半導(dǎo)體材料導(dǎo)論7-1

1、徐桂英材料學(xué)院無機(jī)非金屬材料系 第7章半導(dǎo)體材料的應(yīng)用半導(dǎo)體材料的應(yīng)用總的說來可分為兩大類，一類是制作半導(dǎo)體器件；一類是作光學(xué)窗口、透半導(dǎo)體材料的應(yīng)用總的說來可分為兩大類，一類是制作半導(dǎo)體器件；一類是作光學(xué)窗口、透鏡等。鏡等。 7.1 半導(dǎo)體器件的分類半導(dǎo)體器件的分類半導(dǎo)體器件可分為兩大類，一類稱為分立器件（半導(dǎo)體器件可分為兩大類，一類稱為分立器件（discrete part），另一類為集成電路），另一類為集成電路（integrated circiut，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱IC）。）。分立器件可分為：分立器件可分為：（1）晶體二極管；）晶體二極管；（2）晶體三極管；）晶體三極管；（3）發(fā)光二極管；）發(fā)光

2、二極管；（4）激光管；）激光管；（5）電力電子器件；）電力電子器件；（6）電子轉(zhuǎn)移器件；）電子轉(zhuǎn)移器件；（7）能量轉(zhuǎn)換器件；）能量轉(zhuǎn)換器件；（8）敏感元件。）敏感元件。集成電路可分為：集成電路可分為：（1）Si 集成電路；集成電路；（2）GaAs集成電路；集成電路；（3）混合集成電路。）混合集成電路。其中其中Si集成電路按其結(jié)構(gòu)又可分為：集成電路按其結(jié)構(gòu)又可分為：（1）雙極型電路；）雙極型電路；（2） 金屬金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體（半導(dǎo)體（MOS）型電路；）型電路；（3）雙極）雙極MOS（BiMOS）電路等。）電路等。 第7章半導(dǎo)體材料的應(yīng)用各種器件所用的材料及主要原理見表7.1。下面就一些

3、有代表性的器件作一簡(jiǎn)要的介紹。表7.1 主要半導(dǎo)體器件所用材料及其工作原理*由于本書內(nèi)容的限制，未對(duì)這些效應(yīng)與原理加以說明。PN（a）V擴(kuò)dNdP（b） 圖3.6 pn結(jié)原理示意圖7.2 晶體二極管二極管是具有一個(gè)pn結(jié)，或具有與pn結(jié)相類似的肖特基勢(shì)壘的器件。其原理已在第四章中介紹過。u當(dāng)這兩塊半導(dǎo)體結(jié)合成一個(gè)整體時(shí)，如圖3.6(b), p 型半導(dǎo)體中有大量的空穴，而n型半導(dǎo)體中有大量的電子，他們向相對(duì)方向擴(kuò)散，但這種擴(kuò)散并非無休止的，因?yàn)檫@種擴(kuò) 散打破了邊界附近的電中性，空穴進(jìn)入n型區(qū)與電子復(fù)合，而失去電子的離子便形成正電勢(shì)；在p型區(qū)則因同樣的道理而形成負(fù)電勢(shì)，這樣便在邊界附近形成了電位差

4、，稱為內(nèi)建勢(shì)場(chǎng)（電場(chǎng)），或稱擴(kuò)散電勢(shì)。u這個(gè)勢(shì)場(chǎng)根據(jù)同性相斥、異性相吸的原理，會(huì)防止空穴與電子的進(jìn)一步擴(kuò)散，而達(dá)到平衡，這個(gè)平衡的電勢(shì)用V擴(kuò)表示，這就構(gòu)成pn結(jié)。 圖3.6 pn結(jié)原理示意圖V擴(kuò)（c）V外V擴(kuò)（d）V外n當(dāng)加上外加電場(chǎng)V外時(shí)：u如果正極接到p 型區(qū)，負(fù)極接到n型區(qū)，見圖3.6中(c)，因?yàn)榘雽?dǎo)體材料具有一定的電導(dǎo)率，因此電壓降的主要部分卻落在了阻擋層上，這時(shí)外加電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)相反，于是降低了內(nèi)建電場(chǎng)，減少了阻擋層的厚度，使電流順利通過。u而當(dāng)電場(chǎng)方向相反時(shí)，內(nèi)建電場(chǎng)與外加電場(chǎng)相疊加，見圖3.6中(d)，增加了阻擋層的厚度，使電流不能通過。這就是結(jié)的整流作用。n當(dāng)電壓方向使pn結(jié)

5、導(dǎo)通時(shí)，稱為正向偏置，n當(dāng)電壓方向使阻擋層加厚時(shí)，稱為反向偏置。二極管主要應(yīng)用于整流與檢波。二極管主要應(yīng)用于整流與檢波。n交流電壓加在pn結(jié)上時(shí)，如使正電壓接于p型區(qū)，負(fù)電壓接于n型區(qū)時(shí)電流就通過，而當(dāng)電壓方向相反時(shí)電流就被阻擋，其伏安特性如圖7.1。圖7.1 pn結(jié)二極管的伏安特性反向飽和電流Vb-擊穿電壓I擊穿電流正向電流V從 圖中可以看出當(dāng)電壓為正向偏置時(shí)，所獲電流為正向電流，可達(dá)幾千安培，而電壓為反向偏置時(shí)，通過的電流為幾毫安培，或小于1 毫安。n反向電流是由于少數(shù)載流子產(chǎn)生的，即反向電流是由于少數(shù)載流子產(chǎn)生的，即在在p區(qū)有少量的電子，因?yàn)樵趨^(qū)有少量的電子，因?yàn)樵趐區(qū)主要是區(qū)主要是空穴

6、，而少量的電子是呈平衡狀態(tài)的，同空穴，而少量的電子是呈平衡狀態(tài)的，同樣在樣在n區(qū)也有少數(shù)載流子區(qū)也有少數(shù)載流子-空穴。這些載空穴。這些載流子落入到阻擋層則被吸引到對(duì)方，形成流子落入到阻擋層則被吸引到對(duì)方，形成電流，這種電流強(qiáng)度與所加的電壓無關(guān)，電流，這種電流強(qiáng)度與所加的電壓無關(guān)，因此在被擊穿前是一個(gè)常數(shù)。因此在被擊穿前是一個(gè)常數(shù)。n在正常摻雜濃度下，擊穿是由于在正常摻雜濃度下，擊穿是由于pn結(jié)的結(jié)的反向偏置電壓高到一定的程度時(shí)，少數(shù)載反向偏置電壓高到一定的程度時(shí)，少數(shù)載流子具有很大的能量，以致發(fā)生碰撞電離流子具有很大的能量，以致發(fā)生碰撞電離現(xiàn)象，頓時(shí)產(chǎn)生大量的載流子使電流猛增，現(xiàn)象，頓時(shí)產(chǎn)生大

7、量的載流子使電流猛增，失去整流的效應(yīng)。失去整流的效應(yīng)。n對(duì)用作整流器的二極管而言，耐反向電對(duì)用作整流器的二極管而言，耐反向電壓是個(gè)重要的指標(biāo)，材料的電阻率愈高，壓是個(gè)重要的指標(biāo)，材料的電阻率愈高，耐壓愈高。單個(gè)硅的二極管的耐壓可達(dá)幾耐壓愈高。單個(gè)硅的二極管的耐壓可達(dá)幾千伏。千伏。 圖3.6 pn結(jié)原理示意圖V擴(kuò)（c）V外V擴(kuò)（d）V外u二極管可用于整流、檢波、混頻、穩(wěn)壓、參量放大等。所用的材料為硅、鍺、硒、砷化鎵等。二極管可用于整流、檢波、混頻、穩(wěn)壓、參量放大等。所用的材料為硅、鍺、硒、砷化鎵等。u有的器件在有的器件在pn結(jié)中間加一個(gè)高阻層，稱結(jié)中間加一個(gè)高阻層，稱i層，這就是層，這就是pin

8、二極管。例如微波用的碰撞雪崩渡越二極管。例如微波用的碰撞雪崩渡越時(shí)間二極管（時(shí)間二極管（IMPATT）就是這種結(jié)構(gòu)。）就是這種結(jié)構(gòu)。u利用肖特基勢(shì)壘的二極管稱肖特基二極管。利用肖特基勢(shì)壘的二極管稱肖特基二極管。u利用異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的二極管稱為異質(zhì)結(jié)二極管。利用異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的二極管稱為異質(zhì)結(jié)二極管。u耿氏器件也有兩個(gè)端子，但沒有耿氏器件也有兩個(gè)端子，但沒有pn結(jié)也稱為耿氏二極管，它是利用電子的導(dǎo)電的轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生結(jié)也稱為耿氏二極管，它是利用電子的導(dǎo)電的轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生微波振蕩，又稱轉(zhuǎn)移電子器件。作這種器件的材料有砷化鎵與磷化銦。微波振蕩，又稱轉(zhuǎn)移電子器件。作這種器件的材料有砷化鎵與磷化銦。太陽(yáng)光是由不同頻率的電

9、磁波所組成的。電磁波的能量可用hn 來表示，其中h為普朗克常數(shù)，n為電磁波的頻率。當(dāng)太陽(yáng)光照到當(dāng)太陽(yáng)光照到帶帶pn結(jié)的半導(dǎo)體表面時(shí)，其中結(jié)的半導(dǎo)體表面時(shí)，其中hn nEg，即，即能量大于其禁帶寬度的光就可以激發(fā)價(jià)帶能量大于其禁帶寬度的光就可以激發(fā)價(jià)帶中的電子，使之形成電子中的電子，使之形成電子-空穴對(duì)空穴對(duì) 。這些電這些電子與空穴受結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用，子與空穴受結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用，p區(qū)與區(qū)與n區(qū)區(qū)的少數(shù)載子可穿過的少數(shù)載子可穿過pn結(jié)向?qū)Ψ搅鲃?dòng)，也就結(jié)向?qū)Ψ搅鲃?dòng)，也就是說，是說，p區(qū)中的電子流入?yún)^(qū)中的電子流入n區(qū)區(qū) ，而，而p區(qū)中的區(qū)中的空穴則受內(nèi)建電場(chǎng)的排斥則留空穴則受內(nèi)建電場(chǎng)的排斥則留p區(qū)，區(qū)

10、，n 區(qū)的區(qū)的少數(shù)載流子空穴也同樣流向少數(shù)載流子空穴也同樣流向p區(qū)。區(qū)。這樣pn結(jié)就起了分割載流子的作用而形成電勢(shì)。這種效應(yīng)稱為光生伏打效應(yīng)。將p區(qū)與n區(qū)用導(dǎo)線聯(lián)結(jié)，就可形成電流，這就是太陽(yáng)電池發(fā)電的原理，見圖7.2。 7.3 太陽(yáng)電池 其基本結(jié)構(gòu)亦為pn結(jié)，通常只有一個(gè)pn結(jié)。它的工作原理見圖7.2。P型硅型硅N型硅型硅+ 圖7.2 太陽(yáng)電池的發(fā)電原理圖Pn結(jié)P型半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體入射光電子空穴太陽(yáng)能電池的分類太陽(yáng)能電池的分類:按運(yùn)用分：有空間電池和地面電池按材料分：有硅太陽(yáng)電池和化合物太陽(yáng)電池。按工藝分：有常規(guī)制造工藝（熱擴(kuò)散）、外延結(jié)（液相外延和氣相外延）和化學(xué)氣相沉積。按PN結(jié)結(jié)構(gòu)分：有

11、同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)、平面結(jié)、垂直結(jié)和多結(jié)電池。按光學(xué)特性分：聚光電池、背反射電池、紫光電池和絨面電池。按照光伏電池材料的組成和結(jié)構(gòu)，可以將其分成如下幾類：按照光伏電池材料的組成和結(jié)構(gòu)，可以將其分成如下幾類：（1）單晶硅太陽(yáng)能電池（2）多晶硅太陽(yáng)能電池（3）非晶硅太陽(yáng)能電池（4）多元化合物太陽(yáng)能電池（5）聚光太陽(yáng)能電池下面將按材料組成和結(jié)構(gòu)予以較詳細(xì)的分類。下面將按材料組成和結(jié)構(gòu)予以較詳細(xì)的分類。按材料組成和結(jié)構(gòu)分類：按材料組成和結(jié)構(gòu)分類：染料敏化太陽(yáng)能電池 目前最主要目前最主要光伏材料光伏材料硅材質(zhì)HIT異質(zhì)材料夾層（異質(zhì)結(jié)）晶體硅多晶硅塊單硅晶塊非晶硅薄膜微晶硅薄膜鎘碲（II-VI族化合物）薄膜

12、太陽(yáng)能電池III-V族化合物多元化合物(銅銦鎵二硒、GaAlAs/GaAs、InP、CdS/Cu2S、CuInSe2 ）等太陽(yáng)能電池化合物半導(dǎo)體 目前，單晶硅太陽(yáng)能電池變換效率最高，已達(dá)以上，但價(jià)格也最貴。非晶態(tài)硅太陽(yáng)電池變換效率最低，但價(jià)格最便宜，今后最有希望用于一般發(fā)電的將是這種電池。一旦它的大面積組件光電變換效率達(dá)到，每瓦發(fā)電設(shè)備價(jià)格降到美元時(shí)，便足以同現(xiàn)在的發(fā)電方式競(jìng)爭(zhēng)。 當(dāng)然，特殊用途和實(shí)驗(yàn)室中用的太陽(yáng)電池效率要高得多。如美國(guó)波音公司開發(fā)的由砷化鎵半導(dǎo)體同銻化鎵半導(dǎo)體重疊而成的太陽(yáng)能電池，光電變換效率可達(dá)，快趕上了燃煤發(fā)電的效率，但是由于它太貴，目前只能限于在衛(wèi)星上使用。不同不同太陽(yáng)

13、能電池的市占率太陽(yáng)能電池的市占率 2005 年世界光伏市場(chǎng)中，各種太陽(yáng)電年世界光伏市場(chǎng)中，各種太陽(yáng)電池占據(jù)的比重池占據(jù)的比重2 當(dāng)今的光伏技術(shù)中，硅太陽(yáng)能電池技術(shù)當(dāng)今的光伏技術(shù)中，硅太陽(yáng)能電池技術(shù)是主要技術(shù)。圖是主要技術(shù)。圖 1 1 給出了給出了 2005 2005 年，世界年，世界光伏市場(chǎng)中，硅太陽(yáng)能電池占據(jù)的比重為光伏市場(chǎng)中，硅太陽(yáng)能電池占據(jù)的比重為 87%287%2。硅是地殼中含量第二的元素，所。硅是地殼中含量第二的元素，所以，生產(chǎn)硅太陽(yáng)電池的原材料非常容易獲以，生產(chǎn)硅太陽(yáng)電池的原材料非常容易獲得。而且硅太陽(yáng)電池的性能穩(wěn)定，使用壽得。而且硅太陽(yáng)電池的性能穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)。由于硅太陽(yáng)電池技

14、術(shù)是建立在半導(dǎo)命長(zhǎng)。由于硅太陽(yáng)電池技術(shù)是建立在半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)之上，所以，這個(gè)技術(shù)被普遍體工業(yè)技術(shù)之上，所以，這個(gè)技術(shù)被普遍地接受和理解。地接受和理解。 目前，盡管硅太陽(yáng)電池在光伏領(lǐng)域中目前，盡管硅太陽(yáng)電池在光伏領(lǐng)域中占據(jù)主要地位，但是在能源供應(yīng)中并不是占據(jù)主要地位，但是在能源供應(yīng)中并不是主要的供應(yīng)來源。無論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，主要的供應(yīng)來源。無論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，它還僅僅是一種輔助供應(yīng)能源的方式。與它還僅僅是一種輔助供應(yīng)能源的方式。與水電，火電和核電相比，硅太陽(yáng)能電池的水電，火電和核電相比，硅太陽(yáng)能電池的電力價(jià)格是比較高的，所以，它的成本回電力價(jià)格是比較高的，所以，它的成本回收周期需要很長(zhǎng)時(shí)間收周期

15、需要很長(zhǎng)時(shí)間22。居高不下的成本。居高不下的成本是限制硅太陽(yáng)電池成為主要供能方式的關(guān)是限制硅太陽(yáng)電池成為主要供能方式的關(guān)鍵因素。鍵因素。n首先我們先看 E-B間的pn結(jié)，根據(jù)3.2節(jié)所述，它處于正向偏置，即pn結(jié)的導(dǎo)通方向，有大量的空穴由發(fā)射極E進(jìn)入n區(qū)，我們?cè)倏纯戳硪粋€(gè)pn結(jié)，根據(jù)其電源的接法屬于反向偏置，即n區(qū)的電子受電場(chǎng)的作用不能進(jìn)入p區(qū)，但空穴可自由地進(jìn)入p區(qū)。于是從E處到達(dá)n區(qū)的空穴就在電場(chǎng)的作用下進(jìn)入p區(qū)而到達(dá)C極，即收集極。從而在反向偏置的pn結(jié)中產(chǎn)生了電流，這就是晶體管工作的基礎(chǔ)。n通過專門的設(shè)計(jì)，特別是把中間的基區(qū)作得很薄，使從發(fā)射極注入的載流子在基極內(nèi)被復(fù)合得很少，大部分進(jìn)

16、入到收集極，使其電流接近于發(fā)射極電流，而且隨發(fā)射極的電流變化而變化，這雖對(duì)電流未起放大作用，但由于B-C 間處于反向偏置、反向電阻很高，于是產(chǎn)生電壓放大和功率放大的作用。其放大倍數(shù)可達(dá)1000以上。 7.4 晶體三極管是用半導(dǎo)體材料制成的具有三個(gè)端子的器件，簡(jiǎn)稱晶體管。它是重要的分立器件、也是構(gòu)成集成電路的主要元件。晶體三極管的種類很多，基本可分為兩大類：結(jié)型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管。7.4.1 結(jié)型晶體管它有兩個(gè)pn結(jié)，于是就有兩種結(jié)構(gòu)，即npn或pnp?，F(xiàn)以pnp為例來說明基本工作原理（見圖7.3）。 圖7.3 晶體三極管工作原理圖輸出信號(hào)ECBnppn一種電壓控制的器件，其原理如圖7.4 所

17、示。例如是在一塊n型半導(dǎo)體薄片的上下兩邊，各作一個(gè)重?fù)絧型層以p+示之。所形成的電極稱為柵極（G)，p+與n型材料之間形成pn結(jié)。對(duì)這兩個(gè)柵極施加反向偏置，根據(jù)前面所述的結(jié)pn原理，此時(shí)的pn結(jié)的空間電荷區(qū)要擴(kuò)張，見圖內(nèi)虛線所示，這樣在這個(gè)電荷區(qū)之間便形成一個(gè)溝道。于是就可以調(diào)節(jié)從源（S ）到漏（D）之間的電阻，直至完全關(guān)斷。7.4.2 場(chǎng)效應(yīng)晶體管n因?yàn)檫@種類型的晶體管只靠多數(shù)載流子導(dǎo)電，與少數(shù)載流子的壽命無關(guān)，少數(shù)載流子壽命短的材料也可制作這類器件。n用作此種晶體管的材料有硅、砷化鎵等。n與其類似的還有肖特基勢(shì)壘柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管。n所有的場(chǎng)效應(yīng)管，只有一種載流子（電子或空

18、穴）參加導(dǎo)電故稱為單極型晶體管。n而上述的結(jié)型晶體管有兩種載流子，即空穴與電子同時(shí)參加導(dǎo)電，故稱雙極型晶體管。圖7.4 場(chǎng)效應(yīng)晶體管工作原理示意圖P+P+GDSnnG 圖7.5 發(fā)光二極管發(fā)光原理示意圖（外加正向偏壓時(shí)） 7.5 發(fā)光二極管n是利用pn結(jié)進(jìn)行發(fā)光的器件，當(dāng)向其pn結(jié)通入正向電流時(shí)，可發(fā)出紅外光或可見光。我們?cè)谇懊嬉呀?jīng)說過，半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶與價(jià)帶間存在著禁帶。導(dǎo)帶中的電子數(shù)與價(jià)帶中的空穴數(shù)取決于材料的禁帶寬度、溫度與雜質(zhì)，當(dāng)這些條件被確定并達(dá)到平衡后，其載流子濃度即為常數(shù)，這種載流子稱為平衡載流子。n要想實(shí)現(xiàn)發(fā)光必需要有某種激發(fā)過程以不斷提供過剩的載流子，也稱非平衡載流子，通過這

19、些非平衡載流子的復(fù)合以實(shí)現(xiàn)發(fā)光。n所謂復(fù)合，就是被激活的電子又回到價(jià)帶與空穴復(fù)合并釋放出能量。要想使這個(gè)過程能不斷地發(fā)生，可以通過pn結(jié)，如圖7.5所示。n當(dāng)在結(jié)上加上正向電壓時(shí)，大量的空穴進(jìn)入p區(qū)，大量的電子流入n 區(qū)，這就可形 成不斷復(fù)合、不斷提供載流子的過程。n如果禁帶是直接躍遷型的（即直接禁帶），那么這復(fù)合所釋放的能量就可以變成光，光的波長(zhǎng)l 為：l l =hc/Eg (7-1)其中h為普朗克常數(shù)； c為光速；Eg為禁帶寬度。因h與c均為常數(shù) ，如Eg的單位為電子伏(eV）時(shí)，l l=1240/Eg (nm) (7-2)n如果材料的禁帶是間接型的，電子與空穴直接復(fù)合的幾率很小，是通過聲

20、子進(jìn)行復(fù)合，而聲子把能量傳給晶格，造成材料發(fā)熱，這就形成了非輻射復(fù)合。n所以多采用直接禁帶材料作發(fā)光二極管，對(duì)某些間接禁帶材料只有采取專門的措施，才能用于發(fā)光。n可見光的波長(zhǎng)為390760nm，根據(jù)(7-2)式計(jì)算，應(yīng)選擇禁帶寬度在1.643.18eV之間的半導(dǎo)體。n硅、鍺的禁帶寬度小，且為間接禁帶，不能作發(fā)光二極管材料。nGaAs是直接禁帶，其禁帶寬度為1.43eV，是良好的紅外發(fā)光管材料，該器件已批量生產(chǎn)。n在可見光區(qū)域內(nèi)使用的半導(dǎo)體材料有GaP、GaN、SiC及各種固溶體。n固溶體在發(fā)光二極管中得到大量應(yīng)用的原因是可以利用其組成的變化來調(diào)整其禁帶寬度，表7.2列出了發(fā)光二極管所用的主要半

21、導(dǎo)體材料及其結(jié)構(gòu)。n磷化鎵的禁帶寬度為2.26eV，但它的禁帶是間接型的。為了提高GaP的發(fā)光效率，在其中摻入N或Zn-O對(duì)，這些雜質(zhì)在其中可形成等電子陷阱，通過這種陷阱所形成束縛激子的復(fù)合亦可發(fā)光。這方面的機(jī)理已超出本書范圍，所以只在這里提一下。nGaP是發(fā)光二極管使用最多的晶體材料。表7.2 發(fā)光二極管的主要材料結(jié)構(gòu)與發(fā)光性能u長(zhǎng)期困擾發(fā)光二極管發(fā)展的一個(gè)難題是它發(fā)光的顏色不全：只有紅色、橙色、黃色、黃綠長(zhǎng)期困擾發(fā)光二極管發(fā)展的一個(gè)難題是它發(fā)光的顏色不全：只有紅色、橙色、黃色、黃綠色，沒有純綠色及藍(lán)色的產(chǎn)品。根據(jù)三基色的原理，缺少這兩種顏色就不能形成全色顯示。色，沒有純綠色及藍(lán)色的產(chǎn)品。根

22、據(jù)三基色的原理，缺少這兩種顏色就不能形成全色顯示。u 最近這一難題在氮化鎵材最近這一難題在氮化鎵材 料上獲得了突破。料上獲得了突破。nGaN的的 禁帶寬度為禁帶寬度為3.39eV ，以，以 此為基礎(chǔ)，可制出短波長(zhǎng)的此為基礎(chǔ)，可制出短波長(zhǎng)的 發(fā)光二極管，但長(zhǎng)期由于無法發(fā)光二極管，但長(zhǎng)期由于無法進(jìn)行進(jìn)行p型摻雜而未能型摻雜而未能 實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)。n于于1989年發(fā)現(xiàn)了對(duì)摻年發(fā)現(xiàn)了對(duì)摻Mg的的GaN進(jìn)行專門的處理，可獲得低阻進(jìn)行專門的處理，可獲得低阻p型材料。型材料。n最近利用最近利用GaInN固溶體已制成純綠色和純藍(lán)色發(fā)光管。并有相當(dāng)高的發(fā)光效率。固溶體已制成純綠色和純藍(lán)色發(fā)光管。并有相當(dāng)高的發(fā)光效率

23、。n在這里，材料工藝起了重要的作用，除了上述的突破外，大批量的外延生長(zhǎng)并保證其性能在這里，材料工藝起了重要的作用，除了上述的突破外，大批量的外延生長(zhǎng)并保證其性能有高度的均勻性、一致性，以及單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)、量子阱的生長(zhǎng)技術(shù)等對(duì)制作發(fā)光管都有高度的均勻性、一致性，以及單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)、量子阱的生長(zhǎng)技術(shù)等對(duì)制作發(fā)光管都是很重要的。是很重要的。n人類的視覺對(duì)不同顏色的光也就是不同人類的視覺對(duì)不同顏色的光也就是不同波長(zhǎng)的光的感受能力不同，稱為視感度波長(zhǎng)的光的感受能力不同，稱為視感度又稱流明效率。圖又稱流明效率。圖7.6示出主要發(fā)光二極示出主要發(fā)光二極管的發(fā)光波長(zhǎng)與視感度的相互關(guān)系。管的發(fā)光波長(zhǎng)與視

24、感度的相互關(guān)系。n發(fā)光二極管是重要的顯示器件。是目前發(fā)光二極管是重要的顯示器件。是目前生產(chǎn)規(guī)模最大的化合物半導(dǎo)體器件。生產(chǎn)規(guī)模最大的化合物半導(dǎo)體器件。圖7.6 發(fā)光二極管與視感度的關(guān)系視感度（lm/W)波長(zhǎng)（mm）GaAsP黃GaP綠GaAsP橙GaAsP深橙GaAsP紅GaAlP紅GaP紅SiC藍(lán)紅橙黃綠藍(lán)紫400500600700400100700n半導(dǎo)體材料可用來制作激光發(fā)射器件，它的激發(fā)方式有兩種，一種是電注入激光二極管，它是靠電能直接一種是電注入激光二極管，它是靠電能直接激發(fā)發(fā)射出激光，激發(fā)發(fā)射出激光，另一種則靠光泵進(jìn)行激發(fā)。另一種則靠光泵進(jìn)行激發(fā)。n注入式激光二極管注入式激光二極管

25、的結(jié)構(gòu)見圖7.7所示。當(dāng)向pn結(jié)施加正向偏置時(shí)，根據(jù)上述發(fā)光二極管的原理可產(chǎn)生pn結(jié)發(fā)光，這種發(fā)光屬于上述的自發(fā)發(fā)射。n如果繼續(xù)提高電壓與電流有可能產(chǎn)生受激發(fā)射，而產(chǎn)生激光。n對(duì)注入式激光二極管而言，產(chǎn)生這種受激發(fā)射的條件是：半導(dǎo)體材料應(yīng)具有直接禁帶，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，具有光諧振腔。圖7.7 激光二極管結(jié)構(gòu)示意圖7.6 激光二極管n只有在直接禁帶的半導(dǎo)體材料中，電子與空穴直接復(fù)合幾率才能很高。n激光是高密度的單色光，沒有很高的復(fù)合幾率是無法實(shí)現(xiàn)的。n所謂粒子的反轉(zhuǎn)，對(duì)半導(dǎo)體而言，就是導(dǎo)帶中能級(jí)上電子的占有率大于價(jià)帶中相對(duì)應(yīng)能級(jí)的占有率。n我們知道，在沒有電場(chǎng)的作用下，導(dǎo)帶中各能級(jí)的電子占有率要比

26、價(jià)帶中能級(jí)的電子占有率低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。n當(dāng)激光二極管的正向電流大于 一定數(shù)值時(shí)，大量的電子與空穴被注入，就可能產(chǎn)生這種“反轉(zhuǎn)”，n當(dāng)受到能量為Eg = hn 的光量子作用時(shí)（這種光量子也可能來自自發(fā)發(fā)射）就產(chǎn)生受激發(fā)射。n諧振腔是由厚度為幾十微米的pn結(jié)和與結(jié)面垂直的兩組平面構(gòu)成諧振腔（見圖7.7）。上面所說的當(dāng)電流增大到一定臨界值時(shí)就產(chǎn)生激光發(fā)射，這個(gè)臨界電流值稱為閾值電流，這時(shí)，光功率與電流的關(guān)系發(fā)生突變，如圖7.8。圖7.8 激光二極管的電流與光輸出的關(guān)系圖7.7 激光二極管結(jié)構(gòu)示意圖n上述這種簡(jiǎn)單的激光二極管由于它的閾值電流較大，在室溫下，還未達(dá)到閾值電流時(shí)，二極管就因電流過大而形成 的

27、溫升所燒毀，因此只能在液氮下工作。n進(jìn)一步的改進(jìn)是采用異質(zhì)結(jié)；開始是單異 質(zhì)結(jié)，然后是雙異質(zhì)結(jié)。雙異質(zhì)結(jié)是把一種具有直接禁帶的薄層材料生長(zhǎng)在兩個(gè)禁帶寬度比它大的材料之間（直接或間接禁帶均可），圖7.9示出了 n-GaAlAs/p-GaAs/p-GaAlAs的結(jié)構(gòu)及原理。n這種異質(zhì)結(jié)可以在電學(xué)與光學(xué)上起雙重作用，一方面由于外部材料的禁帶比較寬，可以把載流子限制在結(jié)區(qū)內(nèi)，使其更有利于發(fā)光，同時(shí)由于兩種材料的折射率不同，使光限制在有源區(qū)內(nèi)。采用這種方法，獲得了激光二極管的室溫連續(xù)發(fā)射。圖7.9 雙異質(zhì)結(jié)激光二極管工作原理示意圖再進(jìn)一步的發(fā)展則是采用量子阱結(jié)構(gòu)。如果我們把雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)中間薄層的厚度進(jìn)一步

28、減薄至10nm左右，即達(dá)到電子的德布子羅意波長(zhǎng)的范圍內(nèi)，就形成了量子阱結(jié)構(gòu)，電子在垂直于異質(zhì)結(jié)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)就被量子化。采用這種結(jié)構(gòu)就進(jìn)一步地降低閾值電流，也可改善光的單色性，并可對(duì)光的波長(zhǎng)進(jìn)行一些調(diào)節(jié)。為了增加有源區(qū)的厚度，可作成多量子阱結(jié)構(gòu)。許多直接禁帶半導(dǎo)體材料都可以用來制作激光二極管的有源層，根據(jù)所需的波長(zhǎng)不同，常選用固溶體材料，圖列出了一些固溶體的發(fā)光波長(zhǎng)。常用的襯底材料有GaAs、InP、GaSb等。半導(dǎo)體激光二極管具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可直接用電進(jìn)行激發(fā)、便于調(diào)制、體積小等優(yōu)點(diǎn)。在光通訊、測(cè)距、制導(dǎo)、光存儲(chǔ)、激光 打印 、條碼掃描、 CD唱盤等方面得到廣泛的應(yīng)用。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)有更

29、美好的前景。 圖7.10 一些固溶體材料的激光波長(zhǎng)波長(zhǎng)（mm）集成電路的種類很多，其中單片式電路可分為MOS 型電路與雙極型電路兩大類。MOS是金屬-氧化物-半導(dǎo)體（metal-oxide-semiconductor）的簡(jiǎn)稱，由它們構(gòu)成的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（見7.4.2）與電阻、電容等元件所組成。 圖7.11 MOS電路單元結(jié)構(gòu)示意圖7.7 金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）型集成電路圖7.11 示出了MOS電路結(jié)構(gòu)的示意圖，這里顯示出的只是一個(gè)晶體管，將它們聯(lián)結(jié)可組成各種電路。金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）型集成電路可分為PMOS、NMOS、CMOS等?？縉型型溝道工作的稱NMOS；相反，如靠P型溝道

30、工作的，稱PMOS，如圖7.11（a），如果一個(gè)NMOS與一個(gè)PMOS組合成一個(gè)單元?jiǎng)t稱為CMOS，見圖7.11（c），C是complementary，即互補(bǔ)（補(bǔ)充）的意思，所以CMOS可譯成互補(bǔ)型金屬-氧化物-半導(dǎo)體。MOS型電路具有工藝簡(jiǎn)單、容易制作高集成度電路、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，因此它的產(chǎn)量大，現(xiàn)在的超大規(guī)模、特大規(guī)模集成電路都是MOS型。是把多個(gè)4.7.1節(jié)所述的結(jié)型晶體管與電阻電容等元件作在一個(gè)硅片上。它的單元結(jié)構(gòu)示意圖見圖7.12。由圖可見，在p型襯底上先用擴(kuò)散等方法作成重?fù)降膎型埋層，然后再進(jìn)行外延獲得n型外延層。因此外延是制作雙極型電路的手段。從發(fā)射極（E）到基極（B）之間是np組

31、成pn結(jié)，然后基極與收集極（C）之間是靠基極的p區(qū)與外延層形成的pn結(jié)，而C區(qū)的的n層則起導(dǎo)電作用。而兩邊兩個(gè)p區(qū)是利用它 與外延層所形成pn結(jié)起到晶體管與晶體管或其他元件間的隔離作用。雙極型電路的速度快，工作頻率高。缺點(diǎn)是功耗大，集成度相對(duì)比較低 ，用量沒有MOS大。圖7.12 雙極型電路單元結(jié)構(gòu)示意圖 B-基極；E- 發(fā)射極；C-收集極。 7.8 雙極型集成電路半導(dǎo)體材料已顯示出它的許多獨(dú)特的性能，得到了廣泛的應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上建立了龐大的產(chǎn)業(yè)，引起了社會(huì)的巨大變革。那么它的發(fā)展是否已達(dá)到了頂峰？我們認(rèn)為，它的潛力還很大，基于以下一些原因，在可望的將來，它仍將高速發(fā)展，它在人類社會(huì)中的地位將變得更為重要。（1）微電子學(xué)、光電子學(xué)都將以很高的速度繼續(xù)發(fā)展。其中集成電路的集成度以每3年增大4倍的速度繼續(xù)發(fā)展，其市場(chǎng)平均增長(zhǎng)率為15%左右。信息高速公路，即國(guó)家的以及全球的信