶体管开关速度比硅的快 3~4倍
高频器件,军事上应用
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24
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本征载流子浓度
T 3 0 0 K n i 1 .3 1 0 6/c m 3
体心原子的划分,属于每个晶胞 1
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9
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(c)面心立方晶体 6个面中心各有1个原子, 6*1/2=3原子; 8个顶角各有1个原子,8*1/8=1个原子。 每个面心立方晶胞有4个原子。
ppt课件. 面心原子的划分,属于每个晶胞 110/2
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(2)半导体材料的能带结构
间接带隙结构 直接带隙结构
∶ ∶
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4
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按组成
元素半导体 无机半导体
化合物半导体
有机半导体
按结构
晶体
单晶半导体 多晶半导体
非晶、无定形半导体
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5
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3.半导体材料的基本性质及应用
(1)半导体的晶体结构 (2)半导体的能带结构 (3) 半导体的杂质和缺陷 (4) 半导体的电学性质 (5) 半导体的光学性质
带隙大小
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(3) 半导体的杂质和缺陷
轻掺杂
掺杂浓度为1017 cm-3 杂质离子100%电离
中度掺杂 掺杂浓度为1017~1019 cm-3 载流子浓度低于掺杂浓度
重掺杂 掺杂浓度大于1019 cm-3
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硅中的杂质
1. n型掺杂剂:P,As,Sb
半导体器件的基础知识幻灯片PPT

将而要施主出杂现质电因子失数去一大个于价空电穴子数成为或正空离穴子数。大而在于这电种子半数导。体 把 数中目载多流的子载主流要子是称自多数由 载电流子子,,自数由目电少子的带载负流子电 称荷少 数〔载Ne流ga子tiv。e〕是,自故由命电名为子N为型多半数导体还。是于空是穴用为这样多的数示,意取图 决 于表掺示。杂物质。少数载流子的浓度取决本征激发。
2. P型半导体
+4
+4
+4
+4
++43
+4
P型
+4
+4
+4
受主杂质
受主杂质容易获得一个价电子成为负离子,而在这种半 导体中载流子主要是空穴,空穴带正电荷〔Positive〕故命 名为P型半导体。于是用这样的示意图表示。
P型半导体中的多数载流子为空穴,少数载流子 为自由电子
1.1.4 PN结
1.PN结的形成
导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体, 这类材料大都是三、四、五价元素,主要有:硅、锗、磷、
硼、在砷这、铟里等,,我他们们的的电目阻的率不在是10研-3~究10半7欧导.厘体米材。料 , 而是借助半导体材料的特性来建立一些概念和术 语半,导体如材多料数的、广少泛数应用载,流并子不,是P因型为半它导们的体导、电N能型力半介 于导导体体与,绝P缘N体结之,间载,而流是子它的们扩具散有一与些漂重移要运特动性:, PN 结1〕的当正半反导偏体置受,到外PN界结光的和热导的通激与发截〔止本等征。激发〕时,
2.PN结的单向导电性
1〕PN结的电阻
2〕由导于通空的间含电义荷区中的载流子极少,故PN结 改 的的的降3在〕厚导截变外电多落实P止度通和 加P阻,在N用N。越,控 电P很 假结结中N厚是制 压大 设的电结,电指电,, 在偏阻上为P阻此阻P与 两置。的N了的称越P端结大区改大为大加呈小和变小给电,现与N、。P压反区低N空控常,之结的电间制在可越设体阻电P认P小电置NN值荷为。结阻偏结,区其所N的相置上的反电谓厚比电加厚之压P要度压上度,N全大,一,有结 称部定简以关的 为, 称偏置。
2. P型半导体
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P型
+4
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受主杂质
受主杂质容易获得一个价电子成为负离子,而在这种半 导体中载流子主要是空穴,空穴带正电荷〔Positive〕故命 名为P型半导体。于是用这样的示意图表示。
P型半导体中的多数载流子为空穴,少数载流子 为自由电子
1.1.4 PN结
1.PN结的形成
导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体, 这类材料大都是三、四、五价元素,主要有:硅、锗、磷、
硼、在砷这、铟里等,,我他们们的的电目阻的率不在是10研-3~究10半7欧导.厘体米材。料 , 而是借助半导体材料的特性来建立一些概念和术 语半,导体如材多料数的、广少泛数应用载,流并子不,是P因型为半它导们的体导、电N能型力半介 于导导体体与,绝P缘N体结之,间载,而流是子它的们扩具散有一与些漂重移要运特动性:, PN 结1〕的当正半反导偏体置受,到外PN界结光的和热导的通激与发截〔止本等征。激发〕时,
2.PN结的单向导电性
1〕PN结的电阻
2〕由导于通空的间含电义荷区中的载流子极少,故PN结 改 的的的降3在〕厚导截变外电多落实P止度通和 加P阻,在N用N。越,控 电P很 假结结中N厚是制 压大 设的电结,电指电,, 在偏阻上为P阻此阻P与 两置。的N了的称越P端结大区改大为大加呈小和变小给电,现与N、。P压反区低N空控常,之结的电间制在可越设体阻电P认P小电置NN值荷为。结阻偏结,区其所N的相置上的反电谓厚比电加厚之压P要度压上度,N全大,一,有结 称部定简以关的 为, 称偏置。
半导体材料的基本特性 ppt课件

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芯片可靠性
芯片可靠性致力于趋于芯片寿命的功能的能力,通过严格 的诸如无颗粒空气净化间的使用以及控制化学试剂的纯度 来控制玷污
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降低芯片价格
由于特征尺寸的减小使得硅片上集成的晶体管增多降低了 成本。 半导体产品市场大幅度增长引入了制造的规模经济
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微电子技术发展展望
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提高芯片的性能
关键尺寸 芯片上的最小物理尺寸 芯片上器件尺寸的相应缩小是按比例进行的,仅减小一个 尺寸是不可接受的。
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每块芯片上的元件数 减小一块芯片的关键尺寸使得可 以在硅片上制造更多的元件 ,由于芯片数增加性能也得 到提高。
摩尔定律
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功耗 真空管耗费很大功率,而半导体器件确实耗用很 小的功率,随着器件的微型化,功耗相应减小,尽管晶体 管数以惊人的速度增为什么有如此的发展速度
第一:集成电路业属于非资源耗尽型的环保类产业,原始材 料是地壳中的二氧化硅。
第二:集成电路的设计与制造技术中高新技术含量和技术赋 加值极高 ,产出效益好。
第三:集成电路的设计与制造业是充满技术驱动的效益驱动 的高活性产业
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半导体的趋势
★ 提高芯片性能 ★ 提高芯片的可靠性 ★ 降低芯片的成本
★衬底必须是纯净的 ★单晶硅片 ★晶体的基本形态
单晶 多晶 非晶 ★综合指标要求 导电类型 N型或P型
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集成电路的制造步骤
★硅片制造 ★硅片制备 ★硅片测试/拣选 ★装配与封装 ★终测
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★硅片制备 在这一阶段,将硅从沙中提炼并纯化,经过特 殊工艺生产适当直径的硅锭,然后将硅锭切割。
《半导体材料》PPT课件

• 电子能级:能量单位是电子伏特(ev), 代表一个电子从低电势处移动到高出1V的 电势处所获得的动能。
• 价电子层:给定一种原子,最外部的电子 层就是价电子层,对原子的化学和物理性 质具有显著的影响。
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6
• 固体能带论:解释了固体材料中电子怎样 改变轨道能级。
• 离子:当原子失去或得到一个或多个电子 时成为离子。
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46
• 当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时, 交界面形成稳定的空间电荷区,即PN结 处于动态平衡。PN结的宽度一般为0.5um。
• PN结在未加外加电压时,扩散运动与漂移 运动处于动态平衡,通过PN结的电流为零。
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47
2.9半导体二极管的结构 1.点接触型二极管的结构
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25
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26
硅的熔点是1412℃,是一种质硬的脆性材料,变 形很容易破碎,与玻璃相似。可以抛光得像镜面 一样平整。
本征半导体: 不含任何杂质和缺陷的纯净半导体, 其纯度在99.999999%(8~10个9)。
掺杂半导体:把特定的元素引入到本征半导体中, 可提高本征半导体的导电性。
Jn qDnn J p qDpp
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39
总的电流扩散密度为:
J Jn Jp
qD nnqD pp
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40
2.6载流子的迁移率 迁移率:漂移速度与外加电场强度之间的比例常数。
v E
载流子被电场加速的同时,将与晶格格点和晶格 中的杂质碰撞产生散射,各种散射机构决定了载 流子的迁移率的大小。
介电常数:介电材料是电容器中的关键部 分。介电常数K已经成为一个重要的半导体 性能参数。
• 价电子层:给定一种原子,最外部的电子 层就是价电子层,对原子的化学和物理性 质具有显著的影响。
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6
• 固体能带论:解释了固体材料中电子怎样 改变轨道能级。
• 离子:当原子失去或得到一个或多个电子 时成为离子。
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• 当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时, 交界面形成稳定的空间电荷区,即PN结 处于动态平衡。PN结的宽度一般为0.5um。
• PN结在未加外加电压时,扩散运动与漂移 运动处于动态平衡,通过PN结的电流为零。
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2.9半导体二极管的结构 1.点接触型二极管的结构
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硅的熔点是1412℃,是一种质硬的脆性材料,变 形很容易破碎,与玻璃相似。可以抛光得像镜面 一样平整。
本征半导体: 不含任何杂质和缺陷的纯净半导体, 其纯度在99.999999%(8~10个9)。
掺杂半导体:把特定的元素引入到本征半导体中, 可提高本征半导体的导电性。
Jn qDnn J p qDpp
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总的电流扩散密度为:
J Jn Jp
qD nnqD pp
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2.6载流子的迁移率 迁移率:漂移速度与外加电场强度之间的比例常数。
v E
载流子被电场加速的同时,将与晶格格点和晶格 中的杂质碰撞产生散射,各种散射机构决定了载 流子的迁移率的大小。
介电常数:介电材料是电容器中的关键部 分。介电常数K已经成为一个重要的半导体 性能参数。
《半导体器件》课件

总结词
高效转换,环保节能
详细描述
在新能源系统中,半导体器件用于实现高效能量转换和 环保节能。例如,太阳能电池板中的硅基太阳能电池可 以将太阳能转换为电能,而LED灯中的发光二极管则可 以将电能转换为光能。
THANKS
感谢观看
总结词
制造工艺复杂
详细描述
集成电路的制造工艺非常复杂,需要经过多个步骤和工艺 流程。制造过程中需要精确控制材料的物理和化学性质, 以确保器件的性能和可靠性。
总结词
具有小型化、高性能、低功耗等特点
详细描述
集成电路具有小型化、高性能、低功耗等特点,使得电子 设备更加轻便、高效和节能。同时,集成电路的出现也推 动了电子产业的发展和进步。
总结词
由半导体材料制成
详细描述
双极晶体管通常由半导体材料制成,如硅或锗。这些材料 在晶体管内部形成PN结,是实现放大和开关功能的关键 结构。
总结词
正向导通,反向截止
详细描述
在正向偏置条件下,双极晶体管呈现低阻抗,电流可以顺 畅地通过。在反向偏置条件下,双极晶体管呈现高阻抗, 电流被截止。
场效应晶体管
05
CATALOGUE
半导体器件的应用
电子设备中的半导体器件
总结词
广泛使用,基础元件
详细描述
在电子设备中,半导体器件是最基本的元件 之一,用于实现信号放大、传输和处理等功 能。例如,二极管、晶体管和集成电路等是 电子设备中不可或缺的元件。
通信系统中的半导体器件
总结词
高速传输,信号处理
详细描述
在通信系统中,半导体器件用于信号的高速 传输和处理。例如,激光二极管用于光纤通
总结词
通过电场控制电流的电子器件
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11
12
载流子与光学约束:如双异质结激光所示, 由于双异质结势垒而使载流子在有源区 的两端都被约束住,而同质结激光的载 流子则可离开发生辐射性复合的有源区。 在双异质结激光中,由于有源区内外折 射率差别光被限制在有源区内
一个三层介质的波导,其折射率分别为 n1,n2和n3,其中有源层如三明治般被夹 在两个约束层之间。
在n2>n1>n3的条件下,第一层和第二层 界面的光线角度θ12超过临界角。而第二 层和第三层界面间的θ23也有相似的情况 发生。
因此当有源层的折射率大于周围的折射 率时,光学辐射就被导引(约束)在与各 层界面平行的方向上。
13
半导体双异质结对电子、光子限制
Conduction band edge
3
6.1 半导体激光器基本原理
4
5
激光器工作的三要素 增益放大介质
粒子数反转 光反馈谐振腔
驻波振荡 阈值条件
腔增益=损耗
6
半导体能带和p-n结复合-发光: :
7
8
9
10
半导体激光工作原理 简并型半导体间形成的p-n结或异
质结,这表示在结两端的掺杂能级 甚高,以致于在p型区的费米能级 EFV比价带的边缘还低,而在n型区 的费米能级EFC则高于导带的边缘。 当外加一足够大的偏压时,会产生 大注入的情况,亦即会有很高浓度 的电子与空穴注入转移。 结果在结区域中,导带有大量的电 子而价带则拥有大量的空穴,这就 是分布反转所需的条件。
Eg2
Eg1
Valence band edge
z
14
15
法布里-波罗腔被广 泛地应用在近代的 半导体激光器中。
沿着垂直于<110> 轴的方向劈成一对 平行面,外加适当 的偏压条件时,激 光就能从这些平面 发射出来
16
17
18Biblioteka 19Using a quantum well as active region has several advantages: First, since the band gap increases outside the quantum well (QW), only the QW-region has
to be pumped to generate inversion. Since this volume is very small, the injection current density is reduced by about three orders of magnitude in comparison to homo-junction lasers. Second, the carriers are efficiently captured by the QW’s barrier making it unnecessary to dope the regions close to the junction. The efficiency of radiative recombination reaches more than 90% in modern standard devices, material of highest quality allows for efficiencies of nearly 100%. On the other hand, the low doping results in laser structures with very low internal loss. As a consequence, QW’s opened a way to long lasers of high external efficiency. The reduction of thermal and series resistance by lengthening the lasers up to 4mm for single emitters and 2mm for bars allows the high power of about 4W of 100μm stripe-single emitters and more than 50Wof laser bars, respectively. Third, the quantum well is a layer of about 10-nm thickness. Such thin layers allow for material compositions with lattice constant not fully matching that of GaAs. By replacing gallium partly (typically a few percent) with indium, the addressable wavelength range can be extended up to 1,100 nm. The introduced strain improves the distribution of density of states further and allows threshold current densities of typically 200A/cm2 for high-power semiconductor lasers. By replacing Arsenic with Phosphorous, the wavelength range can be extended down to 730 nm.
20
21
22
Laser waveguides
Vertical confinement Lateral confinement
第五章 III-V族半导体激光
1
整体概况
+ 概况1
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概况2
+ 您的内容打在这里,或者通过复制您的文本后。
概况3
+ 您的内容打在这里,或者通过复制您的文本后。
2
6.1 半导体激光器基本原理 6.2 III-V族激光材料 6.3 半导体激光器工艺 6.4 当前的产业情况
12
载流子与光学约束:如双异质结激光所示, 由于双异质结势垒而使载流子在有源区 的两端都被约束住,而同质结激光的载 流子则可离开发生辐射性复合的有源区。 在双异质结激光中,由于有源区内外折 射率差别光被限制在有源区内
一个三层介质的波导,其折射率分别为 n1,n2和n3,其中有源层如三明治般被夹 在两个约束层之间。
在n2>n1>n3的条件下,第一层和第二层 界面的光线角度θ12超过临界角。而第二 层和第三层界面间的θ23也有相似的情况 发生。
因此当有源层的折射率大于周围的折射 率时,光学辐射就被导引(约束)在与各 层界面平行的方向上。
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半导体双异质结对电子、光子限制
Conduction band edge
3
6.1 半导体激光器基本原理
4
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激光器工作的三要素 增益放大介质
粒子数反转 光反馈谐振腔
驻波振荡 阈值条件
腔增益=损耗
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半导体能带和p-n结复合-发光: :
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半导体激光工作原理 简并型半导体间形成的p-n结或异
质结,这表示在结两端的掺杂能级 甚高,以致于在p型区的费米能级 EFV比价带的边缘还低,而在n型区 的费米能级EFC则高于导带的边缘。 当外加一足够大的偏压时,会产生 大注入的情况,亦即会有很高浓度 的电子与空穴注入转移。 结果在结区域中,导带有大量的电 子而价带则拥有大量的空穴,这就 是分布反转所需的条件。
Eg2
Eg1
Valence band edge
z
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法布里-波罗腔被广 泛地应用在近代的 半导体激光器中。
沿着垂直于<110> 轴的方向劈成一对 平行面,外加适当 的偏压条件时,激 光就能从这些平面 发射出来
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18Biblioteka 19Using a quantum well as active region has several advantages: First, since the band gap increases outside the quantum well (QW), only the QW-region has
to be pumped to generate inversion. Since this volume is very small, the injection current density is reduced by about three orders of magnitude in comparison to homo-junction lasers. Second, the carriers are efficiently captured by the QW’s barrier making it unnecessary to dope the regions close to the junction. The efficiency of radiative recombination reaches more than 90% in modern standard devices, material of highest quality allows for efficiencies of nearly 100%. On the other hand, the low doping results in laser structures with very low internal loss. As a consequence, QW’s opened a way to long lasers of high external efficiency. The reduction of thermal and series resistance by lengthening the lasers up to 4mm for single emitters and 2mm for bars allows the high power of about 4W of 100μm stripe-single emitters and more than 50Wof laser bars, respectively. Third, the quantum well is a layer of about 10-nm thickness. Such thin layers allow for material compositions with lattice constant not fully matching that of GaAs. By replacing gallium partly (typically a few percent) with indium, the addressable wavelength range can be extended up to 1,100 nm. The introduced strain improves the distribution of density of states further and allows threshold current densities of typically 200A/cm2 for high-power semiconductor lasers. By replacing Arsenic with Phosphorous, the wavelength range can be extended down to 730 nm.
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Laser waveguides
Vertical confinement Lateral confinement
第五章 III-V族半导体激光
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整体概况
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概况3
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6.1 半导体激光器基本原理 6.2 III-V族激光材料 6.3 半导体激光器工艺 6.4 当前的产业情况