Электронный учебно-методический комплекс Твердотельная электроника Приборы специального назначения
11_spetspribory.ppt
- Размер: 18.1 Мб
- Автор:
- Количество слайдов: 156
Описание презентации Электронный учебно-методический комплекс Твердотельная электроника Приборы специального назначения по слайдам
Электронный учебно-методический комплекс Твердотельная электроника Приборы специального назначения МОСКВА 2011 НИУ «МЭИ» Презентации к лекционному курсу
Спонтанные (а) и вынужденные (б, в) переходы
Принцип работы СФР
Процесс релаксации избыточной энергии электрона в зоне проводимости время максвелловской релаксации
000 00 pnpn pn pnqpnq ppnnq n. Gn p. Gp эффф. АNG d k. T hc c d. ТNФ 1 exp 1 2,
Поглощение светаd. Iexp
Поглощение света
Коэффициент поглощения для Ge , Si и Ga. As
К понятию квазиуровня Ферми
Виды переходов
• СФР — прибор для регистрации электро-магнитного излучения, принцип действия которого основан на изменении сопротивления за счет возбуждения электронов и дырок при поглощении квантов света с энергией большей или равной ширине запрещенной зоны
• Простейший ФР представляет собой тонкий слой однородного полупроводникового материала, заключенный между двумя металлическими невыпрямляющими электродами, являющимися выводами прибора.
• СФР является пассивным элементом, т. е. для его работы необходима батарея питания U 0. Изменение проводимости СФР фиксируется как изменение напряжения (тока) на нагрузочном сопротивлении ( Rн ), включенном последовательно с ФП. Rн обычно выбирается равным или большим, чем темновое сопротивление ФР
Фотодиоды
Фотодиоды АNq. I фф . 1 exp 00 T см s T см p np n pn V J V L p. D L n. D qj Формула Шокли. sф III
ВАХ фотодиода сh. NФ ф фэ
Существует три режима работы фотодиода: • фотодиодный (фотогальванический) режим – III квадрант; • фотовольтаический (вентильный) режим – IV квадрант; • режим лавинного счетчика фотонов.
• Поглощение в различных областях
• Частотные характеристики фотодиода определяются двумя составляющими: временем диффузии носителей до ОПЗ ( ) и временем пролета через ОПЗ ( ). дt It ннд. Dxt 2 2 max i. I wt
Структура рiп- фотодиода
• Эти фотодиоды находят широкое применение в линиях оптической связи, так как их время фотоответа составляет 10 -8 … 10 -10 с, и оптронах, то есть приборах, совмещающих источник и приемник излучения.
Лавинные фотодиоды (ЛФД) • это прибор, принцип действия которого основан на лавинном умножении фототока. Он работают при высоких обратных смещениях, близких к напряжению лавинного умножения.
Лавинный фотодиод
• ЛФД изготовляют с pin — структурой, на основе гетероструктур (варизонной структурой, т. е. структурой с плавным изменением химического состава полупроводника), а также на основе барьера Шоттки. ЛФД с варизонной структурой обладают лучшей стабильностью коэффициента умножения при флуктуациях приложенного напряжения
Разрез эпитаксиального ЛФД с п + -р-π-р + — структурой: 1 — антиотражающее покрытие; 2 – эпитаксиальная π -область (ρ> 300 Ом см); 3 — ∙ р + -подложка
Планарный (а) и мезапланарный (б) ЛФД с двумя эпитаксиальными слоями (р=π)
Фотодиоды на основе барьеров Шоттки
Фотодиод Шоттки Au — n — Ga. P Фотодиод Шоттки Ga. P
ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ (ПЗС)
Структура металл-диэлектрик-полупроводник 2 0 2 d dx 2 2 0 Sid dx
Структура металл-диэлектрик-полупроводник • – для окисного слоя; • – для Si , 2 0 2 d dx 0 xxd 2 2 0 Sid dx 20 / Si. O ох об C d Aq N 2 2 0 0 A Si Si q Nd dx Si o d d C x
Структура металл-диэлектрик-полупроводник 2 0 , 0 2 A d d Si q N x x 2 02 S A пов d Si q N x 2 S B ln A B i Nk T q n 0 exps s Tn n
Структура металл-диэлектрик-полупроводник 04 ( 2 ) 2 Si A пор з B B ox q N U U
Заряды в окисле
ПЗС с поверхностным каналом (ПК)
ПЗС
Формирователи видео сигналов (ФВС) Тнакопл Тперед. Ф 1 Ф 2 Выходной сигнал
Перенос заряда xур. элект — ронов t 0 t 0 x txn C q x tx tx. E ох S пов ), (
Эффективность переноса )0( )( 1 )0( )()0( N TNN Неэффективность переноса )0( )( 1 0 0 N TN t. T t
Темновой ток ic a i n n d c i dn. Sq N n L Dq x nq j
Структуры ПЗС
ПЗС с объемным каналом
Функционирование ПЗС с обедненным каналом
U 3=0 n-n/np-n/n. Si мет dsh состояние «плоских зон»
После удаления заряда из канала переноса
Полупроводниковые источники оптического излучения
• Для излучения фотонов и их последующего вывода из полупроводникового материала необходимо, чтобы энергия излучаемых фотонов была слишком мала для их последующего поглощения в материале
Межзонная рекомбинация • излучательная , поскольку энергия, выделяемая при рекомбинации каждой пары излучается в виде фотона с энергией • скорость излучательной рекомбинации пропорциональна произведению концентраций электронов и дырокgvc. EEEh. E pn. R
Инверсная населенность • Это соответствует вырожденному состоянию в полупроводнике. При этом лазерном условии достигается инверсная населенность , при которой ни одно состояние, участвующее в процессе излучения не может участвовать в поглощении. 2 i npn
Накачка • то есть создание неравновесного возбужденного состояния с инверсной населенностью уровней можно осуществить инжекцией носителей.
Энергетические диаграммы и распределение носителей заряда по энергиям
Спонтанные и вынужденные переходы • Различают также спонтанные (самопроизвольные) и вынужденные переходы. Вынужденные переходы с излучением с уровня E 2 на уровень E 1 происходят под действием фотонов с энергией 12 EEh
Спонтанная рекомбинация • Спонтанная рекомбинация генерирует фотоны, распространяющиеся в произвольном направлении и имеющие произвольные фазы
Вынужденная рекомбинация • При вынужденной рекомбинации генерируются фотоны, имеющие ту же частоту, направление распространения и фазу, что и фотон, индуцирующий рекомбинацию
Спонтанные и вынужденные переходы • В состоянии равновесия имеет место преимущественно спонтанная рекомбинация, когда же система выходит из равновесия, увеличивается плотность электронов в верхнем состоянии, растет скорость вынужденной рекомбинации
Светодиоды и полупроводниковые лазеры • принадлежат к классу люминесцентных приборов. • Люминесценцией называется оптическое излучение, возникающее в результате электронного возбуждения материала.
Инжекционная электролюминесценция • В зависимости от источника энергии возбуждения выделяют несколько видов люминесценции, мы будем рассматривать инжекционную электролюминесценцию, которая представляет собой оптическое излучение, возникающее при инжекции неосновных носителей при прямом смещении pn -переходов, так как в этом случае электрическая энергия непосредственно преобразуется в фотоны
Инжекционная электролюминесценция • Эффективным с точки зрения люминесценции является такой материал, в котором излучательные переходы превалируют над безизлучательными
Эффективность люминесценции • определяется как отношение числа возбужденных носителей, дающих вклад в излучение, к полному числу носителей, участвующих в рекомбинации можно определить следующим образом: • Из (6. 8) следует, что для обеспечения высокой квантовой эффективности времена жизни излучательной рекомбинации должно быть мало. ибибиполиq. RR/
Эффективность люминесценции • Наиболее вероятны излучательные переходы у материалов прямозонных полупроводников группы А IIIBV. Для индикаторных устройств используют широкозонные полупроводники с Eg >1, 7 э. В.
Светодиоды – • это полупроводниковый прибор, с гомо- или гетеро- pn — переходом, вблизи которого возникает люминесценция при включении прибора в прямом направлении
Достоинства светодиодов: • высокое быстродействие и легкость амплитудной модуляции в широком частотном интервале; миниатюрные размеры, позволяющие изготовлять на их основе интегральные излучающие матрицы; широкая возможность выбора материала излучателя для спектрального согласования с фотоприемником при конструировании оптопар.
Спектральная характеристика излучения светодиода • при межзонных переходах представляет собой линию полушириной k. T и центрированную при значении g. Eh
Излучательная рекомбинация, обусловленная межзонными электронными переходами
• Фотоны, генерируемые в области перехода, испускаются во всех направлениях, однако наблюдателя достигает лишь та часть, которая проходит через поверхность полупроводника
Внутренний квантовый выход • равен отношению количества излученных фотонов на единицу площади pn — перехода к количеству инжектированных носителей заряда через pn — переход в единицу времени и равно отношению полного времени жизни носителей, определяемого излучательной и безизлучательной рекомбинацией к излучательному времени жизни носителей заряда: , intpnnpиnинжф. NN
Коэффициент инжекции электронов в p –область • Светодиоды конструируют таким образом, чтобы была преимущественная инжекция носителей одного знака и, следовательно, излучательная рекомбинация в одной из областей pn -перехода. Для этого эмиттерную область сильно легируют, вплоть до вырождения, однако при этом возрастает вероятность туннельного тока , тунgrpnnn. JJJJJ
Коэффициент инжекции электронов в p –область • Другим способом повышения коэффициента инжекции является применение гетероперехода. Если использовать узкозонный материал p или n -типа ( Ga. As ) и широкозонный материал ( Ga. Al. As ), инжекция электронов из широкозонного полупроводника будет происходить значительно легче, чем из узкозонного
Эффект «сверхинжекции» в n р -гетеропереходе
Энергетическая диаграмма гетероперехода р — Ga. As — Ga 1 -х Al х As
Энергетические диаграммы гетероструктуры ( n -Al x 1 Ga 1– x 1 As) – ( р -Ga. As) – ( р + Al x 2 Ga 1– x 2 As)
Энергетическая диаграмма на Ga. N-гетероструктурах
Внешний квантовый выход • есть отношение количества фотонов, излученных в единицу времени во внешнюю среду к количеству носителей, прошедших через pn — переход, будет обусловлено поглощением в материале светодиода и потерями за счет отражения при выходе света через границу полупроводник – внешняя среда. ГTextint
Коэффициент выхода света Г • оптимизируют путем использования просветляющих покрытий и подбором формы той области кристалла, через которую излучение выводится во внешнюю среду. При этом наибольшее значение Г наблюдается для сферической конфигурации светодиода
21 nnnп 412 mdn nп
Излучающий элемент СД плоской конструкции (а) и с мезаструктурой (б)
Один из первых образцов с решеткой 8 х8 светодиодов (фото Nature Materials)
Полупроводниковые лазеры
Слово «лазер» ( LASER ) — аббревиатура английского выражения L i ght Amplification by Stimulated Emission of Radiation , которое переводится как «усиление света вынужденным излучением» . • Идея применения полупроводников для генерации излучения была сформулирована Басовым Н. Г. , Вулом Б. М. , Поповым Ю. М. (Физический институт АН СССР). • Первый полупроводниковый лазер был создан в 1960 г.
Первый инжекционный лазер был сделан в 1962 г. одновременно в СССР (Басов Н. Г. , Богданкевич О. В. – ФИАН и Наследов Д. Н. и др. , Физтех, Ленинград) и в США (Р. Холл, М. Натан). Первые лазеры, выполненные на гомопереходах, обладали слишком высокой плотностью порогового тока (более 5·108 А/м 2) и работали только в импульсном режиме при охлаждении до температуры жидкого азота (77 К).
К достоинствам полупроводниковых лазеров относятся: • Компактность (малые размеры). • Сравнительно малая инерционность (10– 10– 9 с. • Высокий КПД: высокая эффективность преобразования подводимой энергии в энергию когерентного излучения. • Широкий диапазон длин волн генерации (0, 32 – 3, 5 мкм) обусловлен использованием полупроводников с различной шириной запрещенной зоны (тройные и четверные соединения.
Диапазон длин волн, охватываемый диодными лазерами
• В отличие от светодиодов, в полупроводниковых лазерах преобладает вынужденное излучение. При выполнении лазерного условия необходимо также добиться накачки лазера, то есть определенной плотности тока Jt , называемой пороговой, когда возрастание интенсивности излучения в максимуме спектра будет больше потерь.
Ватт-амперная характеристика лазерного диода
• При плотности тока ниже Jt преобладают спонтанные переходы, при плотности тока выше Jt – вынужденные, причем интенсивность излучения резко возрастает. Для того чтобы получить лазерное излучение в виде направленного пучка необходимо добиться когерентности излучения.
Изменение спектра излучения полупроводникового лазера при увеличении тока выше порогового
Резонатор • Для получения когерентности излучения используют резонатор , который поддерживает рост колебаний определенной частоты и фазы. В простейшем случае резонатор Фабри-Перо представляет собой две зеркальные грани кристалла, перпендикулярные плоскости pn — перехода.
Резонатор Фабри-Перо
Резонатор • Излучение, распространяющееся перпендикулярно этой паре граней образует в резонаторе стоячие волны, когда на длине резонатора укладывается целое число полуволн излучения. Две другие плоскости, также перпендикулярные pn -переходу, обрабатывают грубо, чтобы устранить от них отражение.
Схематическое изображение некоторых простых типов колебаний, образующих стоячие волны
Сравнение формы спектральной линии со спектром собственных частот оптического резонатора
Резонатор • Для предотвращения попадания излучения в квазинейтральные области активная область лазера, в которой происходит вынужденная излучательная рекомбинация, имеет более высокий показатель преломления, чтобы излучение за счет полного внутреннего отражения не выходило за пределы активной области, а вызывало бы вновь вынужденное излучение, то есть вынужденное сверхсвечение
• Таким образом, полупроводниковые лазеры испускают вынужденное излучение, когерентное в пространстве и во времени, совпадающее с вызвавшими его фотонами. Излучение лазера высокомонохроматично (имеет узкую полосу спектра) и создает строго направленный луч света. Особенностями полупроводникового лазера по сравнению с другими квантовыми генераторами (газовыми и твердотельными) являются малая длина резонатора и малый объем активной области
• Инжекционные лазеры на основе гомогенных pn -переходов имеют высокое значение плотности порогового тока jt , сильно зависящую от температуры. Это связано с тем, что для достижения инверсной населенности полупроводник необходимо легировать до вырождения. Однако в результате сильного легирования в материале появляется большое количество дефектов, которые служат центрами безизлучательной рекомбинации
• Для компенсации потерь излучения необходимо увеличивать уровень инжекции и прямой ток. Это в свою очередь приводит к выделению в полупроводнике большого количества тепла, поэтому такие приборы работают преимущественно в импульсном режиме при низкой температуре
Гетероструктуры • Успехи в технике эпитаксиального наращивания пленок полупроводников позволили изготовить гетероструктуры, в которых недостатки гомопереходов были в значительной степени устранены. Впервые лазеры на основе таких структур были изготовлены сотрудниками ФТИ АН им. А. Ф. Иоффе под руководством Ж. И. Алферова
Схема гетероперехода р — Ga. As — Ga 1 -х Al х As
Суперинжекция • Инжекция ведется в средний слой, там же происходит рекомбинация. Инверсная населенность образуется за счет двойной инжекции: слева инжектируются электроны, справа – дырки, при этом может наблюдаться явление суперинжекции , когда носителей в средней области (базе) становится много больше, чем в эмиттерах
• В гетеропереходах области инверсной населенности и рекомбинации практически совпадают. Можно снизить уровень легирования базы, что уменьшает количество дефектов, а, следовательно, и количество центров безизлучательной рекомбинации.
Оптическое ограничение • Если подобрать полупроводники таким образом, чтобы базовый слой имел коэффициент преломления больше, чем у левого и правого слоя, излучение в нем будет распространяться как в волноводе за счет внутреннего отражения от эмиттерных областей. Такое явление называется оптическим ограничением
Структура энергетических зон гетероперехода
Структура полупроводникового лазера
Гетеропереходы
Жор с Алфёровее Герберт Крёмер
Основные понятия • Гетеропереходом называют контакт двух полупроводников различного вида и разного типа проводимости, например, p Ge ‒ n Ga. As. Отличие гетеропереходов от обычного p-n ‒перехода заключается в том, что в обычных p-n ‒переходах используется один и тот же вид полупроводника, например, p Si‒ n Si. Поскольку в гетеропереходах используются разные материалы, необходимо, чтобы у этих материалов с высокой точностью совпадали два параметра: температурный коэффициент расширения (ТКР) и постоянная решетки
Основные понятия • С учетом сказанного количество материалов для гетеропереходов ограничено. Наиболее распространенными из них являются германий Ge, арсенид галлия Ga. As, фосфид индия In. P, четырехкомпонентный раствор In. Ga. As. P
Зонные диаграммы гетеропереходов при различных комбинациях Eg и χ в случае равенства термодинамических работ выхода Ф 1 = Ф
Контакт германий p Ge и арсенид галлия n Ga. As • Приведем в контакт германий p Ge и арсенид галлия n Ga. As. • При построении зонной диаграммы гетероперехода учтем следующие факторы: • 1. Уровень вакуума Е =0 непрерывен. • 2. Электронное сродство в пределах одного сорта полупроводника χGe и χGa. As постоянно. • 3. Ширина запрещенной зоны Eg в пределах одного сорта полупроводника остается постоянной.
Контакт германий p Ge и арсенид галлия n Ga. As • С учетом этого в процессе построения зонной диаграммы гетероперехода при сращивании дна зоны проводимости EC этих полупроводников на металлургической границе перехода на зонной диаграмме образуется «пичок». Величина «пичка» Δ EC равна:
Контакт германий p Ge и арсенид галлия n Ga. As • При сшивании вершины валентной зоны ЕV в области металлургического перехода получается разрыв Δ EV. Величина «разрыва» равна: • Из приведенных соотношений следует, что суммарная величина «пичка» Δ EC и «разрыва» Δ EV составляет
Зонная диаграмма гетероперехода p Ge — n Ga. As в равновесных условиях
Зонная диаграмма гетероперехода n Ge — p Ga. As в равновесных условиях
Зонные диаграммы для различных типов гетеропереходов при условии, что термодинамическая работа выхода Ф 1 < Ф
Распределение электрического поля и потенциала в области пространственного заряда для гетероперехода
Ширина области пространственного заряда гетероперехода W
Распределение электрического поля и потенциала в области пространственного заряда гетероперехода n Ge — p Ga. As
Распределение электрического поля • Скачок электрического поля в гетеропереходе на металлургической границе обусловлен различными значениями диэлектрических постоянных ε 1 и ε 2.
• Рассмотрим зонную диаграмму гетероперехода приложении внешнего напряжения V. Как и в случае p-n ‒перехода, знак напряжения будет определяться знаком приложенного напряжения на p -область гетероперехода.
Зонные диаграммы гетероперехода n. Ge — p. Ga. As при положительном V > 0 и отрицательном V < 0 Пунктиром изображены энергетические уровни в равновесных условиях V =
Вольт-амперные характеристики гетероперехода • Расчет вольт-амперных характеристик гетероперехода проводится исходя из баланса токов термоэлектронной эмиссии. Используя тот же самый подход, для вольт-амперной характеристики гетероперехода получаем следующую зависимость
ВАХ при прямом смещении • Поскольку арсенид галлия ‒ более широкозонный полупроводник, чем германий, то собственная концентрация в арсениде галлия ( ni 2) будет много меньше, чем в германии ( ni 1), следовательно, дырочная компонента Jp инжекционного тока будет много меньше, чем электронная компонента Jn
Потенциальная яма в гетеропереходах
Потенциальная яма в гетеропереходах • На зонной диаграмме гетеропереходов видно, что в области «пичка» для электронов или дырок реализуется потенциальная яма. Расчеты электрического поля в этой области показывают, что его значение достигает величины E ~ 106 В/см. В этом случае электронный газ локализован в узкой пространственной области вблизи металлургической границы гетероперехода
Двумерный электронный газ • Для описания такого состояния используют представление о двумерном электронном газе. • Для двумерного электронного газа меняется плотность квантовых состояний в разрешенных зонах, спектр акустических и оптических фононов, а, следовательно, кинетические явления в двумерных системах (подвижность носителей, магнетосопротивление и эффект Холла).
Двумерный электронный газ • Самое важное состоит вот в чем: разрывы энергии уровней зоны проводимости и валентной зоны представляют собой квантовые потенциальные барьеры для электронов и, соответственно, дырок
Квантовые ямы • Формируемые квантовые ямы могут иметь отнюдь не только прямоугольную форму, плавным изменением состава (т. е. величины х в формуле вида Gax. Al 1 -x. As) можно получить, например, яму «пилообразного» вида
• Могут быть сформированы структуры с практически любой наперед заданной вольт-амперной характеристикой и любыми, необходимыми на практике, электронными свойствами. Работы по созданию гетероструктур принесли Нобелевскую премию по физике 2000 года Жоресу Ивановичу Алферову (Россия) и Герберту Кремеру (Германия) «за разработку полупроводниковых гетероструктур, используемых в высокоскоростной оптоэлектронике»
Лазеры с квантово-размерными слоями
Потенциальная прямоугольная яма конечной глубины ax. U ax x. U , 0,
Потенциальная прямоугольная яма конечной глубины0)( 2)( 3, 102 0 2 3, 1 2 x. ЕU m dx xd EU m k 02 0 1 2 0)()( 3, 12 1 2 3, 12 xk dx xd 0)( 22 0 2 2 2 x. Е m dx xd
Потенциальная прямоугольная яма конечной глубины . , )( ; 0, sin)( ; 0, exp)( 1 33 22 111 аxе. Bх axxk. Сx xxk. Ax хk
Потенциальная прямоугольная яма конечной глубины
• При уменьшении толщины базы гетероструктур начинают наблюдаться квантово-размерные эффекты. Для этого толщина базы ( L ) должна стать соизмеримой с длиной волны де Бройля , то есть составлять десятки ангстрем ph. L БZ
Диаграмма энергетических уровней КРС на основе Alx. Ga 1–x. As / Ga. As / Alx. Ga 1–x. As
Плотности состояний в зоне проводимости и валентной зоне однослойной КРС 2*2 2 dmn. Edn
Линейка полосковых лазеров