中科院半导体器件物理 第五章

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埋沟CCD 对于SCCD，由于电荷包沿边导体表面传输，主要的限制是表 面陷阱效应导致的电荷损失。 埋沟CCD ：电荷包不在半导体表面流过，而是被约束在紧 贴半导体表面的沟道内，具有消除界面陷阱效应的潜力。 与衬底相反类型的窄 N 型半导体层，在栅 极加正电压时，窄 n 型层全部耗尽，成为 沟道。
1）入射光产生载流子。 2）通过电流增益，使载流子传导和倍增。 3）电流与外部电路相互作用，以提供输出信号。 光敏电阻
由一半导体平板与两端的欧姆接触构成的光敏电阻示意图
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光电二极管
工作于反向偏压下的p-n结或金属-半导体接触
光信号打在光电二极管上时，耗尽区会将由光产生的电子-空穴对 分离，有电流输出到外电路。 量子效率 每个入射光子产生的电子-空穴对数目
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小结 1。发光二极管，半导体激光器，光探测器，太阳能电池：基 本结构、原理。 2。有无光照时pn结的能带结构,各电流和电压方向 3。短路电流，开路电压，填充因子，效率，及相互关系。
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3
2。发光二极管
正向工作的pn结，可在紫外、可见、红外区域辐射自发辐射光， III-V族多元材料。 是电致发光过程：正向偏压，少子从结的两侧注入，在结的附近 有高于平衡浓度的非平衡载流子(pn>ni2)，载流子复合发生。 器件结构 Pn结正向偏置,电子从n侧注 入，与从p侧注入的空穴复合。
双异质结中更高的载流子浓度 和载流子限定，辐射效率显著 提高。
BCCD的结构示意图
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迁移率高，界面陷阱 导致的电荷损失少。
5.太阳电池

pn结太阳电池 太阳电池的理想光电转换效率
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1)Pn结太阳电池
光生伏特效应的三个物理过程：

吸收光能激发出非平衡电子空穴对 非平衡电子和空穴向非均匀势场区的扩散和漂移运动 非平衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运动而分离 PN结 肖特基势垒 异质结 以PN结为例，分析光电转换的物理过程
Pn结上 的压降
q (V IR s ) V I I L I 0 exp 1 kT R sh
负载上的 电压
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通常串联电阻对电池性能的影响比并联电阻大
2)太阳电池的理想光电转换效率
最大输出功率Pm和输入光功率之比 输出功率P
P I sV s V s I sc I 0 e
CCD基本结构-MOS电容的剖面图
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CCD存储和转移电荷都是在非稳定状态下进行。 CCD沟道内的载流子仅由信号大小决定，与时钟脉冲无关，时 钟脉冲只起存储和转移电荷Fra Baidu bibliotek用。
通常有 表面沟道CCD （SCCD) 和隐埋沟道CCD (BCCD)。 表面沟道CCD：沟道在紧靠绝缘层的半导体表面 入射光 栅极为半透明， 以使光通过 在空间上，每个 MOS结构彼此 靠近，形成一个 链式结构，具有 移位寄存器来传 输信号的作用。 表面沟道CCD结构示意图. 表面沟道CCD中，在适当的时钟电压脉冲作用下，少数载流 子电荷包沿半导体表面运动。
第五章 光电子器件
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1。辐射跃迁与光的吸收 2。发光二极管，LED 3。半导体激光器 4。光探测器 5。太阳电池
将电能转换为光能的器件
探测光信号 将光辐射转换为电能
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1。辐射跃迁与光的吸收
光和固体内的电子之间的三种主要相互作用过程。 •吸收 光探测器和太阳电池
•自发辐射 发光二极管
•受激辐射 激光二极管 稳态时： 受激辐射速率+自发辐射速率=吸收速率
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a 无光照平衡PN结
光照下理想PN结方程和特性曲线
IL ---光照引起的通过PN结的光 生电流，在结内部为NP RS ---串联电阻，无负载时为 负载电阻 IS ---流过RS 的电流 RS 上的压降：
Vs I s Rs
光伏效应原理图
pn结势垒上的压降： V s
势垒降低： Vs
势垒降低引起的正向注入电流： 也叫暗电流，漏电流
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特征参数： I-V特征：与普通二极管基本一致。开启电压低。 量子效率：注入的载流子复合产生光量子的效率。 外量子效率：单位时间内实际输出二极管的光子数目与注入 的载流子数目之比。 内量子效率：单位时间内半导体的辐射复合产生的光子数目 与注入的载流子数目之比。
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3。半导体激光器
体积小，易于调制，是光纤通讯中最重要的光源之一。 材料要求： 直接带隙 低界面态异质结构—晶格匹配
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Vs 0
光生电流是最 大短路电流
I s I L I sc
kT I sc Voc ln 1 q I0
V s V oc
可能得到的最 大光生电压
太阳能电池在光照下的电流-电压特性曲线
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等效电路
串联 电阻 负载 电阻
恒流源 理想二 极管 分路电阻， 并联电阻
DH折射率的变化~5% 光 约 束
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光场被约束在有源区内.
特殊异质结激光器
分离限定异质结激光器
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大的光学腔激光器
光学腔与反馈 :为提高增益,必须使光多次传播.
晶体的劈裂面,或金属化
n 1 2 R( ) n 1
两端间距恰好是半波长整数倍
L m(

2n
)
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4。光探测器
将光信号转变为电信号的半导体器件。
工作原理： 分布反转: 电子在较高能级的浓度大于在较低能级的浓度. 简并型p-n结 ,正偏时,此区域分布反转.导带中有大量电子,价带中有 大量空穴.
结 构
能 带 图
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光 约 束
载流子与光学约束: 双异质结激光器 (DH)
GaAs
结 构 能 带 图 载流子约束：双异质结势 垒,载流子在有源区的两端 被约束住,而同质结则可离 开有源区.
I P Popt 1 ( )( ) q h
光激发 电流 入射光 功率
决定量子效率的重要因素 之一是吸收系数 ~波长
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几种光探测器的量子效率与波长的 关系。
响应速度 限制因素：载流子的扩散 耗尽区内的漂移时间 要提高响应速度： 结必须非常接近表面 若耗尽区太薄，电容过大，大的RC时间常数
也可以定义填充因子:
qV m exp( ) kT Pin
I mVm FF I scVoc
FFI scVoc Pin
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获得最大效率，三项都要最大
串联电阻与复合电流—影响电池效率的因素： 串联电阻与结的深 度，掺杂浓度，欧 姆接触等有关。
耗尽区的复合电流 双二极管模型 具有串联电阻的太阳电池的电流-电 压特性
耗尽区的电容
宽耗尽区可吸收绝大多数的光，但渡越时间效应会限制频率响应。
折中宽度，耗尽区的渡越时间约为调制周期的一半。
P-i-n二极管 最常用的光电二极管，其耗尽区宽度可调制，优化量子效率 和频率响应。
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P-i-n光电二极管截面图：
反向偏压下的能带图
载流子吸收特性曲线
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电荷耦合器件 MOS型半导体器件，核心是MOS电容，密排MOS二极管有序 阵列，加上输入与输出部分就构成了CCD的基本结构。 可用做图像传感器,也可用做移位寄存器. 栅极上施加适当的时钟脉冲 电压，半导体表面耗尽，形 成能存储少子的势阱， 用光 或电方法把代表信号的少子 注入势阱中，再通过时钟脉 冲的有规律变化，使势阱深 度发生相应的变化，从而使 注入势阱中的少子在半导体 表面内定向运动，通过对少 子的收集得到信号的输出。
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P
N qVb E c EF Ev a
P
N q(Vb-Voc) qVoc
P
N qVb
P
N q(Vb-Vs) qVs
b
c PN结能带图
d
•光生电流的方向相当于普通二级管反向 电流方向。 b 光照PN结开路状态 •光照使PN结势垒降低，等效于PN结 外加正向偏压，同样能引起P区空穴和 c 光照PN结短路状态 N区电子向对方的扩散，形成正向注入 电流。此电流与光生电流相反，对电池 d 光照PN结有串联电阻 不利，应使之减小。
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I D I0 e
PN

qVs / kT
1

方向:
光照下，pn结外回路的电流
Is IL ID I L I0 e
光照下的理想pn结方程

qVs / kT
1

可得到RS 上的压降：
kT I L I s ln 1 Vs I q 0
短路时，对串联电阻为零的理想太阳电池： 短路电流： 开路时，Is=0： 开路电压：
P V s I sc V s I o e

Pm Pin


qV s / kT
qV s / kT
1

1

P / V s 0
最大输出功率Pm
qI o 2 qVm ) Pm I mVm Vm exp( kT kT
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转换效率：
I mV m qI o 2 Vm Pin kT