Учебное пособие. — Томск: Издательский Дом Томского
государственного университета, 2015. — 272 с. — ISBN
978-5-94621-475-9
В учебном пособии рассмотрены свойства основных полупроводниковых
материалов и характеристики барьерных структур (p–n-переходов и
гетеропереходов), использующихся при создании оптоэлектронных
приборов. Описаны принципы действия, основные характеристики и
конструкции фотодиодов, фотопреобразователей, светодиодов и
инжекционных лазеров.
Для лучшего усвоения материала к каждому разделу даны контрольные вопросы. Кроме того, пособие включает ряд описаний практических и лабораторных работ, дающих навыки оценки параметров полупроводниковых материалов и структур и измерения характеристик оптоэлектронных приборов.
В качестве приложений приведены таблицы основных параметров полупроводниковых материалов, твердых растворов на основе полупроводниковых соединений типа AIIIBV.
Для студентов старших курсов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям «Физика», «Радиофизика», «Электроника и наноэлектроника», а также аспирантов и научных сотрудников, работающих в области полупроводниковой электроники и оптоэлектроники. Предисловие
Электроны и дырки в полупроводниках (некоторые сведения из физики полупроводников)
Носители заряда в полупроводниках
Концентрации носителей заряда и ионизованных примесей
Концентрация свободных электронов
Концентрация свободных дырок
Концентрации ионизованных примесей
Вид уравнения электронейтральности для различных случаев легирования полупроводника
Собственный полупроводник
Полупроводник с донорной примесью
Полупроводник с акцепторной примесью
Частично компенсированный полупроводник
Полупроводник с двумя типами минимумов в зоне проводимости
Примеры решений уравнения электронейтральности
Зависимости концентраций свободных носителей заряда в GaAs от концентраций легирующих примесей
Температурные зависимости концентраций свободных носителей в арсениде галлия
Контрольные вопросы
Поглощение оптического излучения в полупроводниках
Закон Бугера–Ламберта
Спектральная зависимость коэффициента поглощения
Оптическая генерация носителей заряда
Контрольные вопросы Излучение света в полупроводниках
Люминесценция полупроводников
Излучательная и безызлучательная рекомбинации
Межзонная излучательная рекомбинация
Экситонная люминесценция
Примесная люминесценция
Донорно-акцепторная люминесценция
Безызлучательная рекомбинация
Внутренний квантовый выход
Спектры рекомбинационного излучения
Влияние легирования на спектры люминесценции полупроводников
Контрольные вопросы
Основные свойства p-n-переходов
Образование потенциального барьера в p–n-переходе
Характеристики барьера в резком p–n-переходе
Характеристики барьера в плавном p–n-переходе
Диффузионные токи в p–n-переходе.
Инжекция и экстракция носителей заряда
Рекомбинационный и термогенерационный токи в p–n-переходах
Туннелирование в p–n-переходах
Проводимость p–n-перехода при переменном напряжении
Контрольные вопросы
Гетероструктуры и их основные свойства
Понятие о гетеропереходе
Модели гетеропереходов
Модель Андерсона для резкого гетероперехода Правило электронного сродства
Модель с электронными состояниями, локализованными у гетерограницы
Связь с уровнями локальной электронейтральности
Влияние на энергетическую диаграмму гетероперехода пограничных электрических диполей и монополярного заряженного слоя на гетерогранице
Плавный гетеропереход
Протекание тока в гетеропереходах
Ток в идеальном резком гетеропереходе
Влияние граничных электронных состояний на вольт-амперную характеристику гетероперехода
Основные свойства гетероструктур
Односторонняя инжекция в гетеропереходе
Суперинжекция
Локализация избыточных носителей заряда в двойной гетероструктуре
Оптическая прозрачность широкозонного материала гетероструктуры (эффект «оптического окна»)
Волноводный эффект в гетероструктуре
Варизонные структуры
Понятие о варизонном полупроводнике
Варизонная p–n-структура
Квантово-размерные структуры
Понятие о квантово-размерных структурах
Оптические свойства структур с квантовыми ямами
Контрольные вопросы Материалы для оптоэлектронных приборов
Германий и кремний
Полупроводниковые соединения типа AIIIBV со структурой сфалерита
Соединения типа AIIIN
Твердые растворы полупроводниковых соединений
Понятие о полупроводниковом твердом растворе
Зависимость основных свойств полупроводникового твердого раствора от его состава
Твердый раствор AlxGa –xAs
Энергетический спектр AlxGa –xAs
Концентрация электронов в различных минимумах зоны проводимости AlxGa –xAs
Зависимость люминесцентных свойств AlxGa –xAs от состава твердого раствора
Гетероструктуры на основе AlxGa –xAs
Четверной твердый раствор In –xGaxAsyP –y
Другие твердые растворы
Контрольные вопросы
Фотодиоды
Природа фотоэффекта в p–n-переходе
Режимы работы фотодиода
Зависимость величины фототока от параметров фотодиодной структуры и оптического излучения
Расчет величины Jiф
Расчет электронной составляющей фототока Jnф
Расчет дырочной составляющей фототока Jpф
Параметры и характеристики фотодиода
Квантовая эффективность
Токовая монохроматическая чувствительность
Быстродействие фотодиода
Пороговые параметры фотодиода
Разновидности фотодиодов
P–i–n-фотодиод
Фотодиод с барьером Шоттки
Фотодиод с гетеропереходом
Лавинный фотодиод
Лавинный гетерофотодиод с разделенными областями поглощения и умножения
Фотоприемник на основе квантовых ям
Контрольные вопросы
Фотоэлектрические преобразователи
Солнечное излучение
КПД идеального фотопреобразователя
Конструкции фотопреобразователей
Кремниевый солнечный элемент
Солнечные элементы на основе гетероструктур
Каскадные солнечные элементы
Концентрирование солнечного излучения
Солнечные элементы с промежуточной зоной
Контрольные вопросы Светодиоды
Инжекция носителей заряда в светодиоде
Внешний квантовый выход и вывод излучения из диода
Ватт-амперная характеристика и диаграмма направленности светодиода
Особенности характеристик светодиодов видимой области
Материалы и конструкции светодиодов
Контрольные вопросы
Источники белого света на основе GaN
Принципы получения белого света
Конструкции и технология изготовления светодиодов на основе GaN
Электрические характеристики светодиодных гетероструктур
Спектры излучения светодиодов на основе GaN
Квантовый выход светодиодов на основе GaN
Роль люминофора
Контрольные вопросы
Инжекционные лазеры
Принцип действия инжекционного лазера
Условие возникновения лазерного излучения
Пороговый ток инжекционного лазера
Конструкции инжекционных лазеров
Инжекционные лазеры на двухсторонней гетероструктуре
Лазеры с полосковой геометрией активной области
Лазеры с раздельным электронным и оптическим ограничением
Инжекционные лазеры с вертикальным резонатором
Квантово-каскадные лазеры
Контрольные вопросы
Задания к практическим и лабораторным работам
Задание к практическому занятию по разделу «Исследование уравнения электронейтральности в полупроводнике»
Лабораторная работа к разделу «Изучение спектра фотолюминесценции полупроводника»
Задание к практическому занятию по разделам и «Расчет параметров гетероперехода»
Задание к практическому занятию по разделу «Расчет характеристик твердых растворов»
Лабораторная работа по разделу «Изучение характеристик фотодиода»
Лабораторная работа по разделу «Изучение характеристик светодиода» Приложения
Глоссарий
Основные сокращения и условные обозначения
Литература
Для лучшего усвоения материала к каждому разделу даны контрольные вопросы. Кроме того, пособие включает ряд описаний практических и лабораторных работ, дающих навыки оценки параметров полупроводниковых материалов и структур и измерения характеристик оптоэлектронных приборов.
В качестве приложений приведены таблицы основных параметров полупроводниковых материалов, твердых растворов на основе полупроводниковых соединений типа AIIIBV.
Для студентов старших курсов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям «Физика», «Радиофизика», «Электроника и наноэлектроника», а также аспирантов и научных сотрудников, работающих в области полупроводниковой электроники и оптоэлектроники. Предисловие
Электроны и дырки в полупроводниках (некоторые сведения из физики полупроводников)
Носители заряда в полупроводниках
Концентрации носителей заряда и ионизованных примесей
Концентрация свободных электронов
Концентрация свободных дырок
Концентрации ионизованных примесей
Вид уравнения электронейтральности для различных случаев легирования полупроводника
Собственный полупроводник
Полупроводник с донорной примесью
Полупроводник с акцепторной примесью
Частично компенсированный полупроводник
Полупроводник с двумя типами минимумов в зоне проводимости
Примеры решений уравнения электронейтральности
Зависимости концентраций свободных носителей заряда в GaAs от концентраций легирующих примесей
Температурные зависимости концентраций свободных носителей в арсениде галлия
Контрольные вопросы
Поглощение оптического излучения в полупроводниках
Закон Бугера–Ламберта
Спектральная зависимость коэффициента поглощения
Оптическая генерация носителей заряда
Контрольные вопросы Излучение света в полупроводниках
Люминесценция полупроводников
Излучательная и безызлучательная рекомбинации
Межзонная излучательная рекомбинация
Экситонная люминесценция
Примесная люминесценция
Донорно-акцепторная люминесценция
Безызлучательная рекомбинация
Внутренний квантовый выход
Спектры рекомбинационного излучения
Влияние легирования на спектры люминесценции полупроводников
Контрольные вопросы
Основные свойства p-n-переходов
Образование потенциального барьера в p–n-переходе
Характеристики барьера в резком p–n-переходе
Характеристики барьера в плавном p–n-переходе
Диффузионные токи в p–n-переходе.
Инжекция и экстракция носителей заряда
Рекомбинационный и термогенерационный токи в p–n-переходах
Туннелирование в p–n-переходах
Проводимость p–n-перехода при переменном напряжении
Контрольные вопросы
Гетероструктуры и их основные свойства
Понятие о гетеропереходе
Модели гетеропереходов
Модель Андерсона для резкого гетероперехода Правило электронного сродства
Модель с электронными состояниями, локализованными у гетерограницы
Связь с уровнями локальной электронейтральности
Влияние на энергетическую диаграмму гетероперехода пограничных электрических диполей и монополярного заряженного слоя на гетерогранице
Плавный гетеропереход
Протекание тока в гетеропереходах
Ток в идеальном резком гетеропереходе
Влияние граничных электронных состояний на вольт-амперную характеристику гетероперехода
Основные свойства гетероструктур
Односторонняя инжекция в гетеропереходе
Суперинжекция
Локализация избыточных носителей заряда в двойной гетероструктуре
Оптическая прозрачность широкозонного материала гетероструктуры (эффект «оптического окна»)
Волноводный эффект в гетероструктуре
Варизонные структуры
Понятие о варизонном полупроводнике
Варизонная p–n-структура
Квантово-размерные структуры
Понятие о квантово-размерных структурах
Оптические свойства структур с квантовыми ямами
Контрольные вопросы Материалы для оптоэлектронных приборов
Германий и кремний
Полупроводниковые соединения типа AIIIBV со структурой сфалерита
Соединения типа AIIIN
Твердые растворы полупроводниковых соединений
Понятие о полупроводниковом твердом растворе
Зависимость основных свойств полупроводникового твердого раствора от его состава
Твердый раствор AlxGa –xAs
Энергетический спектр AlxGa –xAs
Концентрация электронов в различных минимумах зоны проводимости AlxGa –xAs
Зависимость люминесцентных свойств AlxGa –xAs от состава твердого раствора
Гетероструктуры на основе AlxGa –xAs
Четверной твердый раствор In –xGaxAsyP –y
Другие твердые растворы
Контрольные вопросы
Фотодиоды
Природа фотоэффекта в p–n-переходе
Режимы работы фотодиода
Зависимость величины фототока от параметров фотодиодной структуры и оптического излучения
Расчет величины Jiф
Расчет электронной составляющей фототока Jnф
Расчет дырочной составляющей фототока Jpф
Параметры и характеристики фотодиода
Квантовая эффективность
Токовая монохроматическая чувствительность
Быстродействие фотодиода
Пороговые параметры фотодиода
Разновидности фотодиодов
P–i–n-фотодиод
Фотодиод с барьером Шоттки
Фотодиод с гетеропереходом
Лавинный фотодиод
Лавинный гетерофотодиод с разделенными областями поглощения и умножения
Фотоприемник на основе квантовых ям
Контрольные вопросы
Фотоэлектрические преобразователи
Солнечное излучение
КПД идеального фотопреобразователя
Конструкции фотопреобразователей
Кремниевый солнечный элемент
Солнечные элементы на основе гетероструктур
Каскадные солнечные элементы
Концентрирование солнечного излучения
Солнечные элементы с промежуточной зоной
Контрольные вопросы Светодиоды
Инжекция носителей заряда в светодиоде
Внешний квантовый выход и вывод излучения из диода
Ватт-амперная характеристика и диаграмма направленности светодиода
Особенности характеристик светодиодов видимой области
Материалы и конструкции светодиодов
Контрольные вопросы
Источники белого света на основе GaN
Принципы получения белого света
Конструкции и технология изготовления светодиодов на основе GaN
Электрические характеристики светодиодных гетероструктур
Спектры излучения светодиодов на основе GaN
Квантовый выход светодиодов на основе GaN
Роль люминофора
Контрольные вопросы
Инжекционные лазеры
Принцип действия инжекционного лазера
Условие возникновения лазерного излучения
Пороговый ток инжекционного лазера
Конструкции инжекционных лазеров
Инжекционные лазеры на двухсторонней гетероструктуре
Лазеры с полосковой геометрией активной области
Лазеры с раздельным электронным и оптическим ограничением
Инжекционные лазеры с вертикальным резонатором
Квантово-каскадные лазеры
Контрольные вопросы
Задания к практическим и лабораторным работам
Задание к практическому занятию по разделу «Исследование уравнения электронейтральности в полупроводнике»
Лабораторная работа к разделу «Изучение спектра фотолюминесценции полупроводника»
Задание к практическому занятию по разделам и «Расчет параметров гетероперехода»
Задание к практическому занятию по разделу «Расчет характеристик твердых растворов»
Лабораторная работа по разделу «Изучение характеристик фотодиода»
Лабораторная работа по разделу «Изучение характеристик светодиода» Приложения
Глоссарий
Основные сокращения и условные обозначения
Литература