几种重要的微电子器件
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– 形成光谐振腔，使受激辐射光子增生，产生受激振 荡，导致产生的激光沿谐振腔方向发射
– 满足一定的阈值条件，使电子增益大于电子损耗， 即激光器的电流密度必须大于产生受激发射的电流 密度阈值
8.4 光电探测器
• 光电探测器：对各种光辐射 进行接收和探测的器件
–热探测器 –光子探测器
• 热探测器：利用探测元吸收入射光(通 常是红外光)产生热量，引起温度上升， 然后再借助各种物理效应把温度的变 化转变成电学参量
大的推进作用
扩散电流： （1） 包括电子扩散电流和空穴扩散电流 空间电荷区复合电流： （2）
通常w ＜＜Ln、Lp，所以耗尽区两侧Ln、Lp长度内的扩散 电流是导致二极管辐射复合的主要电流。
外量子效率：从半 导体中实际发射出 的光子数占产生的 总光子数的比例。
GaAs的内量子 效率可达50％，而 外量子效率仅1％左 右。
8.1 光电子器件
• 光电子器件：光子担任主要角色的电子器件
– 发光器件：将电能转换为光能 • 发光二极管(Light Emitting Diode，缩写 LED) • 半导体激光器（Laser Diode,缩写 LD）
– 太阳能电池：将光能转换为电能 – 光电探测器：利用电子学方法检测光信号
8.1 固体中的光吸收和光发射
– 1907年观察到电流通过硅检波器时发黄光现象 – 1923年在碳化硅检波器中观察到类似的现象 – 1955年观察到III-V族化合物中的辐射 – 1961年观察到磷化镓pn结的发光 – 60年代初期GaAs晶体制备技术的显著发展 – 1962年制成GaAs发光二极管和GaAs半导体激光器 – 异质结的发展对结型发光器件性能的提高也起了很
（b）：自发辐射 （c）：受激发射
自发发射的种类：
1）光致发光； 2）阴极射线发光； 3）放射线发光； 4）电致发光
带间跃迁：a 导带底至价带顶的跃迁 非本征跃迁：c、d、e ； 带内电子跃迁：f
辐射效率（内量子效率）： ηr＝单位时间内产生的光子数/单位时间内注入的非平衡载流子数
Eg＝hν ＝ 1.24/λ（eV）
4）线阵或面阵型图像传感器驱动电路
Hale Waihona Puke Baidu. 液晶显示器
1）驱动电压和功耗低、体积小、重 量轻、无X射线辐射等一系列优点
2）为了降低串扰，提高扫描线数， 在每个像素上配置一个开关器件， 形成有源矩阵液晶显示，消除了像 素间的交叉串扰
TFT有源矩阵的结构
衬底：硅片、石英、玻璃 为了降低成本，TFT采用廉价的衬底：玻璃 玻璃的软化点低于600℃，需PECVD等低温沉积方法
几种重要的微电子 器件
主要内容
• 薄膜晶体管（TFT） • 光电器件（LED，LD） • 电荷耦合器件（CCD）
8.0 薄膜晶体管
• 薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)
通常是指利用半导体薄膜材料制成的 绝缘栅场效应晶体管
– 非晶硅薄膜晶体管(a-Si TFT) – 多晶硅薄膜晶体管(poly-Si TFT) – 碳化硅薄膜晶体管(SiC TFT)
InGaN蓝色LED结构图
超高亮度LED的制法和特性
注： 1. LPE（DH） 液相外延（双异质结） 2. LPMOCVD 低压金属有机物化学气相沉积 3. TFMOCVD 双气流金属有机物化学气相沉积
8.3 半导体激光器
• 半导体发射激光，即要实现受激发射，必须满足下面 三个条件：
– 通过施加偏压等方法将电子从能量较低的价带激发 到能量较高的导带，产生足够多的电子空穴对，导 致粒子数分布发生反转
Eg＝1.24/λ（eV）
λ：波长，单位μm Eg：禁带宽度，单位eV
• 辐射跃迁和光 吸收：
在固体中， 光子和电子之间 的相互作用有三 种基本过程：吸 收、自发发射、 受激发射
图8.1 两个能级之间的三种基本跃迁过程 (a) 吸收 (b) 自发发射 (c) 受激发射
8.1.1 固体中的光吸收过程
1. TFT的结构
1）立体结构型（底栅结构型） 2）平面结构型（顶栅结构型）
2. TFT的应用领域
1）大面积平板显示──有源矩阵液晶显示 (Active Matrix Liquid Crystal Display, 缩写 为AMLCD)
2）电可擦除只读存储器(ROM)
3）静态随机存储器(SRAM)
• 光子探测器的三个基本过程：
– 光子入射到半导体中并产生载流子
– 载流子在半导体中输运并被某种电流增益 机构倍增
– 产生的电流与外电路相互作用，形成输出 信号，从而完成对光子的探测
8.4.2 光电导探测器 • 光敏电阻：光敏电阻通常由一块状或薄膜
状半导体及其两边的欧姆接触构成
紫外光：硫化镉（CdS） 硒化镉（CdSe）
图8.2 半导体中的光吸收过程 本征吸收：从价带到导带。如（a）、（b） 非本征吸收：如（c） 本征吸收的特点是吸收系数高：105～106cm－1
8.1.2 固体中的光发射过程
图8.1 两个能级之间的三种基本跃迁过程 (a) 吸收 (b) 自发发射 (c) 受激发射
激发过程：（a） 发射过程：（b）、（c）
直接带隙的发光效率比间接带隙高
8.2 半导体发光二极管
• 发光器件 – 发光二极管（LED）：靠注入载流子自 发复合而引起的自发辐射；非相干光
– 半导体激光器（LD）：在外界诱发的 作用下，促使注入载流子复合而引起的 受激辐射；相干光，具有单色性好、方 向性强、亮度高等特点
• 半导体电致发光有着悠久的历史
其中最常用的是电阻温度效应（热电阻）、 温差电效应（热电偶，热电堆）和热释电效应。
• 热探测器进行光电转换的过程：
– 探测器吸收光辐射引起温度上升
– 利用探测器的某些温度效应把温升转换 成电学参量
• 光子探测器：利用入射光子与半导体中 处于束缚态的电子(或空穴)相互作用， 将它们激发为自由态，引起半导体的电 阻降低或者产生电动势
可见光：硫化铊（TIS） 硫化镉（CdS）
红外光：硫化铅（PbS） 锑化铟（InSb） 碲镉汞（HgCdTe） 碲锡铅（PbSnTe）
8.4.3 光电二极管
1. PIN光电二极管
光电二极管实际上就是一个工作在反向偏置 条件下的pn结，p-i-n光电二极管是最常用的光电 探测器件
– 满足一定的阈值条件，使电子增益大于电子损耗， 即激光器的电流密度必须大于产生受激发射的电流 密度阈值
8.4 光电探测器
• 光电探测器：对各种光辐射 进行接收和探测的器件
–热探测器 –光子探测器
• 热探测器：利用探测元吸收入射光(通 常是红外光)产生热量，引起温度上升， 然后再借助各种物理效应把温度的变 化转变成电学参量
大的推进作用
扩散电流： （1） 包括电子扩散电流和空穴扩散电流 空间电荷区复合电流： （2）
通常w ＜＜Ln、Lp，所以耗尽区两侧Ln、Lp长度内的扩散 电流是导致二极管辐射复合的主要电流。
外量子效率：从半 导体中实际发射出 的光子数占产生的 总光子数的比例。
GaAs的内量子 效率可达50％，而 外量子效率仅1％左 右。
8.1 光电子器件
• 光电子器件：光子担任主要角色的电子器件
– 发光器件：将电能转换为光能 • 发光二极管(Light Emitting Diode，缩写 LED) • 半导体激光器（Laser Diode,缩写 LD）
– 太阳能电池：将光能转换为电能 – 光电探测器：利用电子学方法检测光信号
8.1 固体中的光吸收和光发射
– 1907年观察到电流通过硅检波器时发黄光现象 – 1923年在碳化硅检波器中观察到类似的现象 – 1955年观察到III-V族化合物中的辐射 – 1961年观察到磷化镓pn结的发光 – 60年代初期GaAs晶体制备技术的显著发展 – 1962年制成GaAs发光二极管和GaAs半导体激光器 – 异质结的发展对结型发光器件性能的提高也起了很
（b）：自发辐射 （c）：受激发射
自发发射的种类：
1）光致发光； 2）阴极射线发光； 3）放射线发光； 4）电致发光
带间跃迁：a 导带底至价带顶的跃迁 非本征跃迁：c、d、e ； 带内电子跃迁：f
辐射效率（内量子效率）： ηr＝单位时间内产生的光子数/单位时间内注入的非平衡载流子数
Eg＝hν ＝ 1.24/λ（eV）
4）线阵或面阵型图像传感器驱动电路
Hale Waihona Puke Baidu. 液晶显示器
1）驱动电压和功耗低、体积小、重 量轻、无X射线辐射等一系列优点
2）为了降低串扰，提高扫描线数， 在每个像素上配置一个开关器件， 形成有源矩阵液晶显示，消除了像 素间的交叉串扰
TFT有源矩阵的结构
衬底：硅片、石英、玻璃 为了降低成本，TFT采用廉价的衬底：玻璃 玻璃的软化点低于600℃，需PECVD等低温沉积方法
几种重要的微电子 器件
主要内容
• 薄膜晶体管（TFT） • 光电器件（LED，LD） • 电荷耦合器件（CCD）
8.0 薄膜晶体管
• 薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)
通常是指利用半导体薄膜材料制成的 绝缘栅场效应晶体管
– 非晶硅薄膜晶体管(a-Si TFT) – 多晶硅薄膜晶体管(poly-Si TFT) – 碳化硅薄膜晶体管(SiC TFT)
InGaN蓝色LED结构图
超高亮度LED的制法和特性
注： 1. LPE（DH） 液相外延（双异质结） 2. LPMOCVD 低压金属有机物化学气相沉积 3. TFMOCVD 双气流金属有机物化学气相沉积
8.3 半导体激光器
• 半导体发射激光，即要实现受激发射，必须满足下面 三个条件：
– 通过施加偏压等方法将电子从能量较低的价带激发 到能量较高的导带，产生足够多的电子空穴对，导 致粒子数分布发生反转
Eg＝1.24/λ（eV）
λ：波长，单位μm Eg：禁带宽度，单位eV
• 辐射跃迁和光 吸收：
在固体中， 光子和电子之间 的相互作用有三 种基本过程：吸 收、自发发射、 受激发射
图8.1 两个能级之间的三种基本跃迁过程 (a) 吸收 (b) 自发发射 (c) 受激发射
8.1.1 固体中的光吸收过程
1. TFT的结构
1）立体结构型（底栅结构型） 2）平面结构型（顶栅结构型）
2. TFT的应用领域
1）大面积平板显示──有源矩阵液晶显示 (Active Matrix Liquid Crystal Display, 缩写 为AMLCD)
2）电可擦除只读存储器(ROM)
3）静态随机存储器(SRAM)
• 光子探测器的三个基本过程：
– 光子入射到半导体中并产生载流子
– 载流子在半导体中输运并被某种电流增益 机构倍增
– 产生的电流与外电路相互作用，形成输出 信号，从而完成对光子的探测
8.4.2 光电导探测器 • 光敏电阻：光敏电阻通常由一块状或薄膜
状半导体及其两边的欧姆接触构成
紫外光：硫化镉（CdS） 硒化镉（CdSe）
图8.2 半导体中的光吸收过程 本征吸收：从价带到导带。如（a）、（b） 非本征吸收：如（c） 本征吸收的特点是吸收系数高：105～106cm－1
8.1.2 固体中的光发射过程
图8.1 两个能级之间的三种基本跃迁过程 (a) 吸收 (b) 自发发射 (c) 受激发射
激发过程：（a） 发射过程：（b）、（c）
直接带隙的发光效率比间接带隙高
8.2 半导体发光二极管
• 发光器件 – 发光二极管（LED）：靠注入载流子自 发复合而引起的自发辐射；非相干光
– 半导体激光器（LD）：在外界诱发的 作用下，促使注入载流子复合而引起的 受激辐射；相干光，具有单色性好、方 向性强、亮度高等特点
• 半导体电致发光有着悠久的历史
其中最常用的是电阻温度效应（热电阻）、 温差电效应（热电偶，热电堆）和热释电效应。
• 热探测器进行光电转换的过程：
– 探测器吸收光辐射引起温度上升
– 利用探测器的某些温度效应把温升转换 成电学参量
• 光子探测器：利用入射光子与半导体中 处于束缚态的电子(或空穴)相互作用， 将它们激发为自由态，引起半导体的电 阻降低或者产生电动势
可见光：硫化铊（TIS） 硫化镉（CdS）
红外光：硫化铅（PbS） 锑化铟（InSb） 碲镉汞（HgCdTe） 碲锡铅（PbSnTe）
8.4.3 光电二极管
1. PIN光电二极管
光电二极管实际上就是一个工作在反向偏置 条件下的pn结，p-i-n光电二极管是最常用的光电 探测器件