《半导体光电子学课件》绪 论

半导体光电子学课件欢迎来到半导体光电子学课程本课程将深入探讨半导体材料、器件和应用，揭示光与电子相互作用的奥秘让我们开始这段激动人心的学习之旅半导体光电子学的研究内容材料科学器件物理应用技术研究半导体材料的结构、性质和探讨半导体器件的工作原理和性开发半导体光电子器件在各领域制备方法能特征的创新应用半导体材料的发展简史年18331法拉第发现硫化银的电导率随温度升高而增加年19472肖克利等人发明晶体管，开启半导体时代年代19603硅集成电路技术兴起，推动微电子革命世纪214新型半导体材料不断涌现，推动光电子技术发展半导体材料的基本特性电学特性光学特性热学特性导电性介于导体和绝缘体之间，可通具有独特的光吸收和发射特性，可用导热性较好，温度对电学性质影响显过掺杂调控于光电转换著本征半导体和掺杂半导体本征半导体型半导体N纯净半导体，电子和空穴浓掺入施主杂质，自由电子浓度相等如纯硅、锗度增加如掺磷的硅型半导体P掺入受主杂质，空穴浓度增加如掺硼的硅半导体能带结构的形成原子轨道孤立原子的电子能级离散分布能带形成原子靠近时，能级分裂形成连续能带禁带出现价带顶和导带底之间形成禁带能带结构最终形成半导体特有的能带结构半导体材料的电子分布导带1自由电子占据禁带2无电子存在价带3束缚电子占据费米能级决定电子占据概率，温度影响电子分布载流子浓度及其分布电子浓度空穴浓度导带中自由电子的数量价带中空穴的数量温度影响温度升高，载流子浓度增加电子和空穴的产生与复合产生过程复合过程•热激发•带间直接复合•光激发•陷阱辅助复合•碰撞电离•俄歇复合电子和空穴的输运过程漂移在电场作用下，载流子定向移动扩散载流子从高浓度区向低浓度区移动复合电子与空穴相遇并湮灭扩散电流和迁移电流扩散电流迁移电流由载流子浓度梯度引起，方由外加电场引起，方向与电向从高浓度到低浓度场方向一致总电流扩散电流和迁移电流的矢量和半导体的热平衡状态费米能级质量作用定律电子占据概率为1/2的能级n₀p₀=nᵢ²，描述电子和，决定载流子分布空穴浓度关系载流子浓度平衡产生速率等于复合速率，保持动态平衡半导体非平衡态下的动力学过程123激发弛豫复合外部能量输入，产生额外载流子载流子能量松弛，达到准平衡态过剩载流子逐渐复合，系统回到平衡态半导体结的形成PN型和型半导体接触1P N载流子扩散2空间电荷区形成3内建电场建立4PN结是半导体器件的基本单元，其特性决定了许多器件的性能势垒高度和空间电荷区势垒高度空间电荷区PN结两侧的能级差，决定电流通过难易程度PN结界面附近的耗尽区，存在强电场正向偏压下的结特性PN势垒降低外加电压减小内建电场载流子注入多数载流子注入少数载流子区电流增大载流子注入导致电流显著增加反向偏压下的结特性PN势垒升高耗尽区扩宽外加电压增强内建电场空间电荷区宽度增加饱和电流少数载流子漂移形成小电流肖特基结的形成与特性形成过程特点金属与半导体直接接触，形成势垒•开关速度快•正向压降低•无少数载流子存储效应光电导效应和光伏效应光电导效应光伏效应光照使半导体电导率增加光照产生电动势应用光敏电阻、太阳电池等光电检测器的工作原理光子吸收1载流子产生2载流子分离3电信号输出4光电检测器将光信号转换为电信号，广泛应用于光通信、成像等领域和激光二极管的工作原理LED激光二极管LED电子-空穴复合发光，光谱宽受激辐射发光，光谱窄，相干性好光波导和集成光电路光波导集成光电路利用全反射原理传输光信号在单一芯片上集成多种光电子器件应用光通信、光计算、生物传感等领域太阳电池原理和结构光子吸收入射光子被半导体材料吸收电子空穴对生成-光子能量激发产生载流子载流子分离内建电场将电子和空穴分离电流产生载流子在外电路形成光生电流半导体器件制造工艺流程晶圆制备1生长高纯度单晶硅锭，切片抛光氧化和光刻2生长二氧化硅层，光刻定义图形掺杂3离子注入或扩散引入杂质金属化4沉积金属层形成电极和互连封装测试5切割、封装、功能测试薄膜沉积技术蒸发法溅射法适用于金属薄膜沉积适用于各种材料薄膜化学气相沉积适用于高质量薄膜光刻和蚀刻技术光刻蚀刻利用光敏材料转移图形步骤涂胶、曝光、显影选择性去除材料分为湿法蚀刻和干法蚀刻离子注入和扩散技术离子注入热扩散高能离子束轰击样品，精确高温下杂质原子扩散，形成控制掺杂掺杂区退火修复晶格损伤，激活杂质金属化和封装技术金属化切割12沉积金属层形成电极和互将晶圆切割成单个芯片连线引线键合封装34将芯片电极与引脚连接将芯片封装在保护外壳中半导体材料和器件测试技术电学测试光学测试测量电阻率、载流子浓度等测量发光效率、光谱等结构测试分析晶体结构、缺陷等半导体光电子学应用领域课程总结基础知识1半导体物理基础器件原理2PN结、LED、激光器等制造工艺3薄膜、光刻、封装等测试技术4电学、光学、结构表征应用领域5通信、能源、显示等。