無(wú)機(jī)材料物理化學(xué)第8章

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1、無(wú) 機(jī) 材 料物 理 與 化 學(xué) 在 半 導(dǎo) 體 能 帶 結(jié) 構(gòu) 中 ， 把 價(jià) 帶 頂 取作 能 量 零 點(diǎn) ， 能 量 零 點(diǎn) 以 下 稱 為 價(jià) 帶 ，能 量 零 點(diǎn) 以 上 稱 為 導(dǎo) 帶 。 在 導(dǎo) 帶 底 和價(jià) 帶 頂 之 間 的 間 隙 則 稱 為 禁 帶 。 其 寬度 稱 為 禁 帶 寬 度 ， 用 Eg表 示 。 E-K能帶 結(jié) 構(gòu) 中 波 矢 K是 一 個(gè) 矢 量 ， 構(gòu) 成 一個(gè) 復(fù) 雜 的 三 維 空 間 。 在 畫 能 帶 結(jié) 構(gòu) 圖時(shí) ， 人 們 往 往 只 畫 出 K空 間 的 、 X、L等 幾 個(gè) 重 要 方 向 上 能 量 E的 變 化 。 、X和 L分 別

2、為 K空 間 的 零 點(diǎn) 、 100方向 上 的 邊 界 點(diǎn) 和 111 方 向 上 的 邊 界點(diǎn) 。 多 數(shù) 半 導(dǎo) 體 的 價(jià) 帶 頂 都 位 于 點(diǎn) ，當(dāng) 其 導(dǎo) 帶 底 也 位 于 點(diǎn) 時(shí) ， 這 種 半 導(dǎo) 體 被 稱 為 直 接 帶 隙 半 導(dǎo) 體 ， 如 果 導(dǎo) 帶底 和 價(jià) 帶 頂 不 在 同 一 點(diǎn) ， 就 稱 為 間 接帶 隙 半 導(dǎo) 體 。 例 如 GaAs是 直 接 帶 隙半 導(dǎo) 體 ， Si是 間 接 帶 隙 半 導(dǎo) 體 。 Si 的 能 帶 結(jié) 構(gòu) ( a) 和 GaAs 的 能 帶結(jié) 構(gòu) ( b) 2.1.1 PN結(jié) PN結(jié) 是 半 導(dǎo) 體 器 件 的 最 基 本

3、 的 結(jié) 構(gòu) 要 素 。 將 P型 半 導(dǎo) 體 和 N型 半 導(dǎo) 體 相 互 接 觸即 可 形 成 PN結(jié) 。 下 面 我 們 以 硅 為 例 說 明 P型 半 導(dǎo) 體 和 N型 半 導(dǎo) 體 的 概 念 。 硅 有4個(gè) 價(jià) 電 子 ， 能 與 鄰 近 的 4個(gè) 硅 原 子 形 成 共 價(jià) 鍵 。 這 些 電 子 在 原 子 核 的 作 用 下處 于 束 縛 狀 態(tài) ， 但 在 一 定 的 外 場(chǎng) 作 用 下 會(huì) 掙 脫 束 縛 成 為 自 由 電 子 ， 形 成 電 子載 流 子 。 電 子 載 流 子 的 移 動(dòng) 會(huì) 在 原 來(lái) 位 置 形 成 空 穴 ， 并 形 成 空 穴 載 流 子 。

4、 因此 ， 硅 半 導(dǎo) 體 中 存 在 電 子 和 空 穴 兩 種 載 流 子 。 不 過 常 溫 下 硅 中 的 載 流 子 較 少 ，硅 半 導(dǎo) 體 導(dǎo) 電 性 能 的 控 制 要 靠 摻 雜 來(lái) 解 決 。 人 們 把 摻 入 磷 、 砷 、 銻 等 V族 施 主元 素 雜 質(zhì) 形 成 的 電 子 導(dǎo) 電 型 半 導(dǎo) 體 ， 稱 為 N型 半 導(dǎo) 體 ； 把 摻 入 硼 、 鎵 、 銦 等 III族 受 主 元 素 雜 質(zhì) 形 成 的 空 穴 導(dǎo) 電 型 半 導(dǎo) 體 ， 稱 為 P型 半 導(dǎo) 體 。 將 PN結(jié) 適 當(dāng) 組 合 ， 即 可 制 成 晶 體 管 、 可 控 硅 管 和 集

5、成 電 路 （ IC） 。 PN結(jié) 的 重要 特 性 是 具 有 整 流 作 用 ， 即 電 流 只 能 沿 著 某 一 個(gè) 方 向 流 動(dòng) （ 見 圖 2.1） 。 圖 2.1 半 導(dǎo) 體 PN結(jié) 示 意 圖 半 導(dǎo) 體 的 兩 種 導(dǎo) 電 機(jī) 構(gòu)(a) P 型 半 導(dǎo) 體 及 其 導(dǎo) 電 機(jī) 構(gòu) ; N型 半 導(dǎo) 體 及 其 導(dǎo) 電 機(jī) 構(gòu) 實(shí) 際 使 用 的 半 導(dǎo) 體 器 件 和 電 路 都 是 用 不 同 特 性 的 N型 半 導(dǎo)體 和 P型 半 導(dǎo) 體 相 互 連 接 制 成 的 。 圖 2.2（ a） 是 N型 和 P型 半導(dǎo) 體 的 能 帶 圖 。 圖 中 Ec和 Ev分 別

6、為 導(dǎo) 帶 底 和 價(jià) 帶 頂 ， 導(dǎo) 帶中 的 電 子 和 價(jià) 帶 中 的 空 穴 分 別 用 黑 點(diǎn) 和 小 圓 圈 來(lái) 表 示 。 EF為 費(fèi) 米 能 級(jí) 。圖 2.2（ b） 為 成 結(jié) 后 在 熱 平 衡 狀 態(tài) 下 的 能 帶 圖 。 在 熱 平 衡狀 態(tài) 下 ， N區(qū) 的 多 數(shù) 載 流 子 電 子 和 P區(qū) 的 多 數(shù) 載 流 子 空 穴分 別 向 P區(qū) 和 N區(qū) 擴(kuò) 散 ， 形 成 擴(kuò) 散 電 流 A。 另 一 方 面 ， 由 于 N區(qū) 中 的 電 子 向 P區(qū) 擴(kuò) 散 ， 就 留 下 了 帶 正 電 的 電 離 施 主 中 心 ，形 成 一 個(gè) 帶 正 電 荷 的 區(qū) 域

7、。 同 樣 ， 由 于 P區(qū) 中 的 空 穴 向 N區(qū)擴(kuò) 散 ， 留 下 了 帶 負(fù) 電 的 電 離 受 主 中 心 ， 形 成 一 個(gè) 帶 負(fù) 電 荷的 區(qū) 域 。 于 是 在 交 界 處 兩 側(cè) 形 成 了 帶 正 負(fù) 電 荷 的 區(qū) 域 ， 稱為 空 間 電 荷 區(qū) 。 這 一 區(qū) 域 已 無(wú) 載 流 子 存 在 ， 故 又 稱 為 耗 盡層 。 空 間 電 荷 區(qū) 的 正 負(fù) 電 荷 會(huì) 產(chǎn) 生 一 個(gè) 由 N區(qū) 指 向 P區(qū) 的 自建 電 場(chǎng) 。 自 建 電 場(chǎng) 會(huì) 使 電 子 從 P區(qū) 向 N區(qū) 漂 移 ， 使 空 穴 從 N 區(qū) 向 P區(qū) 漂 移 。 從 而 形 成 與 擴(kuò) 散

8、電 流 A的 方 向 相 反 的 漂 移 電流 B。 當(dāng) 這 兩 股 電 流 A和 B處 于 動(dòng) 態(tài) 平 衡 時(shí) ， 就 無(wú) 電 流 流 過 。這 時(shí) ， 耗 盡 層 內(nèi) 的 空 間 電 荷 產(chǎn) 生 了 接 觸 電 勢(shì) 差 （ 也 稱 為 擴(kuò)散 電 勢(shì) 差 ） B。 在 PN結(jié) 上 加 上 正 向 偏 壓 ， 即 P區(qū) 加 上 正 電壓 VF, P、 N之 間 的 電 勢(shì) 差 T(T = B - VF )降 低 ， 熱 平 衡 狀態(tài) 被 破 壞 ， 由 多 數(shù) 載 流 子 （ 即 電 子 ） 形 成 的 擴(kuò) 散 電 流 遠(yuǎn) 大于 漂 移 電 流 ， 如 圖 2.2(c)所 示 。 正 向 偏

9、壓 越 大 ， 該 電 勢(shì) 差 越小 ， 其 結(jié) 果 是 使 電 流 指 數(shù) 式 地 增 加 。 與 此 相 反 ， 當(dāng) P區(qū) 上 加上 負(fù) 電 壓 VR時(shí) ,電 勢(shì) 差 T變 大 (T = B + VR ),多 數(shù) 載 流 子 難以 擴(kuò) 散 ， 幾 乎 無(wú) 電 流 流 動(dòng) ， 如 圖 2.2(d)所 示 。 這 就 是 PN結(jié) 的整 流 效 應(yīng) 。 圖 2.2 半 導(dǎo) 體 PN結(jié) 能 帶 圖 2.1.2 PN結(jié) 型 晶 體 管 晶 體 管 是 20世 紀(jì) 最 重 要 的 發(fā) 明 之 一 。 盡 管 晶 體 管 種 類 繁 多 ， 制 造工 藝 多 種 多 樣 ， 用 途 和 功 能 五 花

10、八 門 ， 但 晶 體 管 的 基 本 結(jié) 構(gòu) 卻 是簡(jiǎn) 單 而 共 同 的 。 PN結(jié) 型 晶 體 管 的 內(nèi) 部 都 有 兩 個(gè) PN結(jié) 。 主 要 分 為兩 種 ， 即 PNP型 和 NPN型 。 晶 體 管 的 兩 個(gè) PN結(jié) 共 有 三 個(gè) 區(qū) 。 對(duì) 應(yīng) 三 個(gè) 區(qū) 的 引 出 線 ， 分 別 稱為 發(fā) 射 極 、 基 極 和 集 電 極 。 發(fā) 射 極 和 基 極 之 間 的 PN結(jié) 叫 發(fā) 射 結(jié) ，集 電 極 和 基 極 之 間 的 PN結(jié) 叫 集 電 結(jié) （ 見 圖 2.3） 。 圖 2.3 PNP型 和 NPN型 晶 體 管 的 結(jié) 構(gòu) 和 符 號(hào) 如 圖 2.4所 示

11、， 如 果 我 們 在 發(fā) 射 極 電 路 中 施 加 一 直 流 電 源 電 壓 VEB并 保 持 其 不 變 ， 在 該 電 路 中 串 接 一 個(gè) 待 放 大 的 交 變 信 號(hào) 電 壓 Vs,并 且 在 集 電 極 電 路 中 串 接 一 個(gè) 電 阻 R的 話 ， 當(dāng) 集 電 極 電 流 的 變 化部 分 iC流 過 集 電 極 電 路 中 的 電 阻 R時(shí) ， 就 會(huì) 在 上 面 產(chǎn) 生 一 個(gè) 交 變電 壓 iCR。 盡 管 iC 略 小 于 iE ， 只 要 電 阻 R的 值 比 較 大 ， 就 可 以 使 iCR比 信 號(hào) 電 壓 Vs大 很 多 倍 。 這 表 明 ， 晶 體

12、 管 具 有 放 大 功 能 。 實(shí) 際 上半 導(dǎo) 體 收 音 機(jī) 就 是 用 晶 體 管 放 大 信 號(hào) 的 。 圖 2.4 晶 體 管 共 基 極 電 路 放 大 原 理 圖 晶 體 管 放 大 電 路 除 了 上 述 共 基 極 電 路 外 ， 還 有 共 發(fā) 射 極 電 路 和 共集 電 極 電 路 。 2.1.2 結(jié) 型 場(chǎng) 效 應(yīng) 晶 體 管 （ JFET）JFET共 有 四 個(gè) 電 極 ， 其 中 ， 在 P型 半 導(dǎo) 體 （ N型 時(shí) 情 況 相 似 ） 兩 端 各 有 一 個(gè) 稱 為 “ 源 ”和 “ 漏 ” 的 電 極 ； P型 半 導(dǎo) 體 兩 側(cè) 則 各 有 一 個(gè) N型

13、 區(qū) 和 相 應(yīng) 的 稱 為 “ 柵 ” 的 電 極 。 如 果在 源 和 漏 之 間 加 上 一 個(gè) 電 壓 ,源 接 電 壓 正 端 ， 漏 接 負(fù) 端 ， P型 半 導(dǎo) 體 的 多 數(shù) 載 流 子 空 穴傳 導(dǎo) 的 電 流 就 會(huì) 在 源 與 漏 之 間 通 過 ； 在 柵 和 源 間 加 上 反 向 電 壓 VG,柵 接 電 壓 正 端 ， 源 接負(fù) 端 ， 因 此 沒 有 電 流 通 過 柵 和 源 之 間 的 PN結(jié) 。當(dāng) 加 大 柵 與 源 之 間 的 反 向 電 壓 VG時(shí) ， 兩 個(gè) PN結(jié) 的 耗 盡 層 就 會(huì) 向 P型 區(qū) 擴(kuò) 散 ， 使 從 源 到漏 的 電 流 通

14、道 變 細(xì) ， 該 電 流 通 道 的 電 阻 就 會(huì) 隨 之 增 大 ， 導(dǎo) 致 源 與 漏 之 間 的 電 流 ID減 小 。若 減 小 反 向 電 壓 VG， ID就 會(huì) 增 大 。若 在 柵 與 源 之 間 附 加 一 個(gè) 輸 入 信 號(hào) 電 壓 ， 工 作 電 流 就 會(huì) 隨 著 信 號(hào) 電 壓 變 化 ， 在 串 接 的負(fù) 載 電 阻 上 就 會(huì) 產(chǎn) 生 一 個(gè) 放 大 了 的 輸 出 信 號(hào) 電 壓 。 這 就 是 場(chǎng) 效 應(yīng) 晶 體 管 的 放 大 原 理 。如 果 在 柵 與 源 之 間 附 加 適 當(dāng) 的 忽 大 忽 小 的 電 壓 ， 使 得 從 源 到 漏 的 電 流

15、通 道 忽 通 忽 斷 ，漏 極 輸 出 電 流 也 就 會(huì) 時(shí) 有 時(shí) 無(wú) ， 在 這 種 情 況 下 ， 場(chǎng) 效 應(yīng) 晶 體 管 就 等 效 于 一 個(gè) 電 流 開 關(guān) 圖 2.5 結(jié) 型 場(chǎng) 效 應(yīng) 晶 體 管 (JFET)工 作 原 理 圖 2.1.4 金 屬 -氧 化 物 -半 導(dǎo) 體 場(chǎng) 效 應(yīng) 晶 體 管 （ MOSFET） MOSFET是 在 JFET的 基 礎(chǔ) 上 發(fā) 展 起 來(lái) 的 ， 是 構(gòu) 成 集 成 電 路 的 主 要 器 件 。 其 結(jié)構(gòu) 如 圖 2.6所 示 。 圖 2.6 MOS晶 體 管 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 在 絕 緣 柵 極 上 不 加 電 壓 時(shí) ， 即

16、使 在 源 與 漏 之 間 加 有 電 壓 ， 流 過 的 電 流 也 是 非常 小 的 （ 因 為 由 N +區(qū) 和 P型 硅 片 構(gòu) 成 的 兩 個(gè) PN結(jié) 中 總 有 一 個(gè) 被 加 上 反 向 電 壓 ） 。如 果 我 們 在 絕 緣 柵 極 上 施 加 一 個(gè) 適 當(dāng) 程 度 的 正 電 壓 ， 所 形 成 的 垂 直 電 場(chǎng) 就 能把 半 導(dǎo) 體 表 層 的 空 穴 全 部 驅(qū) 至 半 導(dǎo) 體 表 層 下 面 。 此 時(shí) 若 繼 續(xù) 增 大 電 場(chǎng) 強(qiáng) 度 ，半 導(dǎo) 體 中 的 電 子 就 會(huì) 在 電 場(chǎng) 的 吸 引 下 移 至 表 面 層 ， 這 樣 在 二 氧 化 硅 絕 緣

17、層 下的 源 與 漏 之 間 ， 就 會(huì) 形 成 一 個(gè) N型 的 電 流 通 道 。 這 種 電 流 通 道 被 稱 為 溝 道 ， 電流 可 以 從 源 經(jīng) 過 N型 溝 道 流 至 漏 。 因 此 柵 極 上 所 加 電 壓 的 大 小 可 用 來(lái) 控 制 漏 電流 的 大 小 。 2.2.1 硅 材 料 硅 是 地 殼 外 層 含 量 僅 次 于 氧 的 元 素 ， 約 占 地 殼 的 25%。 主 要 以 氧化 物 和 硅 酸 鹽 的 形 式 存 在 。 由 于 儲(chǔ) 量 非 常 豐 富 ， 硅 原 料 是 半 導(dǎo) 體原 料 中 最 便 宜 的 。 與 鍺 相 比 較 ， 硅 有 很

18、多 重 要 優(yōu) 點(diǎn) 。 硅 的 禁 帶 寬 度 為 1.1eV,鍺 只 有0.72eV。 因 此 ， 鍺 器 件 的 最 高 工 作 溫 度 只 有 85C,而 硅 可 以 達(dá) 到200C。 故 在 功 率 器 件 的 研 究 中 硅 明 顯 優(yōu) 于 鍺 。 硅 的 另 一 個(gè) 重 要優(yōu) 點(diǎn) 是 能 在 高 溫 下 氧 化 生 成 二 氧 化 硅 薄 膜 。 這 種 二 氧 化 硅 薄 膜 可以 用 作 為 雜 質(zhì) 擴(kuò) 散 的 掩 護(hù) 膜 ， 從 而 能 和 光 刻 、 擴(kuò) 散 等 工 藝 結(jié) 合 起來(lái) 制 成 各 種 結(jié) 構(gòu) 的 器 件 和 電 路 。 而 且 氧 化 硅 層 又 是 一 種

19、 性 能 很 好的 絕 緣 體 ， 在 集 成 電 路 制 造 中 可 以 用 它 作 為 電 路 互 連 的 載 體 。 氧化 硅 膜 還 是 一 種 很 好 的 保 護(hù) 膜 ， 它 能 防 止 器 件 工 作 時(shí) 受 周 圍 環(huán) 境影 響 而 導(dǎo) 致 性 能 退 化 。 硅 的 第 三 個(gè) 優(yōu) 點(diǎn) 是 ， 硅 的 受 主 和 施 主 雜 質(zhì)有 幾 乎 相 同 的 擴(kuò) 散 系 數(shù) ， 這 就 為 硅 器 件 和 電 路 的 工 藝 制 作 提 供 了更 大 的 自 由 度 。 硅 材 料 的 這 些 優(yōu) 點(diǎn) 促 成 了 平 面 工 藝 的 發(fā) 展 ， 簡(jiǎn) 化 了 工 藝 程 序 ， 降 低

20、了 制 造 成 本 ， 改 善 了 可 靠 性 ， 并 大 大 提 高 了 集成 度 ， 使 超 大 規(guī) 模 集 成 電 路 得 到 了 迅 猛 的 發(fā) 展 。 第 3 章 半 導(dǎo) 體 激 光 器 材 料 激 光 的 特 點(diǎn) 及 發(fā) 光 原 理 激 光 的 特 點(diǎn)- 方 向 性 好 、 亮 度 高 、 能 量 集 中 ， 可 在 微 米 大 小 圓 斑 內(nèi) 產(chǎn) 生 幾 萬(wàn) 乃 至 幾 百 萬(wàn) 攝氏 度 的 高 溫 ；- 單 色 性 好 ， 譜 線 寬 度 小 ；- 相 干 性 好 ， 即 相 干 長(zhǎng) 度 很 長(zhǎng) ， 是 普 通 光 束 的 數(shù) 十 至 數(shù) 百 倍 ；- 傳 遞 信 息 的 容

21、量 大- 強(qiáng) 激 光 與 物 質(zhì) 發(fā) 生 作 用 時(shí) ， 會(huì) 引 起 倍 頻 、 和 頻 、 差 頻 等 許 多 新 的 物 理 效 應(yīng) 激 光 的 特 點(diǎn) 是 由 發(fā) 光 機(jī) 制 決 定 的 。- 普 通 光 源 的 發(fā) 光 機(jī) 制 主 要 是 自 發(fā) 輻 射- 從 激 光 器 中 射 出 的 激 光 主 要 由 受 激 輻 射 產(chǎn) 生 當(dāng) 頻 率 為 f 的 光 子 作 用 在 具 有 相 同 能 級(jí) 的 原 子 系 統(tǒng) 時(shí) ， 將 發(fā) 生 兩 個(gè) 不 同 作 用 ：- 當(dāng) 光 子 與 已 處 于 高 能 級(jí) 的 激 發(fā) 原 子 作 用 時(shí) ， 會(huì) 產(chǎn) 生 受 激 輻 射 ， 光 子 增

22、殖 ；- 當(dāng) 光 子 與 低 能 級(jí) 原 子 作 用 時(shí) ， 低 能 級(jí) 原 子 被 激 發(fā) 到 高 能 級(jí) ， 入 射 光 子 被 吸 收 ，光 子 數(shù) 減 少 。 因 此 ， 當(dāng) 光 子 射 入 原 子 系 統(tǒng) 時(shí) ， 系 統(tǒng) 使 光 子 增 殖 還 是 減 少 ， 完 全 取 決 于 該 原子 系 統(tǒng) 處 于 高 能 態(tài) 與 低 能 態(tài) 原 子 的 比 率 。 若 以 N1 和 N2 分 別 表 示 系 統(tǒng) 中 處 于低 能 態(tài) 和 高 能 態(tài) 的 原 子 數(shù) ， 則 當(dāng) N1 N2， 光 被 吸 收 ； 反 之 ， N1 EF ， 則 只 會(huì) 產(chǎn) 生 受 激 吸 收 ， 電 子 從 價(jià)

23、 帶 中 被 填 滿 的 能 級(jí) 跳 到 導(dǎo) 帶 中空 的 能 級(jí) 上 去 ；- 若 h EF, 則 電 子 只 能 從 導(dǎo) 帶 中 填 滿 的 能 級(jí) 躍 遷 到 價(jià) 帶 頂 部 未 被 電 子 占 據(jù) 的能 級(jí) , 產(chǎn) 生 受 激 輻 射 。- 因 此 ， 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) 是 由 于 外 加 正 向 電 壓 后 的 少 子 注 入 而 在 pn 結(jié) 區(qū) 形 成 的 。- 在 半 導(dǎo) 體 激 光 器 中 ， 把 形 成 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) 的 這 一 區(qū) 域 稱 為 激 活 區(qū) 。 圖 3-2 半 導(dǎo) 體 中 的 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) （ 2） 共 振 腔 的 形 成- 半 導(dǎo) 體 的 共

24、 振 腔 是 利 用 上 述 激 活 區(qū) 的 波 導(dǎo) 特 性 和 半 導(dǎo) 體 材 料 的 解理 面 制 成 的 。- 激 活 區(qū) 的 載 流 子 濃 度 比 周 圍 區(qū) 域 的 高 ， 故 其 折 射 率 也 高 于 周 圍 區(qū)域 。 因 此 ， 激 活 區(qū) 相 當(dāng) 于 一 個(gè) 能 把 光 束 約 束 在 內(nèi) 的 波 導(dǎo) 層 。- 設(shè) 波 導(dǎo) 層 二 維 平 面 y、 z 兩 個(gè) 方 向 互 相 垂 直 ， 如 果 我 們 用 半 導(dǎo) 體材 料 的 解 理 面 作 為 z 方 向 的 兩 個(gè) 端 面 ， 并 且 將 y 方 向 的 兩 個(gè) 端 面打 毛 ， 那 么 激 活 層 沿 y 方 向

25、傳 播 的 光 就 會(huì) 透 過 端 面 出 射 ， 沿 z 方向 傳 播 的 光 則 會(huì) 被 端 面 反 射 回 來(lái) ， 形 成 共 振 。 故 在 激 活 層 的 z 方向 構(gòu) 成 了 一 個(gè) 諧 振 腔 （ 圖 3-3） 。 圖 3-3 共 振 腔 波 導(dǎo) 的 形 成 （ 3） 激 勵(lì) 源- 半 導(dǎo) 體 激 光 器 的 激 勵(lì) 源 為 直 流 或 交 流 驅(qū) 動(dòng) 電 源 。 驅(qū) 動(dòng) 電 源 只 需 產(chǎn)生 幾 百 毫 瓦 的 輸 出 功 率 即 可 使 半 導(dǎo) 體 產(chǎn) 生 激 光 發(fā) 射 。 3.1.2 異 質(zhì) 結(jié) 激 光 器 Pn 結(jié) 激 光 器 中 ， p 型 和 n 型 半 導(dǎo) 體 采

26、 用 的 是 同 一 種 半 導(dǎo) 體 材 料 ， 只 是 摻 入 的雜 質(zhì) 種 類 不 同 而 已 。 這 種 結(jié) 稱 為 同 質(zhì) 結(jié) 。 同 質(zhì) 結(jié) 結(jié) 構(gòu) 雖 然 能 產(chǎn) 生 激 光 ， 但 存在 工 作 偏 壓 高 、 光 損 耗 大 、 在 室 溫 下 只 能 以 脈 沖 方 式 運(yùn) 轉(zhuǎn) 等 缺 點(diǎn) 。 由 兩 種 不 同 的 半 導(dǎo) 體 材 料 構(gòu) 成 的 結(jié) 稱 為 半 導(dǎo) 體 異 質(zhì) 結(jié) 。 構(gòu) 成 半 導(dǎo) 體 異 質(zhì) 結(jié) 的兩 種 半 導(dǎo) 體 雖 然 不 同 ， 但 它 們 的 晶 格 常 數(shù) 相 差 必 須 小 （ 一 般 小 于 1%） ， 即 它們 的 晶 格 必 須 匹

27、 配 。 這 是 因 為 ， 晶 格 失 配 會(huì) 在 兩 種 半 導(dǎo) 體 材 料 的 交 界 面 形 成能 使 發(fā) 光 淬 滅 的 深 能 級(jí) 。 異 質(zhì) 結(jié) 激 光 器 主 要 有 發(fā) 光 效 率 高 和 光 波 導(dǎo) 性 能 好 等 優(yōu) 點(diǎn) 。 發(fā) 光 效 率 高 是 因 為異 質(zhì) 結(jié) 結(jié) 構(gòu) 的 注 入 效 率 高 ； 光 波 導(dǎo) 性 能 好 是 因 為 ， 激 活 層 可 以 做 得 很 薄 ， 而且 禁 帶 較 窄 的 半 導(dǎo) 體 材 料 構(gòu) 成 的 激 活 層 （ 發(fā) 光 層 ） 的 折 射 率 明 顯 高 于 夾 在 其兩 側(cè) 的 寬 禁 帶 半 導(dǎo) 體 材 料 （ 以 雙 異 質(zhì)

28、 結(jié) 為 例 ） 的 折 射 率 。 雙 異 質(zhì) 結(jié) 激 光 器 可在 室 溫 實(shí) 現(xiàn) 連 續(xù) 運(yùn) 轉(zhuǎn) 。 3.1.3 量 子 阱 激 光 器 異 質(zhì) 結(jié) 厚 度 僅 為 1-10nm的 異 質(zhì) 結(jié) 激 光 器 稱 為 量 子 阱 激 光 器 。 可 用 電 子 平 均 自由 程 來(lái) 描 述 電 子 運(yùn) 動(dòng) 的 自 由 程 度 ， 電 子 在 自 由 程 內(nèi) 的 運(yùn) 動(dòng) 不 會(huì) 受 到 任 何 干 擾（ 例 如 碰 撞 等 ） 。- 半 導(dǎo) 體 同 質(zhì) 結(jié) 的 激 活 區(qū) 厚 度 大 約 是 1 m， 與 這 個(gè) 自 由 程 大 致 相 當(dāng) 。- 異 質(zhì) 結(jié) 的 激 活 區(qū) 厚 度 比 同 質(zhì)

29、 結(jié) 的 窄 得 多 ， 一 般 在 0.1-0.4 m 之 間 ,因 此 電 子 在這 個(gè) 較 窄 的 區(qū) 域 內(nèi) 的 運(yùn) 動(dòng) 已 經(jīng) 受 到 了 一 定 程 度 的 約 束 ,但 這 種 約 束 還 不 夠 強(qiáng) 烈 .- 當(dāng) 異 質(zhì) 結(jié) 厚 度 進(jìn) 一 步 減 小 至 1-10nm 后 , 激 活 區(qū) 寬 度 已 經(jīng) 與 電 子 的 量 子 波 長(zhǎng) 相當(dāng) 甚 至 更 小 。 這 時(shí) 激 活 區(qū) 里 的 電 子 就 像 掉 在 一 個(gè) 陷 阱 里 似 的 ， 其 運(yùn) 動(dòng) 受 到 強(qiáng)烈 約 束 ， 導(dǎo) 致 電 子 和 空 穴 在 導(dǎo) 帶 底 和 價(jià) 帶 頂 的 能 量 狀 態(tài) 出 現(xiàn) 不 連

30、續(xù) 分 布 ， 這種 陷 阱 在 量 子 力 學(xué) 中 稱 為 阱 ， 故 又 稱 為 量 子 阱 。 用 這 種 量 子 阱 結(jié) 構(gòu) 制 成 的 半導(dǎo) 體 激 光 器 就 是 量 子 阱 激 光 器 。 量 子 阱 激 光 器 的 優(yōu) 點(diǎn) 是 閾 值 電 流 僅 為 異 質(zhì) 結(jié) 激 光 器 的 四 分 之 一 ， 因 此 有 利 于光 集 成 化 和 制 作 大 功 率 半 導(dǎo) 體 激 光 器 ， 并 且 它 的 光 束 質(zhì) 量 好 ， 有 利 于 提 高 光通 信 的 質(zhì) 量 。 3.2 藍(lán) 光 半 導(dǎo) 體 激 光 器 材 料 GaN是 最 引 人 注 目 的 藍(lán) 光 半 導(dǎo) 體 激 光 器

31、 材 料 ,它 具 有 纖 鋅 礦 結(jié) 構(gòu) ， Eg=3.4eV,可與 AlN, InN形 成 帶 隙 連 續(xù) 可 變 的 固 溶 體 。 AlGaN是 一 種 寬 帶 隙 半 導(dǎo) 體 材 料 ，主 要 用 作 與 GaN的 準(zhǔn) 晶 格 匹 配 的 異 質(zhì) 結(jié) 。 InGaN的 帶 隙 則 對(duì) 應(yīng) 于 綠 光 、 藍(lán) 光 和紫 光 范 圍 ， 故 適 于 制 作 發(fā) 射 這 些 短 波 長(zhǎng) 激 光 的 半 導(dǎo) 體 激 光 器 的 有 源 層 。 因 此基 于 GaN的 藍(lán) 光 半 導(dǎo) 體 激 光 器 是 近 幾 年 來(lái) 的 研 究 熱 點(diǎn) 。 GaN基 材 料 雖 然 有 很 多 優(yōu) 點(diǎn) ，

32、但 人 們 在 將 其 發(fā) 展 成 GaN激 光 器 的 過 程 中 ， 曾 遇到 過 不 少 困 難 。 其 中 最 大 的 困 難 有 兩 個(gè) ， 一 是 缺 乏 晶 格 常 數(shù) 和 熱 膨 脹 系 數(shù) 與GaN匹 配 的 襯 底 材 料 ， 二 是 難 以 實(shí) 現(xiàn) 高 P型 摻 雜 。 80年 代 后 期 ， 人 們 先 后 用 在藍(lán) 寶 石 或 SiC襯 底 材 料 上 引 入 過 渡 層 的 方 法 和 對(duì) 高 阻 GaN材 料 進(jìn) 行 低 能 電 子 輻射 的 方 法 解 決 了 這 兩 個(gè) 問 題 。 在 此 基 礎(chǔ) 上 ， 日 本 日 亞 公 司 在 1993年 率 先 研 制

33、成 功 輸 出 功 率 為 1mW的 InGaN/AlGaN雙 異 質(zhì) 結(jié) 藍(lán) 色 發(fā) 光 二 極 管 ， 稍 后 該 公 司 又 開 發(fā) 出 輸 出 功 率 為 5mW的 單 量 子 阱 藍(lán) 色 發(fā) 光 二 極 管 。 1995年 日 本 名 古 屋 大 學(xué) 采 用 以 藍(lán) 寶 石 和 SiC為 襯 底 材 料 的 InGaN/AlGaN雙 異 質(zhì)結(jié) 藍(lán) 色 發(fā) 光 二 極 管 ， 首 次 在 低 溫 下 實(shí) 現(xiàn) 了 藍(lán) 光 受 激 發(fā) 射 。 這 些 成 果 的 取 得 為實(shí) 用 化 藍(lán) 光 半 導(dǎo) 體 激 光 器 的 發(fā) 展 奠 定 了 基 礎(chǔ) 。 1996年 ， 日 本 日 亞 公 司

34、 終 于 研 制 成 功 能 在 室 溫 下 運(yùn) 行 的 InGaN多量 子 阱 藍(lán) 光 半 導(dǎo) 體 激 光 器 。 這 種 半 導(dǎo) 體 激 光 器 以 (001)方 向 C面 藍(lán)寶 石 為 襯 底 ， 以 低 溫 生 長(zhǎng) 的 GaN為 緩 沖 層 。 該 激 光 器 的 膜 層 結(jié) 構(gòu)比 較 復(fù) 雜 ， 共 有 61層 。 其 中 52層 是 2.5nm厚 的 In0.2Ga0.8N量 子 阱與 5nm厚 的 In0.05Ga0.95N勢(shì) 壘 層 交 替 生 長(zhǎng) 構(gòu) 成 的 26對(duì) 量 子 阱 周 期有 源 區(qū) ,用 MOCVD法 生 長(zhǎng) 。 后 來(lái) ， 該 公 司 又 在 1997年 用

35、Si摻 雜 的InGaN量 子 阱 作 為 發(fā) 光 層 ， 減 小 了 由 電 流 產(chǎn) 生 的 熱 效 應(yīng) ， 提 高 了器 件 的 壽 命 。 經(jīng) 過 持 續(xù) 不 斷 的 努 力 ， 日 亞 公 司 終 于 在 1998年 初 制 備 成 功 實(shí) 用 化的 藍(lán) 光 （ 417nm） InGaN多 量 子 阱 激 光 器 ， 輸 出 激 光 功 率 50mW,外 推 室 溫 壽 命 可 達(dá) 1萬(wàn) 小 時(shí) 。 目 前 InGaN多 量 子 阱 藍(lán) 光 激 光 器 已 經(jīng)商 品 化 ， 由 于 它 是 下 一 代 藍(lán) 光 高 密 度 DVD光 盤 系 統(tǒng) 的 核 心 部 件 之一 ， 故 在 光

36、信 息 存 儲(chǔ) 領(lǐng) 域 將 會(huì) 有 很 好 的 應(yīng) 用 前 景 。 3.8 中 遠(yuǎn) 紅 外 波 段 (4-17m)半 導(dǎo) 體 激 光 器 材 料 半 導(dǎo) 體 激 光 器 材 料 經(jīng) 歷 了 同 質(zhì) 結(jié) 構(gòu) 材 料 、 異 質(zhì) 結(jié) 構(gòu) 材 料 、量 子 阱 結(jié) 構(gòu) 材 料 和 應(yīng) 變 量 子 阱 結(jié) 構(gòu) 材 料 的 發(fā) 展 歷 程 。 人們 用 這 些 半 導(dǎo) 體 激 光 材 料 制 成 了 藍(lán) 光 、 紅 光 、 近 紅 外 波段 和 2-3m中 紅 外 波 段 的 各 種 半 導(dǎo) 體 激 光 器 。 然 而 ， 信 息 科 學(xué) 技 術(shù) 的 發(fā) 展 對(duì) 材 料 和 器 件 又 提 出 了 新

37、的需 求 ， 要 求 提 供 工 作 于 5-14m中 遠(yuǎn) 紅 外 波 段 的 半 導(dǎo) 體激 光 器 材 料 和 器 件 。 令 人 遺 憾 的 是 ， 自 然 界 缺 少 理 想 的中 遠(yuǎn) 紅 外 波 段 半 導(dǎo) 體 激 光 材 料 。 已 有 的 各 種 半 導(dǎo) 體 激 光 器 ， 不 論 是 同 質(zhì) 結(jié) 構(gòu) 激 光 器 、 異質(zhì) 結(jié) 構(gòu) 激 光 器 還 是 量 子 阱 激 光 器 ， 這 類 pn結(jié) 激 光 器 的 激射 機(jī) 理 都 是 建 立 在 電 子 和 空 穴 這 兩 種 載 流 子 輻 射 復(fù) 合 產(chǎn)生 光 子 的 基 礎(chǔ) 上 ， 其 激 射 波 長(zhǎng) 取 決 于 半 導(dǎo) 體 材

38、 料 的 帶 隙 。 自 上 一 世 紀(jì) 70年 代 初 起 ， 為 了 開 發(fā) 合 適 的 中 遠(yuǎn) 紅 外 波 段 半 導(dǎo) 體 激 光 材 料 ， 有人 開 始 嘗 試 突 破 半 導(dǎo) 體 激 光 器 傳 統(tǒng) 的 激 射 機(jī) 理 ， 提 出 了 一 系 列 新 的 概 念 。 其中 最 著 名 的 是 1971年 提 出 的 只 有 一 種 載 流 子 參 加 的 光 助 隧 穿 的 新 思 想 、 1986年 和 1988年 先 后 提 出 的 隧 穿 電 子 在 有 源 區(qū) 阱 內(nèi) 導(dǎo) 帶 子 帶 躍 遷 共 振 發(fā) 光 的 思 想和 用 三 阱 結(jié) 構(gòu) 實(shí) 現(xiàn) 中 遠(yuǎn) 紅 外 發(fā) 光

39、的 建 議 。 在 這 些 思 想 或 建 議 的 啟 發(fā) 下 ， 經(jīng) 過 多 年 努 力 ， 美 國(guó) 貝 爾 實(shí) 驗(yàn) 室 終 于 在 1994年率 先 研 制 成 功 全 世 界 第 一 只 量 子 級(jí) 聯(lián) 激 光 器 。 該 激 光 器 工 作 波 長(zhǎng) 為 4.3m， 采用 由 分 子 束 外 延 技 術(shù) 生 長(zhǎng) 的 三 阱 耦 合 InAlAs/InGaAs/InP材 料 ， 這 種 三 阱 耦 合結(jié) 構(gòu) 由 大 約 500層 超 薄 外 延 層 構(gòu) 成 ， 最 薄 的 外 延 層 厚 度 僅 為 0.8nm。 量 子 級(jí) 聯(lián) 激 光 器 的 激 射 機(jī) 理 與 傳 統(tǒng) 的 同 質(zhì) 結(jié)

40、構(gòu) 、 異 質(zhì) 結(jié) 構(gòu) 和 量 子 阱 結(jié) 構(gòu) 半 導(dǎo) 體 激 光 器 的 完 全 不 同 。 傳 統(tǒng) 半 導(dǎo) 體 激 光 器 的 激 射 波 長(zhǎng) 取 決 于 半 導(dǎo) 體 材 料 的 禁帶 寬 度 ， 而 量 子 級(jí) 聯(lián) 激 光 器 的 激 射 波 長(zhǎng) 與 半 導(dǎo) 體 材 料 的 禁 帶 寬 度 完 全 無(wú) 關(guān) ，它 取 決 于 量 子 阱 導(dǎo) 帶 子 能 級(jí) 激 發(fā) 態(tài) 和 基 態(tài) 的 能 量 差 ， 這 種 能 量 差 又 由 有 源 層量 子 阱 寬 度 決 定 。 早 期 的 三 阱 耦 合 InAlAs/InGaAs/InP量 子 級(jí) 聯(lián) 激 光 器 的 導(dǎo) 帶 結(jié) 構(gòu) 由 25級(jí)

41、構(gòu) 成 ，每 一 級(jí) 都 由 有 源 層 和 數(shù) 字 合 金 層 兩 個(gè) 部 分 構(gòu) 成 。 這 25級(jí) 有 源 層 被 夾 在 作 為波 導(dǎo) 層 的 兩 層 AlInAs厚 層 中 間 ， 整 個(gè) 材 料 結(jié) 構(gòu) 共 有 500多 層 。 有 源 層 由 三 個(gè) 厚 度 分 別 為 0.8nm、 3.5nm和 2.8nm的 InGaAs耦 合 量 子 阱 構(gòu) 成 ，它 們 之 間 用 厚 度 分 別 為 3.5nm和 3nm的 InAlAs勢(shì) 壘 隔 離 (見 圖 3.4) 。 數(shù) 字 合金 層 為 n型 摻 雜 半 導(dǎo) 體 ， 其 作 用 是 弛 豫 來(lái) 自 有 源 層 的 電 子 的 能

42、 量 并 為 下 一 級(jí)注 入 電 子 。 整 個(gè) 有 源 區(qū) 實(shí) 際 上 是 一 個(gè) 4能 級(jí) 激 光 系 統(tǒng) 。 由 于 從 能 級(jí) n = 3到 n = 2的 躍 遷 在 實(shí) 空 間 是 斜 角 的 ， 這 種 激 光 器 被 稱 為 基 于 斜 角 躍 遷 的 量 子 級(jí) 聯(lián)激 光 器 。 發(fā) 射 波 長(zhǎng) 為 4.3m, 峰 值 功 率 可 達(dá) 幾 十 毫 瓦 ， 工 作 溫 度 約 為 100K。 圖 3.4 基 于 斜 角 躍 遷 的 量 子 級(jí) 聯(lián) 激 光 器 的 能 帶 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 基 于 斜 角 躍 遷 的 量 子 級(jí) 聯(lián) 激 光 器 存 在 峰 值 增 益 低 和

43、閾 值 電 流 高 的 缺 點(diǎn) ， 不 能以 連 續(xù) 波 輸 出 ， 只 能 在 低 溫 工 作 。 因 此 ， 人 們 又 設(shè) 計(jì) 制 作 了 基 于 垂 直 躍 遷 的量 子 級(jí) 聯(lián) 激 光 器 。 其 特 點(diǎn) 是 輻 射 躍 遷 發(fā) 生 在 同 一 量 子 阱 中 ， 以 垂 直 方 式 進(jìn) 行 。為 了 阻 止 電 子 逃 逸 ， 數(shù) 字 合 金 層 的 每 一 對(duì) 勢(shì) 阱 與 勢(shì) 壘 都 需 滿 足 Bragg反 射 條 件 。有 源 區(qū) 由 兩 個(gè) 相 互 耦 合 的 厚 度 分 別 為 4.5nm和 3.6nm的 GaInAs勢(shì) 阱 構(gòu) 成 ， 中 間用 寬 度 為 2.8nm的

44、 AlInAs勢(shì) 壘 隔 開 ( 見 圖 3.5 )。 這 種 結(jié) 構(gòu) 顯 著 降 低 了 閾 值 電 流 ，使 峰 值 功 率 得 以 大 幅 度 提 高 。 這 種 激 光 器 采 用 熱 阻 比 AlInAs小 得 多 的 InP作 為波 導(dǎo) 層 ， 這 種 改 進(jìn) 使 得 激 光 器 能 以 連 續(xù) 波 輸 出 。 圖 3.5 基 于 垂 直 躍 遷 的 量 子 級(jí) 聯(lián) 激 光 器 的 部 分 導(dǎo) 帶 圖 4.4 CCD芯 片 材 料就 像 CD、 DVD那 樣 ， CCD也 是 我 們 近 年 來(lái) 經(jīng) 常 能 聽 到 的 一 個(gè) 新 名 詞 。然 而 ， 大 多 數(shù) 人 僅 限 于

45、知 道 CCD是 一 種 攝 像 機(jī) ， 很 少 有 人 清 楚 地 了 解 CCD的確 切 含 義 和 工 作 機(jī) 理 。 CCD是 英 文 Charge Coupled Device的 縮 寫 ， 中 文 譯 名 是 電 荷 耦 合 器 件 。 CCD的 基 本 組 成 部 分 是 一 種 金 屬 -絕 緣 體 -半 導(dǎo) 體 (MIS)電 容 結(jié) 構(gòu) （ 順 便 指 出 ，普 通 平 行 板 電 容 器 是 金 屬 -絕 緣 體 -金 屬 （ MIM） 結(jié) 構(gòu) ） 。 若 在 MIS電 容 器 上 施 加 一 個(gè) 正 向 電 壓 ， MIS電 容 器 金 屬 板 （ 接 電 源 正 極 ）

46、上 正 電 荷 分 布 與 普 通 MIM的 相 同 ， 半 導(dǎo) 體 （ 接 電 源 負(fù) 極 ） 中 的 自 由 載 流 子（ 數(shù) 量 遠(yuǎn) 遠(yuǎn) 少 于 金 屬 中 的 電 子 ） 則 分 布 在 從 絕 緣 體 /半 導(dǎo) 體 界 面 處 半 導(dǎo) 體 的 表 面 開 始 往 半 導(dǎo) 體 內(nèi) 部 延 伸 一 定 厚 度 形 成 的 空 間 電 荷 區(qū) 內(nèi) 。 該 空 間 電 荷 區(qū) 對(duì) 電場(chǎng) 起 屏 蔽 作 用 ， 電 場(chǎng) 由 界 面 至 半 導(dǎo) 體 內(nèi) 部 逐 漸 減 小 ， 在 空 間 電 荷 區(qū) 邊 界 幾 乎被 全 部 屏 蔽 。 可 見 光 CCD的 基 本 電 容 結(jié) 構(gòu) 中 的 半

47、導(dǎo) 體 是 硅 基 材 料 ， 絕 緣 體 則 是 硅 的 氧 化 物 ，故 可 見 光 CCD的 基 本 組 成 部 分 稱 為 金 屬 -氧 化 物 -硅 （ MOS） 電 容 。 在 熱 平 衡 狀 態(tài) 下 ， 當(dāng) 絕 緣 體 與 半 導(dǎo) 體 界 面 和 絕 緣 體 的 總 有 效 電 荷 為 正 電 荷 （ 界面 因 晶 格 不 連 續(xù) 出 現(xiàn) 的 局 域 化 電 子 能 級(jí) 會(huì) 帶 有 一 定 電 荷 ， 絕 緣 體 也 可 能 有 電 荷 存在 ） 時(shí) ， P型 硅 的 能 帶 結(jié) 構(gòu) 在 絕 緣 體 /半 導(dǎo) 體 界 面 附 近 會(huì) 向 下 彎 曲 ， 彎 曲 深 度 即 上述

48、空 間 電 荷 區(qū) （ 又 稱 為 耗 盡 層 ） 的 寬 度 。 如 果 上 述 有 效 正 電 荷 密 度 更 大 （ 例 如 外 加 電 壓 ） ， 該 能 帶 在 界 面 處 的 彎 曲 就 更大 ， 這 會(huì) 在 界 面 附 近 的 一 個(gè) 薄 層 內(nèi) 形 成 一 個(gè) N型 導(dǎo) 電 的 反 型 層 ， N型 層 和 半 導(dǎo) 體 內(nèi) 的 P型 層 之 間 仍 為 耗 盡 層 ， N型 層 和 此 時(shí) 的 耗 盡 層 厚 度 之 和 ， 即 為 外 加 電 壓 前 的耗 盡 層 厚 度 。 如 果 對(duì) 半 導(dǎo) 體 為 P型 硅 的 MOS電 容 施 加 一 個(gè) 正 向 電 壓 Vp(即 金

49、 屬 接 正 極 ， 半 導(dǎo)體 底 板 接 負(fù) 極 )， 當(dāng) Vp剛 加 到 MOS電 容 器 的 瞬 間 ， 在 介 電 馳 豫 時(shí) 間 （ 約 10-12秒 ）內(nèi) ， 電 極 上 即 會(huì) 感 應(yīng) 生 成 電 荷 ， 這 時(shí) P型 半 導(dǎo) 體 的 多 子 （ 空 穴 ） 能 跟 得 上 這 個(gè) 變化 ， 被 電 場(chǎng) 驅(qū) 向 半 導(dǎo) 體 體 內(nèi) ， 使 界 面 處 的 半 導(dǎo) 體 表 層 中 留 下 了 數(shù) 量 與 被 趕 走 的 空穴 相 等 的 負(fù) 的 受 主 離 子 ， 而 少 子 （ 電 子 ） 在 介 電 馳 豫 時(shí) 間 內(nèi) 沒 有 變 化 。 因 此 半 導(dǎo)體 在 界 面 附 近

50、的 彎 曲 變 得 很 深 ， 在 近 界 面 形 成 了 一 個(gè) 強(qiáng) 反 型 層 。 但 由 于 這 時(shí) 候 還沒 有 產(chǎn) 生 電 子 ， 該 強(qiáng) 反 型 層 實(shí) 際 上 是 一 個(gè) 電 子 勢(shì) 阱 。 而 且 這 是 一 個(gè) 非 平 衡 狀 態(tài) 。 隨 后 ， 界 面 和 半 導(dǎo) 體 體 內(nèi) 都 會(huì) 產(chǎn) 生 電 子 -空 穴 對(duì) ， 其 中 空 穴 被 電 場(chǎng) 趕 入 半 導(dǎo) 體體 內(nèi) ， 電 子 則 在 電 場(chǎng) 作 用 下 進(jìn) 入 勢(shì) 阱 。 使 該 處 的 能 帶 抬 高 ， 最 后 恢 復(fù) 到 熱 平 衡 狀態(tài) 。 從 非 平 衡 的 建 立 至 達(dá) 到 熱 平 衡 所 需 的 時(shí)

51、間 （ 也 就 是 熱 激 發(fā) 所 產(chǎn) 生 的 電 子 填 滿 勢(shì)阱 所 需 的 時(shí) 間 ） 稱 為 存 儲(chǔ) 時(shí) 間 T（ 幾 秒 到 幾 十 秒 ） 。 CCD主 要 的 工 作 基 礎(chǔ) 就 是 非 平 衡 狀 態(tài) 。 在 這 個(gè) 狀 態(tài) 下 ， 勢(shì) 阱 可 用 來(lái) 儲(chǔ) 留 信 號(hào) ，也 可 以 用 來(lái) 使 信 號(hào) 電 荷 從 一 個(gè) 勢(shì) 阱 轉(zhuǎn) 移 到 相 鄰 的 另 一 個(gè) 勢(shì) 阱 。 CCD主 要 包 括 三 個(gè) 部 分 ： (1)信 號(hào) 輸 入 區(qū) ； (2)信 號(hào) 電 荷 轉(zhuǎn) 移 區(qū) ； (3)信 號(hào) 輸 出 區(qū)（ 見 圖 4.1） 。 信 號(hào) 輸 入 分 兩 種 方 式 ： 電

52、注 入 和 光 注 入 。 電 注 入 輸 入 區(qū) 由 一 個(gè) 輸入 二 極 管 和 一 個(gè) 或 幾 個(gè) 輸 入 柵 （ MOS電 容 的 金 屬 層 ） 構(gòu) 成 。 該 單 元 通 過 對(duì) 輸 入 柵施 加 適 當(dāng) 電 壓 在 絕 緣 體 /半 導(dǎo) 體 界 面 的 半 導(dǎo) 體 表 面 形 成 作 為 輸 入 信 號(hào) 通 道 的 耗 盡 層 ， 圖 4.1 CCD芯 片 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖輸 入 信 號(hào) 電 荷 可 從 輸 入 二 極 管 通 過 該 通 道 進(jìn) 入 信 號(hào) 電 荷 轉(zhuǎn) 移 部 分 。 信 號(hào) 電 荷 轉(zhuǎn) 移區(qū) 由 一 連 串 緊 密 排 列 的 MOS電 容 器 構(gòu) 成 ，

53、通 過 對(duì) 各 轉(zhuǎn) 移 柵 （ 各 MOS電 容 器 的 金屬 層 ） 施 加 大 小 不 同 的 電 壓 ， 使 轉(zhuǎn) 移 前 方 轉(zhuǎn) 移 柵 電 極 下 的 勢(shì) 阱 深 度 越 來(lái) 越 深 ， 信號(hào) 電 荷 就 會(huì) 不 斷 地 向 前 運(yùn) 動(dòng) 。 施 加 在 緊 靠 輸 入 柵 的 第 一 個(gè) 轉(zhuǎn) 移 柵 上 的 電 壓 高 于 施加 在 輸 入 柵 上 的 電 壓 ， 故 第 一 個(gè) 轉(zhuǎn) 移 柵 電 極 下 的 勢(shì) 阱 比 輸 入 柵 電 極 下 的 勢(shì) 阱 深 ， 在 輸 入 柵 下 耗 盡 層 的 電 荷 因 此 即 可 進(jìn) 入 第 一 個(gè) 轉(zhuǎn) 移 柵 電 極 下 的 勢(shì) 阱 ， 然

54、后 沿 著 轉(zhuǎn)移 區(qū) 越 來(lái) 越 深 的 勢(shì) 阱 通 道 向 輸 出 部 分 轉(zhuǎn) 移 。 信 號(hào) 輸 出 區(qū) 則 由 浮 置 擴(kuò) 散 放 大 器(FDA)和 輸 出 柵 等 組 成 。 來(lái) 自 最 后 一 個(gè) 轉(zhuǎn) 移 柵 下 的 電 荷 ， 通 過 輸 出 柵 下 的 勢(shì) 阱 通道 ， 到 達(dá) FDA， FDA能 將 電 荷 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 換 成 電 壓 信 號(hào) 并 放 大 后 輸 出 。 用 于 攝 像 的 CCD必 須 采 用 光 注 入 方 式 。 光 注 入 時(shí) 輸 入 二 極 管被 光 敏 元 件 （ 例 如 光 電 導(dǎo) 體 、 MOS電 容 器 、 pn結(jié) 光 電 二 極 管 或 肖

55、 特基 勢(shì) 壘 光 電 二 極 管 等 ） 取 代 。 攝 像 時(shí) 光 照 射 到 光 敏 元 件 的 光 敏 面 上 ，光 敏 材 料 （ 參 見 4.3節(jié) 光 學(xué) 傳 感 材 料 ） 吸 收 光 子 后 產(chǎn) 生 電 子 -空 穴 對(duì) 。多 子 （ 空 穴 ） 被 驅(qū) 出 耗 盡 區(qū) 后 ， 通 過 襯 底 接 地 而 消 失 ， 少 子 （ 電 子 ）則 被 勢(shì) 阱 收 集 成 為 信 號(hào) 電 荷 。 實(shí) 際 的 CCD攝 像 器 件 的 光 敏 區(qū) 都 是 由光 敏 元 面 陣 構(gòu) 成 的 。 按 光 譜 分 類 ， CCD可 分 為 可 見 光 CCD、 紅 外 CCD、 X射 線 C

56、CD和 紫 外 光 CCD等 。可 見 光 CCD還 可 細(xì) 分 為 黑 白 CCD、 彩 色 CCD和 微 光 CCD三 類 。 彩 色 CCD攝 像 機(jī) 按 照 所 用CCD的 片 數(shù) 分 為 三 片 式 、 二 片 式 和 單 片 式 三 種 。 根 據(jù) CCD片 數(shù) 的 多 少 ， 采 用 分 光 系 統(tǒng) 和 濾色 膜 將 所 攝 景 物 照 射 到 CCD上 。 微 光 （ 夜 視 ） CCD則 是 在 微 光 攝 影 系 統(tǒng) 的 物 鏡 與 目 鏡 之 間放 置 增 強(qiáng) 型 CCD（ ICCD） 或 時(shí) 間 延 遲 積 分 型 CDD(TDI CCD)。 ICCD有 兩 種 工 作

57、 方 式 ， 一 種 是 采 用 GaAs等 III-V族 半 導(dǎo) 體 材 料 構(gòu) 成 的 光 電 陰 極 增 強(qiáng) 信 號(hào) ，然 后 用 光 導(dǎo) 纖 維 束 錐 將 增 強(qiáng) 信 號(hào) 耦 合 到 CCD的 光 敏 面 上 ； 另 一 種 是 將 CCD攝 像 器 件 集 成 到攝 像 管 的 真 空 中 作 為 攝 像 器 的 陽(yáng) 極 ， 當(dāng) 入 射 光 子 被 打 到 光 電 陰 極 上 后 變 成 光 電 子 ， 光 電 子被 加 速 并 聚 焦 在 面 陣 CCD芯 片 上 。 TDI CCD則 適 于 在 低 溫 下 工 作 ， 它 利 用 增 加 光 積 分 時(shí) 間 來(lái) 提 高 信 號(hào)

58、 的 載 噪 比 。 紅 外 CCD則 是 用 前 一 節(jié) 所 述 的 紅 外 焦 平 面 陣 列 (IRFPA)取 代 可 見 光 CCD的 光 敏 元 部 分 后構(gòu) 成 的 。 X射 線 CCD有 兩 種 ， 一 種 是 直 接 用 微 光 CCD攝 取 軟 X射 線 目 標(biāo) 圖 像 ； 另 一 種 采 用 帶 隔 離層 的 碘 化 銫 晶 體 高 效 轉(zhuǎn) 換 材 料 ， 因 為 碘 化 銫 晶 體 幾 乎 能 把 照 射 到 的 X射 線 全 部 吸 收 并 轉(zhuǎn) 換成 可 見 光 。 紫 外 CCD的 研 究 進(jìn) 展 較 慢 ， 主 要 原 因 是 紫 外 輻 射 會(huì) 與 半 導(dǎo) 體 工

59、 藝 使 用 的 一 些 材 料 發(fā) 生 相互 作 用 （ 例 如 僅 幾 十 納 米 厚 的 SiO2就 會(huì) 強(qiáng) 烈 吸 收 紫 外 輻 射 等 ） 。 目 前 主 要 采 取 用 波 長(zhǎng) 轉(zhuǎn) 換材 料 將 紫 外 輻 射 轉(zhuǎn) 換 成 較 長(zhǎng) 波 長(zhǎng) 熒 光 的 方 法 等 來(lái) 解 決 這 一 問 題 。 這 類 波 長(zhǎng) 轉(zhuǎn) 換 材 料 主 要 有六 苯 并 苯 、 水 楊 酸 鈉 和 紅 寶 石 等 。 由 此 可 知 ， CCD實(shí) 際 上 是 一 種 三 層 結(jié) 構(gòu) 的 半 導(dǎo) 體 芯 片 ， 其 基本 結(jié) 構(gòu) 單 元 是 MOS電 容 。 CCD的 襯 底 材 料 是 P型 硅 半 導(dǎo)

60、 體 材 料 ， 襯底 上 面 是 一 層 二 氧 化 硅 絕 緣 層 ， 這 可 用 集 成 電 路 的 平 面 工 藝 制 作 。二 氧 化 硅 上 面 是 一 層 金 屬 層 ， 然 后 可 用 光 刻 工 藝 把 金 屬 層 加 工 成 各種 柵 (如 輸 入 柵 、 轉(zhuǎn) 移 柵 和 輸 出 柵 等 )。 信 號(hào) 電 荷 是 通 過 二 氧 化 硅 /P型 硅 界 面 處 P型 硅 表 面 的 勢(shì) 阱 通 道 輸 入 、 轉(zhuǎn) 移 和 輸 出 的 。 5.1 半 導(dǎo) 體 存 儲(chǔ) 器 材 料 半 導(dǎo) 體 存 儲(chǔ) 器 按 器 件 制 造 工 藝 可 分 為 雙 極 型 存 儲(chǔ) 器 和 MOS

61、型 存 儲(chǔ)器 兩 大 類 。- 雙 極 型 存 儲(chǔ) 器 速 度 快 但 功 耗 大 、 集 成 度 小 ， 只 用 于 速 度 要 求 非 ?？?、 容 量 小 的 場(chǎng) 合 。- MOS型 存 儲(chǔ) 器 除 速 度 較 慢 之 外 ， 在 功 耗 、 集 成 度 、 成 本 等 方 面 都優(yōu) 于 雙 極 型 存 儲(chǔ) 器 ， 故 市 場(chǎng) 上 絕 大 多 數(shù) 半 導(dǎo) 體 存 儲(chǔ) 器 都 是 MOS型 存儲(chǔ) 器 。 若 按 照 功 能 分 類 ， 半 導(dǎo) 體 存 儲(chǔ) 器 可 分 為 隨 機(jī) 存 取 存 儲(chǔ) 器 （ RAM） 、只 讀 存 儲(chǔ) 器 (ROM)和 順 序 存 取 存 儲(chǔ) 器 (SAM)。

62、其 中 RAM和 ROM是半 導(dǎo) 體 存 儲(chǔ) 器 的 主 流 。 (3) 可 改 寫 只 讀 存 儲(chǔ) 器 (EPROM) 可 改 寫 只 讀 存 儲(chǔ) 器 (EPROM)允 許 用 戶 多 次 改 寫 或 擦 除 已 存 儲(chǔ) 的 信息 ， 主 要 分 為 紫 外 光 改 寫 的 只 讀 存 儲(chǔ) 器 （ UVEPROM） （ 見 圖 5.1）和 電 可 改 寫 只 讀 存 儲(chǔ) 器 （ E2PROM） 兩 種 （ 見 圖 5.2） 。 圖 5.1UVEPROM存 儲(chǔ) 單 元 結(jié) 構(gòu) UVEPROM的 存 儲(chǔ) 單 元 是 一 個(gè) 浮 柵 雪 崩 注 入 MOS管 ， 其 浮 置 柵 和 控 制 柵 被

63、 包圍 在 SiO 2柵 氧 化 層 中 ， 其 中 浮 置 柵 離 P型 襯 底 非 常 近 （ 約 100nm） 。 寫 入 時(shí) 在 漏極 上 加 高 壓 脈 沖 使 漏 結(jié) 產(chǎn) 生 雪 崩 效 應(yīng) 從 而 產(chǎn) 生 高 能 電 子 ， 部 分 能 量 大 的 電 子 會(huì) 穿過 薄 SiO2層 注 入 浮 置 柵 ， 使 浮 置 柵 積 累 負(fù) 電 荷 。 由 于 浮 置 柵 沒 有 放 電 回 路 ， 即 使撤 去 高 壓 脈 沖 ， 負(fù) 電 荷 仍 會(huì) 長(zhǎng) 期 保 留 在 浮 柵 上 ， 導(dǎo) 致 管 子 的 開 啟 電 壓 升 高 。 若 控制 柵 被 加 上 高 電 平 ， 浮 柵 上

64、 有 無(wú) 電 荷 就 會(huì) 造 成 管 子 的 不 導(dǎo) 通 和 導(dǎo) 通 兩 種 狀 態(tài) ， 相當(dāng) 于 存 入 “ 0” 或 “ 1” 。 UVEPROM就 是 利 用 這 一 原 理 實(shí) 現(xiàn) 編 程 的 。 擦 除 信 息 的 操 作 實(shí) 際 上 就 是 釋 放 浮 柵 上 的 電 荷 。 由 于 沒 有 放 電 回路 ， 電 荷 無(wú) 法 穿 越 SiO2層 。 為 此 ， UVEPROM外 殼 表 面 設(shè) 置 了 一 個(gè)石 英 窗 口 ， 擦 除 信 息 時(shí) 用 強(qiáng) 紫 外 光 通 過 石 英 窗 口 照 射 存 儲(chǔ) 芯 片 一 段時(shí) 間 ， 使 浮 柵 上 的 電 子 獲 得 足 夠 的 能

65、 量 穿 越 SiO2層 而 逃 逸 。 UVEPROM的 缺 點(diǎn) 是 擦 除 存 儲(chǔ) 芯 片 上 已 存 儲(chǔ) 信 息 的 操 作 只 能 整 片進(jìn) 行 。 E2PROM存 儲(chǔ) 單 元 的 晶 體 管 結(jié) 構(gòu) 與 UVEPROM的 相 似 ， 不 同 之 處在 于 E2PROM的 MOS管 的 浮 柵 和 漏 極 之 間 的 氧 化 層 非 常 薄 ， 相 當(dāng) 于一 個(gè) 供 電 子 穿 越 的 隧 道 。圖 5.2 E 2PROM存 儲(chǔ) 單 元 結(jié) 構(gòu)寫 入 時(shí) 在 控 制 柵 上 加 上 足 夠 高 的 正 電 壓 ， 漏 極 接 地 ， 電 子 穿 越 隧道 給 浮 柵 充 電 ； 擦 除

66、 時(shí) 將 控 制 柵 接 地 ， 漏 極 加 上 適 當(dāng) 高 的 正 電 壓 ，從 浮 柵 上 吸 出 注 入 的 電 子 。 由 于 E2PROM可 按 字 節(jié) 用 電 來(lái) 擦 除 或 改寫 ， 故 E2PROM的 使 用 比 UVEPROM方 便 。 l (4) 閃 爍 只 讀 存 儲(chǔ) 器 (Flash ROM) Flash ROM是 在 EPROM基 礎(chǔ) 上 發(fā) 展 起 來(lái) 的 一 種 新 型 電 可 改 寫 只讀 存 儲(chǔ) 器 。 其 存 儲(chǔ) 單 元 由 一 個(gè) 雙 層 多 晶 浮 柵 MOS晶 體 管 構(gòu) 成 。 該 晶體 管 以 P+型 半 導(dǎo) 體 為 襯 底 ， 以 兩 個(gè) N+ 區(qū) 分 別 為 源 和 漏 ， 源 與 襯 底 之間 為 隧 道 氧 化 物 N- ,漏 與 襯 底 之 間 為 P - 型 半 導(dǎo) 體 。 包 圍 于 SiO2層 中的 浮 柵 有 兩 個(gè) ， 其 中 靠 近 襯 底 的 一 個(gè) 浮 柵 無(wú) 引 出 線 與 外 界 相 連 。 另一 個(gè) 浮 柵 靠 一 根 引 出 線 與 控 制 柵 相 連 。 該 晶 體 管 的 特 別 之 處 是 ， 作為