《微电子学概论》.ppt

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1、第七章几种重要的特种微电子器件主要内容薄膜晶体管TFT光电器件电荷耦合器件薄膜晶体管薄膜晶体管(ThinFilmTransistor，TFT)通常是指利用半导体薄膜材料制成的绝缘栅场效应晶体管非晶硅薄膜晶体管(a-SiTFT)多晶硅薄膜晶体管(poly-SiTFT)碳化硅薄膜晶体管(SiCTFT)TFT的结构立体结构型平面结构型TFT的应用领域大面积平板显示──有源矩阵液晶显示(ActiveMatrixLiquidCrystalDisplay,缩写为AMLCD)电可擦除只读存储器(ROM)静态随机存储器(SRAM)线阵或面阵型图像传感器驱动电路液晶显示器驱动电压

2、和功耗低、体积小、重量轻、无X射线辐射等一系列优点为了降低串扰，提高扫描线数，在每个像素上配置一个开关器件，形成有源矩阵液晶显示，消除了像素间的交叉串扰TFT有源矩阵的结构光电子器件光电子器件：光子和电子共同起作用的半导体器件，其中光子担任主要角色。主要包括三大类：发光器件：将电能转换为光能发光二极管(LightEmittingDiode，缩写为LED)半导体激光器太阳能电池：将光能转换为电能光电探测器：利用电子学方法检测光信号的辐射跃迁和光吸收：在固体中，光子和电子之间的相互作用有三种基本过程：吸收、自发发射和受激发射两个能级之间的三种基本跃迁过程(a)吸收(

3、b)自发发射(c)受激发射当入射光辐射的能量接近固体能带间隙所对应的能量时，固体的原子或分子将吸收入射光子的能量而跃迁到较高的能级或能带，此时出现光吸收。而到达不稳定激发态的原子或分子则会通过自发辐射或受激辐射的方式回到稳定的基态，以光子的形式释放出相应的多余能量，该过程为自发或受激辐射。见上页图。半导体中的光吸收过程：当半导体受到光照时，光子被吸收。若光子的能量等于禁带宽度，则会产生电子空穴对，如图7.6(a)所示.若光子的能量大于禁带宽度，除了产生一个电子空穴对以外,多余的能量将作为热量耗散掉,如图7.6(b)所示.如果光子能量小于禁带宽度,则只有在禁带当中

4、存在杂质或物理缺陷引起的能态时,光子才能被吸收.如图7.6(c)所示.发光器件发光二极管：靠注入载流子自发复合而引起的自发辐射；非相干光。目前应用最广的一种结（PN结）型电致发光器件。半导体激光器则是在外界诱发的作用下促使注入载流子复合而引起的受激辐射；相干光，具有单色性好、方向性强、亮度高等特点半导体电致发光有着悠久的历史1907年观察到电流通过硅检波器时发黄光现象1923年在碳化硅检波器中观察到类似的现象1955年观察到III-V族化合物中的辐射1961年观察到磷化镓pn结的发光60年代初期GaAs晶体制备技术的显著发展1962年制成GaAs发光二极管和Ga

5、As半导体激光器异质结的发展对结型发光器件性能的提高也起了很大的推进作用半导体发射激光，即要实现受激发射，必须满足下面三个条件：通过施加偏压等方法将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带，产生足够多的电子空穴对，导致粒子数分布发生反转形成光谐振腔，使受激辐射光子增生，产生受激振荡，导致产生的激光沿谐振腔方向发射满足一定的阈值条件，使电子增益大于电子损耗，即激光器的电流密度必须大于产生受激发射的电流密度阈值光电探测器光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件热探测器光子探测器热探测器：利用探测元吸收入射光(通常是红外光)产生热量，引起温度上升，然后再借助各种物

6、理效应把温度的变化转变成电学参量热探测器进行光电转换的过程：探测器吸收光辐射引起温度上升利用探测器的某些温度效应把温升转换成电学参量光子探测器：利用入射光子与半导体中处于束缚态的电子(或空穴)相互作用，将它们激发为自由态，引起半导体的电阻降低或者产生电动势光子探测器的三个基本过程：光子入射到半导体中并产生载流子载流子在半导体中输运并被某种电流增益机构倍增产生的电流与外电路相互作用，形成输出信号，从而完成对光子的探测光敏电阻：光敏电阻通常由一块状或薄膜状半导体及其两边的欧姆接触构成光电二极管：光电二极管实际上就是一个工作在反向偏置条件下的pn结，p-i-n光电二极

7、管是最常用的光电探测器件雪崩光电二极管：雪崩光电二极管是借助强电场作用产生载流子倍增效应(即雪崩倍增效应)的一种高速光电器件太阳能电池吸收光辐射而产生电动势，它是半导体太阳能电池实现光电转换的理论基础产生光生伏特效应的两个基本条件：半导体材料对一定波长的入射光有足够大的光吸收系数，即要求入射光子的能量h大于或等于半导体的禁带宽度Eg具有光生伏特结构，即有一个内建电场所对应的势垒区影响太阳能电池转换效率的主要因素有：表面太阳光的反射、pn结漏电流和寄生串联电阻等CCD器件电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice，简称CCD)：70年代初由美国贝尔实验

8、室研制成功的一种新型半导