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文檔簡介
第五章
化合物半導體器件微電子教學部馮世娟35065.1pn結注入比當pn結加正向電壓時,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。對于同質結,所以決定同質結注入比的是摻雜濃度,要得到高注入比pn結的一邊應高摻雜。所以一般作為發(fā)射極的材料都是重摻雜。5.1pn結注入比對于異質結,禁帶寬度是決定異質結注入比的關鍵因素。對于p-GaAs/n-Al0.3Ga0.7As異質結,其注入比大約為7.4×105。在晶體管、半導體激光器中,注入比是一個很重要的物理量,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。這是因為在總電流中,只有注入到基區(qū)(或作用區(qū))中的少子才對器件有作用。而在異質結中可以用寬帶材料做效率很高的發(fā)射極,這是異質結器件的一個重要優(yōu)點。5.1pn結注入比對于突變異質結,對于緩變異質結,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,異質結晶體管的發(fā)射結都是采用緩變的。MESFET是金屬-半導體-場效應晶體管的縮寫。實用場效應晶體管的JFET形式于1953年實現(xiàn),而MOSFET形式則于1960年實現(xiàn)。由于硅材料的獨特的、接近理想的天然氧化物性質,所以MOSFET只使用硅材料。MESFET更適合用化合物半導體制備,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。目前,MESFET是高速和微波電路的主導器件。5.3.2GaAsMESFET
5.3.2GaAsMESFET
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的導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107Ω·cm。而與此相對比,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,以及較短的電子渡越時間低的寄生電容很好的抗輻照能力MESFET是一種由Schottky勢壘柵極構成的場效應晶體管。它與p-n結型柵場效應晶體管相比,只是用金屬-半導體接觸勢壘代替了p-n結柵。MESFET的工作原理與JFET基本相同,但是有兩點差異: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(雖然飽和機理是由于谷間躍遷而引起的速度飽和,但與Si和SiC等的MESFET相同,都將產生偶極疇并使電流飽和);對于柵長<0.5μm的短溝道GaAs-MESFET,由于GaAs中電子的能量弛豫時間>>動量弛豫時間,則電子的輸運將是瞬態(tài)的,有明顯的速度過沖效應(對短溝道Si器件,無明顯的速度過沖)。5.3.2GaAsMESFET
5.4.4HEMT調制摻雜場效應晶體管(MODFET)又稱為高電子遷移率晶體管(HEMT)、二維電子氣場效應晶體管(TEGFET)。MODFET的獨特性在于異質結構,在該結構中對寬能隙材料進行摻雜,載流子擴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量是量子化的(即二維電子氣)。這種調制摻雜的實際結果是,未摻雜異質界面上的載流子在空間上與摻雜區(qū)隔離,且由于不存在雜質散射而具有極高的遷移率。5.4.4HEMT1HEMT器件結構AlGaAs/GaAsHEMT的截面結構與能帶結構5.4.4HEMTn+GaAs覆蓋層有利于形成器件的低電阻歐姆接觸。n+AlGaAs層為溝道提供電子,而i-AlGaAs隔離層可在空間上將電子積累層與施主原子分開而達到提高溝道載流子遷移率的作用。Al含量決定了在AlGaAs/GaAs界面處導帶不連續(xù)性的大小,而這一能帶的不連續(xù)性又會去控制GaAs溝道中電子積累層中電子的濃度。Al含量越高,溝道電子濃度越高。20-30%的Al含量范圍兼顧了溝道電子濃度和遷移率。由于AlGaAs的禁帶寬度比GaAs大,從而在n+AlGaAs施主層中的電子很自然的積累在AlGaAs/GaAs界面處,使得i-GaAs溝道中形成高遷移率溝道。從能量上來看,這些電子也傾向于留在GaAs溝道層中。5.4.4HEMT值得注意的是,由電子積累層在未摻雜GaAs溝道中所形成的電場強度非常強,達到了107V/m量級,因此,該電場就將電子限制在一個非常窄的近似三角形的凹槽中,離界面處的距離為15-20nm。這一尺寸與電子的波長相當,就會導致在與界面垂直的方向上出現(xiàn)電子動量的量子化,于是電子就只能在二維空間中運動。正是因為這個原因,電子積累層通常被稱為二維電子氣(2DEG)。
5.5半導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向低能級躍遷并發(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、振動方向上與激發(fā)的光子高度一致,即有高度的簡并性。5.5.2LD1激光振蕩原理二能級體系的基本光學過程考慮能量為E1和E2、電子濃度為N1和N2的二能級體系的光學過程,這不一定局限于半導體。三個主要的過程:(a)吸收(b)自然發(fā)射(c)受激發(fā)射光電探測器和太陽能電池中的基本過程。自然發(fā)射產生的光在空間和時間上呈隨機性(非相干),這是LED的主要機理。受激發(fā)射需要光子輸入來激發(fā)電子躍遷,以產生相同波長和相位的另一個光子(相干)。它是激光振蕩的主要機理。5.5.2LD1激光振蕩原理二能級體系的基本光學過程光強(或光子數(shù)Nhν)的凈變化為受激發(fā)射+自然發(fā)射-吸收所以光增益要求N2>N1
——粒子數(shù)反轉為了獲得粒子數(shù)反轉,可使用外部源如光源的激勵。對于注入式激光器,p-n結正偏置提供載流子注入。在結的任何一側,注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合以產生光。
5.5.2LD1激光振蕩原理產生激光要的條件除了粒子數(shù)反轉外,還需要:諧振腔:能起到光反饋作用,形成激光振蕩;形成形式多樣,最簡單的是法布里-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5.6半導體光電探測器各種不同類型的光電探測器的性能由其量子效率、頻率響應及響應靈敏度決定。在這里所討論的半導體探測器是本征型的,即半導體中所產生光子的能量接近半導體的禁帶寬度。而非本征光電探測器是用來檢測能量小于禁帶寬度的光,這依賴于深能級陷阱,或者是量子阱中不同的能級。本節(jié)討論的探測器有光電導、結型如p-i-n二極管、MSM(金屬-半導體-金屬)型光電探測器和APD(雪崩擊穿二極管)。
5.6.1光電導探測器光電導元件又稱為光敏電阻器、光電導電池,或簡稱為光電池。它是開發(fā)的第一種量子光電探測器,在此之前的很長一段時期內都只有光熱電探測器。1873年,Smith發(fā)現(xiàn)了硒的光電導性。涉及載流子從價帶激發(fā)到導帶的光電導元件稱為本征型光電導元件;而涉及雜質能級和價帶或導帶之間的則稱為非本征型光電導元件。InSb、HgCdTe材料Ge、Si摻雜材料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器之一,有時簡稱為光電二極管。20世紀40年代后期開發(fā)的p-n結可應用于許多光子器件,如20世紀50年代的光電二極管、太陽能電池及LED。20世紀50年代后期開發(fā)的p-i-n光電二極管是對常規(guī)p-n結光電二極管的改進。半導體反偏pn結的耗盡層引起空穴和電子的分離。當光子進入該器件,則會產生空穴-電子對。耗盡層的電場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。5.6.3雪崩擊穿二極管前面提到的p-i-n二極管沒有增益,只是增益有所提高后性能有所改善。增加反向電壓使之接近二極管的擊穿電壓,在本征層或n-層的電場強度會很高,這會導致載流子在與晶格發(fā)生碰撞之前被被電場加速到很高的速度,這種器件就稱為雪崩擊穿二極管(APD)。假如這一速度很高,則碰撞會是非彈性的,進而引起離子化,導致更多的電子和空穴產生。接著這些由碰撞所產生的電子和空穴與原來的電子一起繼續(xù)被電場加速,會不斷產生新的電子-空穴對。5.6.3雪崩擊穿二極管典型結構(a)一般平面p-i-n或p-n結構。(b)臺面結構。(c)肖特基勢壘結構。因為APD工作在較大的反偏下,所以在結周圍引入保護環(huán)以防止表面擊穿是很重要的。常用材料有Si、Ge和Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體。正如后面所討論的那樣,要獲得最小的噪聲,關鍵在于αn和αp差別大。Si的αn/αp比很大,為50;而Ge和Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體的αn/αp比則約小于2。5.6.3雪崩擊穿二極管特性由碰撞電離引起的載流子的倍增,這里電子作為初始電流,且αn?αp。雪崩光電二極管的增益機理是雪崩倍增,雪崩倍增是碰撞電離的結果,通常會重復多次。倍增因子電離系數(shù)是電場強度的函數(shù),且隨材料參數(shù)改變。5.6.3雪崩擊穿二極管在低壓下,特性類似于p-i-n光電二極管或肖特基勢壘光電二極管。在較高電壓下,暗電流和光電流都被放大。I-V特性量子效率
倍增的光電流遺憾的是,暗電流也在倍增。噪聲因子k應減到最小(使比值α比大)以減小噪聲。5.6.3雪崩擊穿二極管雪崩光電二極管的響應時間受雪崩積累的限制。這是除通過器件的渡越時間以外的時間,所以雪崩光電二極管比p-i-n二極管或肖特基勢壘光電二
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