微电子学概论_第九课

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2013/11/12,#,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“,et al.”,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 Yuan taur,Tak H.Ning,“Fundamentals of Modern VLSI Devices”,Cambridge university press,p.203,2012,3,C.Auth,C.Allen,A.,Blattner,et al,.,“,A 22nm High Performance and Low-Power CMOS Technology Featuring,Fully-Depleted Tri-Gate,Transistors,Self-Aligned Contacts and High Density MIM,Capacitors”,VLSI Symposia on Technology,p.131,2012,提纲,光电子学简介,发光二极管,(Light-emitting diode,LED),半导体激光器,(Semiconductor laser),光探测器,(Photodetector),电荷耦合传感器,(Charge Coupled Device,CCD),太阳能电池,(Solar Cell),光电子学简介,光电子学是什么？,Opto,electronics,=,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,E2,E1,E2,E1,E2,E1,E2,E1,E2,E1,E2,E1,h,12,h,12,E2-E1,h,12,Absorption,（吸收）,Spontaneous emission,自发,辐射,Stimulated emission,受激辐射,h,12,H,12,(,相位相同,),h,12,:10,-9,to10,-3,s,: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,a,b,c,d,e,f,f,辐射效率（内量子效率）,r,=,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,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,n,p,V,0,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,h,12,=Ec-Ev=Eg,可见光波长,:380780nm(,对应,1.63eV Eg),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,？,Active matrix organic light-emitting device(,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,h,12,受激辐射,谐振,输出,h,12,h,12,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,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。,载流子被反向偏置的,PN,结收集形成电流并输入到放大器。,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,+,p,n,-,-,-,-,-,+,+,+,+,+,E,I,F,I,L,-,R,I,L,:,光子引起的电子和空穴电流,I,F,:PN,结上压降引起的结电流,转换效率,开路电压,:,短路电流,:,V,m,I,m,V,oc,I,sc,转换效率的影响因素,禁带宽度,只有,h,Eg,的光子可以被吸收,.,暗电流,I,S,越小的,I,s,越高的开路电压,V,oc,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,Thin film solar cell,Low cost,Reasonable conversion co-efficiency,Flexible,Simple fabrication,Poly Silicon,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。,