《半導(dǎo)體光電子學(xué)課件》緒 論

半導(dǎo)體光電子學(xué)課件歡迎來到半導(dǎo)體光電子學(xué)課程。本課程將深入探討半導(dǎo)體材料、器件和應(yīng)用，揭示光與電子相互作用的奧秘。讓我們開始這段激動人心的學(xué)習(xí)之旅。半導(dǎo)體光電子學(xué)的研究內(nèi)容材料科學(xué)研究半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和制備方法。器件物理探討半導(dǎo)體器件的工作原理和性能特征。應(yīng)用技術(shù)開發(fā)半導(dǎo)體光電子器件在各領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。半導(dǎo)體材料的發(fā)展簡史11833年法拉第發(fā)現(xiàn)硫化銀的電導(dǎo)率隨溫度升高而增加。21947年肖克利等人發(fā)明晶體管，開啟半導(dǎo)體時代。31960年代硅集成電路技術(shù)興起，推動微電子革命。421世紀(jì)新型半導(dǎo)體材料不斷涌現(xiàn)，推動光電子技術(shù)發(fā)展。半導(dǎo)體材料的基本特性電學(xué)特性導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，可通過摻雜調(diào)控。光學(xué)特性具有獨特的光吸收和發(fā)射特性，可用于光電轉(zhuǎn)換。熱學(xué)特性導(dǎo)熱性較好，溫度對電學(xué)性質(zhì)影響顯著。本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體純凈半導(dǎo)體，電子和空穴濃度相等。如純硅、鍺。N型半導(dǎo)體摻入施主雜質(zhì)，自由電子濃度增加。如摻磷的硅。P型半導(dǎo)體摻入受主雜質(zhì)，空穴濃度增加。如摻硼的硅。半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的形成原子軌道孤立原子的電子能級離散分布。能帶形成原子靠近時，能級分裂形成連續(xù)能帶。禁帶出現(xiàn)價帶頂和導(dǎo)帶底之間形成禁帶。能帶結(jié)構(gòu)最終形成半導(dǎo)體特有的能帶結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體材料的電子分布1導(dǎo)帶自由電子占據(jù)2禁帶無電子存在3價帶束縛電子占據(jù)費米能級決定電子占據(jù)概率，溫度影響電子分布。載流子濃度及其分布電子濃度導(dǎo)帶中自由電子的數(shù)量。空穴濃度價帶中空穴的數(shù)量。溫度影響溫度升高，載流子濃度增加。電子和空穴的產(chǎn)生與復(fù)合產(chǎn)生過程熱激發(fā)光激發(fā)碰撞電離復(fù)合過程帶間直接復(fù)合陷阱輔助復(fù)合俄歇復(fù)合電子和空穴的輸運過程漂移在電場作用下，載流子定向移動。擴散載流子從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)移動。復(fù)合電子與空穴相遇并湮滅。擴散電流和遷移電流擴散電流由載流子濃度梯度引起，方向從高濃度到低濃度。遷移電流由外加電場引起，方向與電場方向一致?？傠娏鲾U散電流和遷移電流的矢量和。半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài)費米能級電子占據(jù)概率為1/2的能級，決定載流子分布。質(zhì)量作用定律n?p?=n?2，描述電子和空穴濃度關(guān)系。載流子濃度平衡產(chǎn)生速率等于復(fù)合速率，保持動態(tài)平衡。半導(dǎo)體非平衡態(tài)下的動力學(xué)過程1激發(fā)外部能量輸入，產(chǎn)生額外載流子。2弛豫載流子能量松弛，達(dá)到準(zhǔn)平衡態(tài)。3復(fù)合過剩載流子逐漸復(fù)合，系統(tǒng)回到平衡態(tài)。半導(dǎo)體PN結(jié)的形成1P型和N型半導(dǎo)體接觸2載流子擴散3空間電荷區(qū)形成4內(nèi)建電場建立PN結(jié)是半導(dǎo)體器件的基本單元，其特性決定了許多器件的性能。勢壘高度和空間電荷區(qū)勢壘高度PN結(jié)兩側(cè)的能級差，決定電流通過難易程度?？臻g電荷區(qū)PN結(jié)界面附近的耗盡區(qū)，存在強電場。正向偏壓下的PN結(jié)特性勢壘降低外加電壓減小內(nèi)建電場。載流子注入多數(shù)載流子注入少數(shù)載流子區(qū)。電流增大載流子注入導(dǎo)致電流顯著增加。反向偏壓下的PN結(jié)特性勢壘升高外加電壓增強內(nèi)建電場。耗盡區(qū)擴寬空間電荷區(qū)寬度增加。飽和電流少數(shù)載流子漂移形成小電流。肖特基結(jié)的形成與特性形成過程金屬與半導(dǎo)體直接接觸，形成勢壘。特點開關(guān)速度快正向壓降低無少數(shù)載流子存儲效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)和光伏效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光照使半導(dǎo)體電導(dǎo)率增加。光伏效應(yīng)光照產(chǎn)生電動勢。應(yīng)用光敏電阻、太陽電池等。光電檢測器的工作原理1光子吸收2載流子產(chǎn)生3載流子分離4電信號輸出光電檢測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，廣泛應(yīng)用于光通信、成像等領(lǐng)域。LED和激光二極管的工作原理LED電子-空穴復(fù)合發(fā)光，光譜寬。激光二極管受激輻射發(fā)光，光譜窄，相干性好。光波導(dǎo)和集成光電路光波導(dǎo)利用全反射原理傳輸光信號。集成光電路在單一芯片上集成多種光電子器件。應(yīng)用光通信、光計算、生物傳感等領(lǐng)域。太陽電池原理和結(jié)構(gòu)光子吸收入射光子被半導(dǎo)體材料吸收。電子-空穴對生成光子能量激發(fā)產(chǎn)生載流子。載流子分離內(nèi)建電場將電子和空穴分離。電流產(chǎn)生載流子在外電路形成光生電流。半導(dǎo)體器件制造工藝流程1晶圓制備生長高純度單晶硅錠，切片拋光。2氧化和光刻生長二氧化硅層，光刻定義圖形。3摻雜離子注入或擴散引入雜質(zhì)。4金屬化沉積金屬層形成電極和互連。5封裝測試切割、封裝、功能測試。薄膜沉積技術(shù)蒸發(fā)法適用于金屬薄膜沉積。濺射法適用于各種材料薄膜?；瘜W(xué)氣相沉積適用于高質(zhì)量薄膜。光刻和蝕刻技術(shù)光刻利用光敏材料轉(zhuǎn)移圖形。步驟：涂膠、曝光、顯影。蝕刻選擇性去除材料。分為濕法蝕刻和干法蝕刻。離子注入和擴散技術(shù)離子注入高能離子束轟擊樣品，精確控制摻雜。熱擴散高溫下雜質(zhì)原子擴散，形成摻雜區(qū)。退火修復(fù)晶格損傷，激活雜質(zhì)。金屬化和封裝技術(shù)1金屬化沉積金屬層形成電極和互連線。2切割將晶圓切割成單個芯片。3引線鍵合將芯片電極與引腳連接。4封裝將芯片封裝在保護外殼中。半導(dǎo)體材料和器件測試技術(shù)電學(xué)測試測量電阻率、載流子濃度等。光學(xué)測試測量發(fā)光效率、光譜等。結(jié)構(gòu)測試