微电子学概论_第九课

得人才者得天下，集人心者集大成微电子学概论第九课光电器件小论文参考文献格式在正文中出现引用参考文献内容的地方注上上角标[1]，用中括号括起来，若是有多篇文献在同一处出现，括号中可以用逗号[2,3,4]，或者连号分开不同文献[5-10]。所引用的文献在正文最后应当列出，按照序号、作者、文献题目、文献的出处刊物（或者会议、链接、出版物等）的名称、卷、册、页码、年份的顺序标明。作者为多人时，可以只列出前三位，其他的作者以“等”或者“etal.”指代，每一项之间用逗号隔开。各个学科的参考文献引用格式不尽相同，请注意分别，以上格式在微电子学论文中颇为常见。[1]张兴,黄如,刘晓彦，“微电子学概论”，北京大学出版社，第三版，第32页，2010年[2]Yuantaur,TakH.Ning,“FundamentalsofModernVLSIDevices”,Cambridgeuniversitypress,p.203,2012[3]C.Auth,C.Allen,A.Blattner,etal.,“A22nmHighPerformanceandLow-PowerCMOSTechnologyFeaturingFully-DepletedTri-GateTransistors,Self-AlignedContactsandHighDensityMIMCapacitors”,VLSISymposiaonTechnology,p.131,2012提纲•光电子学简介•发光二极管(Light-emittingdiode,LED)•半导体激光器(Semiconductorlaser)•光探测器(Photodetector)•电荷耦合传感器(ChargeCoupledDevice,CCD)•太阳能电池(SolarCell)★光电子学简介光电子学是什么？Optoelectronics=optics+electronics光电子学=光+电子学相互转换光子电子光的吸收和辐射E2E1E2E1E2E1E2E1E2E1E2E1hν12hν12E2-E1hν12Absorption（吸收）Spontaneousemission自发辐射Stimulatedemission受激辐射hν12Hν12(相位相同)hν12τ:10-9to10-3sτ:immediately固体中的光吸收过程(a)本征吸收,(b)激子吸收,(c)载流子吸收,(d)杂质吸收,(e)晶格吸收h激子库伦作用晶格振动自由载流子杂质能级(a)(b)(c)(d)(e)光吸收的种类•本征吸收–价带电子吸收光子后，跃迁到导带形成自由电子•激子吸收–电子被光子激发到导带以后，和价带上的空穴仍然通过库仑力作用形成一个束缚的电子-空穴对，称为激子。与激子产生相关的光吸收称为激子吸收。•自由载流子吸收–光子被导带或者价带内的自由电子和空穴吸收，形成高能量的电子和空穴•晶格吸收–被晶格原子吸收，形成更高频率的振动•杂质吸收–电子吸收光子，被激发到禁带中的杂质能级上固体中的光辐射过程abcdeff辐射效率（内量子效率）ηr=单位时间内产生的光子数单位时间内注入的非平衡载流子数带间复合激子复合间接复合杂质对复合带内复合激子复合在固体发光器件中为最主要的发光方式!光辐射的种类•光致发光–光吸收导致的电子-空穴对发生复合产生辐射.•阴极射线发光–电子束轰击荧光材料产生发光.•放射线发光–高能α,β或者X射线轰击荧光材料产生发光.•电致发光–通过电注入形成非平衡载流子以后发生复合发光.★发光二极管LED的构成LED的构成包括：支架；晶片；银胶；金线；环氧树脂发光原理•电注入过剩载流子，发生自发复合引起自发辐射，辐射的光波长和材料的禁带宽度有关。•注入方式:PN结正向偏置npV0外量子效率•实际发射出的光子数占产生的总光子数的比例。–内部吸收；发射损耗；临界角损耗等GaP发光二极管的外量子效率与掺杂和结深的关系LED材料的要求•合适的禁带宽度–hν12=Ec-Ev=Eg–可见光波长:380~780nm(对应1.63eVEg)•可以形成高导电率的N和P型半导体•良好的晶体质量，极少的晶格缺陷•很高的复合率LED常见光谱•AlGaAs-红色及红外线•AlGaP-绿色•AlGaInP-高亮度的橘红色，橙色，黄色，绿色•GaAsP-红色，橘红色，黄色•GaP-红色，黄色，绿色•GaN-绿色，翠绿色，蓝色•InGaN-近紫外线，蓝绿色，蓝色•Si-蓝色•Al2O3-蓝色•ZnSe-蓝色•C-紫外线•AlN,AlGaN-波长为远至近的紫外线白光LED是怎样制作的？采用蓝光LED，外表面覆盖淡黄色荧光粉，将蓝光转换为黄光，黄光+蓝光便可得到近似白光LED色彩染料的秘密动量能量带间跃迁通常几率不高等电子陷阱绿光黄光掺入不同杂质能够获得不同的等电子缺陷，产生不同的激子辐射LED晶片的结构有机发光二极管(OLED)•与LED没有本质的不同，区别在于–PN结由电子注入层和空穴注入层分别构成，而电子和空穴发生复合的地方由有机薄膜构成–整个器件可以制备在柔性的导电薄膜上，因此可以实现柔性显示什么是AMOLED？•Activematrixorganiclight-emittingdevice(主动源矩阵有机发光二极管)–利用TFT矩阵对主动式发光的有机二极管阵列进行控制–自发光，集成触摸屏，柔性，色彩鲜艳，高对比度，响应速度快★半导体激光器激光的机理•数目反转–高能载流子数目基态载流子数目–受激辐射：在外来光子的激发下，高能态的电子和空穴复合，产生与外来光子相位，频率，偏振，传播方向完全相同的光子。•谐振腔–激光谐振•增益损耗hν12受激辐射谐振输出hν12hν12受激辐射的光增益示意图入射光子出射光子半导体激光器的结构半导体激光器的应用激光笔激光手电筒切勿直视激光光源，几秒即可导致失明！使用LED灯时注意其安全级别，选择功率较低的！★光探测器光探测器的机理•光电导效应–光子入射将激发自由载流子，使得半导体的电导率增加•光伏效应–光子激发的电子-空穴对被PN结分离后，可以在PN结两端产生电压降•热效应–光子的吸收将导致晶格温度上升探测器工作过程1.接受从光纤等光传输介质中传来的光信号，在半导体中产生过剩载流子。2.载流子被反向偏置的PN结收集形成电流并输入到放大器。3.放大器电流输入到下一级处理电路。光探测器的主要种类光敏电阻雪崩光电二极管(反向偏置)PIN光电二极管（反向偏置）★电荷耦合器件(CCD)CCD的结构和主要机制equilibrium深耗尽电荷存储半导体表面处于耗尽状态时，可以存储由外部入射光引起的载流子。通过改变相邻CCD单元的耗尽状态，可以将电荷在CCD阵列中传递，最后通过信号线传递出去。电荷量和光强（光圈）以及照射时间（快门）成线性关系，因此可以很好地反应光的明暗图形。CCD成像系统的结构及应用分光镜滤镜CCD★太阳能电池光伏效应+pn-----+++++EIFIL-RIL:光子引起的电子和空穴电流IF:PN结上压降引起的结电流转换效率𝐼𝐹=𝐼𝑆𝑒𝑥𝑝𝑒𝑉𝑘𝑇−1𝐼=𝐼𝐿−𝐼𝐹=𝐼𝐿−𝐼𝑆𝑒𝑥𝑝𝑒𝑉𝑘𝑇−1开路电压:𝑉𝑜𝑐=𝑘𝑇𝑒ln⁡1+𝐼𝐿𝐼𝑆短路电流:𝐼𝑆𝐶=𝐼𝐿VmImVocIsc𝜼=𝑷𝒎𝑷𝒊𝒏×𝟏𝟎𝟎%=𝑰𝒎𝑽𝒎𝑷𝒊𝒏×𝟏𝟎𝟎%~𝟐𝟖%⁡转换效率的影响因素•禁带宽度–只有hνEg的光子可以被吸收.•暗电流IS–越小的Is,越高的开路电压Voc,就能得到更高的转换效率•减反射膜–可以有更多的光进入电池•串联电阻–越低的电阻意味着越小的损耗太阳辐射和电池吸收光谱Thinfilmsolarcell•Lowcost•Reasonableconversionco-efficiency•Flexible•SimplefabricationPolySilicon,a-Si小结•光电子学是研究光学和电子学之间的关系的科学。•光子的吸收和发射时所有光电器件的工作基本原理。•光伏效应是太阳能电池的工作原理。作业•解释太阳能电池的工作原理以及和光探测器的区别。