無機(jī)材料物理化學(xué)第8章

1、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Г、X、L等幾個(gè)重要方向上能量E的變化。Г、X和L分別為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Г點(diǎn)，當(dāng)其導(dǎo)帶底也位于Г點(diǎn)時(shí)，這種半導(dǎo)

2、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

3、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)在原來位置形成空穴，并形成空穴載流子。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、可控硅管和集成電路（IC）。P

4、N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)和小圓圈來表示。EF為費(fèi)米能級(jí)。圖2.2（b）為成結(jié)后在

5、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。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)域已無載流子存在，故又稱為耗盡層?？臻g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

6、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。正向偏壓越大

7、，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，用途和功能五花八門，但晶體管的基本結(jié)構(gòu)卻是簡單而共同的。PN結(jié)型晶體管的內(nèi)部都有兩個(gè)PN結(jié)。主要

8、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2.3PNP型和NPN型晶體管的結(jié)構(gòu)和符號(hào),如圖2.4所示，如果我們?cè)诎l(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)

9、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

10、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

11、，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)?shù)暮龃蠛鲂〉碾妷?，使?/p>

12、從源到漏的電流通道忽通忽斷，漏極輸出電流也就會(huì)時(shí)有時(shí)無，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)展起來的，是構(gòu)成集成電路

13、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)，即使在源與漏之間加有電壓，流過的電流也是非常小的（因?yàn)橛蒒+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?cè)诮^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

14、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，硅有很多重要優(yōu)點(diǎn)。硅的

15、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85?C,而硅可以達(dá)到200?C。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)合起來制成各種結(jié)構(gòu)的器件和電路。而且氧化硅層又是一種性能很好的絕緣體，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

16、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，簡化了工藝程序，降低了制造成本，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)生幾萬乃至幾百萬攝氏度的高溫；單色性好，譜線寬度小 ；相干

17、性好，即相干長度很長，是普通光束的數(shù)十至數(shù)百倍；傳遞信息的容量大強(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

18、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 < N2，光便增殖。原子的能級(jí)分布遵循玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)： 即在通常的熱平衡條件下， N1 總是大于 N2的。為了使受激輻射

19、成為主導(dǎo)，必須使高能級(jí)粒子數(shù)超過低能級(jí)粒子數(shù)，即要求實(shí)現(xiàn)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。激光材料實(shí)質(zhì)上就是具有適當(dāng)?shù)哪芗?jí)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)。,為了得到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)，一般需要兩個(gè)條件：外界有能量輸入，將粒子源源不斷地激發(fā)到高能級(jí)（稱為泵激）；體系中有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，使被激發(fā)到該能級(jí)的粒子不會(huì)立即返回基態(tài)。圖2.1 示出了兩種獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的例子：三能級(jí)系統(tǒng)：0為基態(tài)，1為壽命較長的亞穩(wěn)態(tài)，2是上能級(jí)，1和0之間可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；

20、四能級(jí)系統(tǒng)：0為基態(tài)，2為壽命較長的亞穩(wěn)態(tài)，3是上能級(jí)，2和1之間可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，由于1不是基態(tài)，原來粒子數(shù)就比較少，故四能級(jí)系統(tǒng)比三能級(jí)系統(tǒng)更容易建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；,圖 2.1 粒子數(shù)反轉(zhuǎn),處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的材料稱為激活介質(zhì)。若有適當(dāng)頻率的光子（其能量恰為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的兩能級(jí)的能量差）射入這種激活介質(zhì)，則會(huì)形成受激輻射大于吸收的情況，從而增加同種頻率的光子，使出射的光子數(shù)會(huì)大于入射的光子數(shù)。因?yàn)榧せ罱橘|(zhì)具有放大的作用，故被稱為受激輻

21、射放大器，簡稱激光放大器。通常所說的激光器是指受激輻射的振蕩器，它由上述激光放大器及一個(gè)光學(xué)諧振腔組成 。光學(xué)諧振腔的作用是使輸出中的一部分反饋到放大器中，以產(chǎn)生諧振振蕩而進(jìn)一步獲得同步放大。諧振腔的反射鏡具有反饋的功能，從部分反射鏡中透射出的光束就是激光器的輸出( 圖 2.2) 。 圖2.2 (a) 具有反饋的振蕩器; (b) 激光器(包括放大和反饋

22、)為了達(dá)到振蕩，放大器的增益必須比反饋系統(tǒng)的損耗大，從而保證信號(hào)在一次完整的反饋回路中有凈增益。此外，為了達(dá)到振蕩，振蕩器還應(yīng)滿足相位條件：2L = m?，式中，L 為諧振腔的長度， ?是光的波長，m 是整數(shù)。固體激光材料就是指用于制作激光放大器的一類材料，按基質(zhì)結(jié)構(gòu)可分為兩大類：激光晶體和激光玻璃。,3.1 半導(dǎo)體激光器原理半導(dǎo)體激光器又稱激光二極管，是利用少數(shù)載流子注入產(chǎn)生受激發(fā)射的器件和所有的激光器一樣，半導(dǎo)體激

23、光器必須具備三個(gè)條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)共振腔激勵(lì)源半導(dǎo)體激光器從結(jié)構(gòu)上可分為：pn 結(jié)激光器異質(zhì)結(jié)激光器量子阱激光器分布反饋激光器,3.1.1 pn 結(jié)激光器組成 pn 結(jié)激光器的材料必須是高摻雜的 “簡并半導(dǎo)體”, 即 p 型材料的費(fèi)米能級(jí)在價(jià)帶中，而 n 型材料的費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入導(dǎo)帶。（1）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件用簡并的 p 型半導(dǎo)體和 n 型半導(dǎo)體組成 pn 結(jié)后，其能帶結(jié)構(gòu)如圖3-1 所示。pn 結(jié)組成后， p 型

24、半導(dǎo)體和 n 型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)應(yīng)保持一致，故 p 區(qū)的價(jià)帶頂高于 n 區(qū)的導(dǎo)帶底，結(jié)區(qū)形成勢(shì)壘qVD。 圖3-1 (a)簡并半導(dǎo)體PN結(jié),對(duì) pn 結(jié)施加正向偏壓V以后，pn 結(jié)勢(shì)壘下降為 q（VD-V），p區(qū)和 n 區(qū)的費(fèi)米能級(jí)分開，兩費(fèi)米能級(jí)之差 Efn – EFp = qV。由于少數(shù)載流子的注入， Efn 和 Efp 各自延伸并穿過空間電荷區(qū)，成為空

25、間電荷區(qū)的導(dǎo)帶準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)（EF）C 和價(jià)帶準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)（EF）V。因此，只要外加偏壓滿足qV 〉Eg，可得 （EF）C - （EF）V = ?EF 〉Eg ? h?。這就是半導(dǎo)體中產(chǎn)生受激發(fā)射的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件。其物理意義可由圖3-2表示。,圖3-2半導(dǎo)體中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn),圖3-1 （b）形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)示意圖,準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)代表的是電子填充的能級(jí)水平。如圖3-2 所示，導(dǎo)帶中（EF）C 以上的能級(jí)是空的，價(jià)帶中（EF）V 以下的能級(jí)被電子充滿

26、，在這種情況下若 h? > ?EF ，則只會(huì)產(chǎn)生受激吸收，電子從價(jià)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)體的共振腔是利用上述激活區(qū)的

27、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，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

28、 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

29、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配。這是因?yàn)?，晶格失配?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?yàn)楫愘|(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的注入效率高；光波導(dǎo)性能好是因?yàn)?，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)結(jié)為例）的折射率。雙異質(zhì)結(jié)激光器可在室溫實(shí)

30、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?？捎秒娮悠骄杂沙虂砻枋鲭娮舆\(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)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

31、減小至 1-10nm 后, 激活區(qū)寬度已經(jīng)與電子的量子波長相當(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?shù)哪芰繝顟B(tài)出現(xiàn)不連續(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

32、.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的研究熱點(diǎn)。GaN基材料雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但人們?cè)趯⑵浒l(fā)展成GaN激光

33、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

34、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

35、與5nm厚的In0.05Ga0.95N勢(shì)壘層交替生長構(gòu)成的26對(duì)量子阱周期有源區(qū),用MOCVD法生長。后來，該公司又在1997年用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DV

36、D光盤系統(tǒng)的核心部件之一，故在光信息存儲(chǔ)領(lǐng)域?qū)?huì)有很好的應(yīng)用前景。,3.8 中遠(yuǎn)紅外波段(4-17?m)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2-3?m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的需求，要求提供工作于5-14?m中遠(yuǎn)紅外波段的半導(dǎo)體激光

37、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，其激射波長取決于半導(dǎo)體材料的帶隙。,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

38、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。該激光器工作波長為4.3?m，采用由分子束外延技術(shù)生長的三阱耦合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

39、.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)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)激光器的激射波長與半導(dǎo)體材料的禁帶寬度完全無關(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)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

40、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， 其作用是弛豫來自有源層的電子的能量并為下一級(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

41、于斜角躍遷的量子級(jí)聯(lián)激光器。發(fā)射波長為4.3?m, 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

42、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

43、 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也是我們近年來經(jīng)常能聽到的一個(gè)新名詞。然而，大多數(shù)人僅限于知道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

44、-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）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)中的半導(dǎo)體是硅基材料，絕緣體則是硅的氧

45、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

46、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

47、電馳豫時(shí)間內(nèi)沒有變化。因此半導(dǎo)體在界面附近的彎曲變得很深，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)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）。 C

48、CD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)阱可用來儲(chǔ)留信號(hào)，也可以用來使信號(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?yún)^(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：電注入和光注入。電注入輸入?yún)^(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， &

49、#160; 圖4.1CCD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，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)

50、入第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵電極下的勢(shì)阱，然后沿著轉(zhuǎn)移區(qū)越來越深的勢(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，F(xiàn)DA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)

51、 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CCD和紫外光CCD等?？梢姽釩CD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

52、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。 TD

53、I CCD則適于在低溫下工作，它利用增加光積分時(shí)間來提高信號(hào)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?yàn)榈饣C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)體工藝使用的一些材料發(fā)生相互作用（例如僅幾十

54、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轉(zhuǎn)換材料將紫外輻射轉(zhuǎn)換成較長波長熒光的方法等來解決這一問題。這類波長轉(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)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)

55、。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，只用于速度要求非常快、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（

56、RAM）、只讀存儲(chǔ)器(ROM)和順序存取存儲(chǔ)器(SAM)。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)

57、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包圍在SiO2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，浮柵上有無電荷就會(huì)造成管子的不導(dǎo)通和導(dǎo)通兩種狀態(tài)，相當(dāng)于存

58、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

59、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5.2E2PROM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)用電來擦除或改寫，故E2PROM的使用比 UVEPROM方便。,l       

60、; (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，作為隧道氧

61、化層的第一層?xùn)沤橘|(zhì)非常薄，厚度僅10-20nm(見圖5.3)。     圖5.3Flash ROM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu),5.2 磁存儲(chǔ)材料 磁存儲(chǔ)材料是指利用矩形磁滯回線或磁矩的變化來存儲(chǔ)信息的一類磁性材料。物質(zhì)在磁場(chǎng)H的感應(yīng)下會(huì)被磁化，形成磁偶極子即磁矩。單位體積中的磁矩M被稱為磁化強(qiáng)度。磁性材料（特指鐵磁性材料，又稱強(qiáng)磁性材料）的特點(diǎn)是對(duì)外加磁場(chǎng)特別敏感、磁化強(qiáng)度M大

62、。磁性材料的M和磁場(chǎng)H的關(guān)系很復(fù)雜，只能用磁化曲線和磁滯回線來描述（見圖5.4）。     圖5.4 磁性材料的磁化曲線磁滯回線,圖5.4 所示是磁性材料的磁滯回線。把一塊未磁化的磁性材料置于磁場(chǎng)H中， 若從零開始慢慢增大磁場(chǎng)，即可觀察到磁化強(qiáng)度M隨OAB曲線變化，最后在B點(diǎn)達(dá)到飽和。繼續(xù)增大磁場(chǎng)，M不再增大。OAB曲線稱為初始磁化曲線。 此時(shí)若減小磁場(chǎng)，M并不沿

63、初始磁化曲線原路返回，而是沿BCD曲線變化，當(dāng)磁場(chǎng)H為零時(shí)，M不等于零，而是等于Mr, Mr稱為剩余磁化強(qiáng)度。 繼續(xù)減小磁場(chǎng)至D點(diǎn)時(shí)，磁場(chǎng)變?yōu)?Hc，這時(shí)M才重新回到零。Hc值稱為磁性材料的矯頑力。此時(shí)若繼續(xù)增加反向磁場(chǎng)，M值就會(huì)在負(fù)方向上迅速增大，然后在E點(diǎn)再次達(dá)到飽和。 若從這種負(fù)飽和狀態(tài)開始，再次向正方向增大磁場(chǎng)，這時(shí)磁化曲線將沿著新路徑EFGB變化。 由圖5.4可見，EFGB曲線以原點(diǎn)O為對(duì)稱點(diǎn)與BCDF曲線呈現(xiàn)對(duì)稱形

64、式。由這兩條區(qū)線閉合而成的回線，稱為磁滯回線。,圖5.4 磁性材料的磁化曲線磁滯回線,磁存儲(chǔ)技術(shù)就是利用磁滯回線的兩個(gè)剩磁狀態(tài) +Mr和-Mr來記憶二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)“0”和“1”的。 磁存儲(chǔ)密度D與磁存儲(chǔ)材料的關(guān)系為 D = (Hc/Mr m)/h （5-1） 式中，h是磁性薄膜的厚度，Hc是矯頑力，Mr是剩余磁化強(qiáng)度，m是和磁滯回線的矩形度有關(guān)的因子。

65、因此，若要提高磁存儲(chǔ)密度，介質(zhì)的Hc/Mr比和介質(zhì)磁滯回線的矩形比要大，介質(zhì)的厚度要薄。由于記錄信號(hào)強(qiáng)度正比于剩余磁化強(qiáng)度Mr, 因此，為提高Hc/Mr比，介質(zhì)的矯頑力應(yīng)當(dāng)要大。根據(jù)磁化方向與存儲(chǔ)介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)方向是平行還是垂直，可把磁記錄方式分為平面磁記錄和垂直磁記錄兩種。目前計(jì)算機(jī)外存中使用的絕大多數(shù)硬、軟磁盤和磁帶都是采用平面磁記錄方式。在平面磁記錄方式中，為提高記錄信號(hào)的穩(wěn)定性，磁記錄介質(zhì)的矯頑力必須大于縱向退磁場(chǎng)?？v向退磁場(chǎng)取決

66、于退磁因子和磁化強(qiáng)度。因此要求平面磁記錄介質(zhì)的矯頑力大、退磁因子小。,事實(shí)上平面磁記錄介質(zhì)從早期的氧化物磁粉（?-Fe2O3、CrO2、用Co 包裹的?-Fe2O3）經(jīng)由金屬合金磁粉（Fe-Co-Ni等）發(fā)展到金屬薄膜（CoCrPt、CoNiCr或CoCrTa等）的過程就是一個(gè)不斷提高矯頑力和剩余磁化強(qiáng)度的過程。在這一發(fā)展過程中，人們意識(shí)到，為了實(shí)現(xiàn)高密度平面磁記錄，磁存儲(chǔ)介質(zhì)的晶粒尺寸要小、晶粒各向異性要大、晶粒間的相互交換作用要弱，

67、而薄膜化是實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的行之有效的方法。,垂直磁記錄方式的優(yōu)點(diǎn)是，磁記錄膜層的矯頑力不用很高，厚度也無需做得很薄，原因是垂直磁記錄時(shí)退磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)隨厚度的增加而減小。正是由于垂直磁記錄膜允許做得稍厚，其熱穩(wěn)定性也就較好。垂直磁記錄方式中，磁化方向垂直于磁記錄材料的膜面，因此材料的易磁化軸也必須垂直于膜面。要做到這一點(diǎn)，材料的單軸各向異性常數(shù)Ku必須大于等于2?Ms2。滿足這個(gè)要求的材料主要是Co-Cr合金，在Co-Cr合金中添加Ta則能

68、夠有效地抑制Co-Cr合金的晶粒長大并改善矩形比，同時(shí)還能抑制平面磁化的矯頑力。,5.3 無機(jī)光盤存儲(chǔ)材料 光盤存儲(chǔ)技術(shù)是從70年代初期開始發(fā)展起來的一種新型信息存儲(chǔ)技術(shù)。1972年荷蘭飛利浦公司率先提出了一種利用激光束讀取信息的新型存儲(chǔ)媒體，這種新型存儲(chǔ)媒體就是后來音樂愛好者所熟悉的稱為激光反射式視盤（LD）,也是最早出現(xiàn)的一種光盤類型，其盤徑為300mm。LD與后來相繼出現(xiàn)的所有光盤的最大區(qū)別是，LD所錄的信息是模

69、擬信號(hào)，而后來出現(xiàn)的所有其它光盤所錄的信息都是數(shù)字信號(hào)。由于激光束能被聚焦成直徑僅0.9?m的光斑，故LD的信息存儲(chǔ)密度比以往的密紋唱片已高出許多（密紋唱片的紋槽密度是6-12條/mm ，LD的紋槽密度是600條/mm,）。1982年，隨著數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)水平的提高，荷蘭飛利浦公司和日本索尼聯(lián)合推出了又一種稱為縮微光盤(CD)的數(shù)字化新型光盤，從而開創(chuàng)了激光數(shù)字光盤的新紀(jì)元。隨后，各種CD系列光盤如雨后春筍般地相繼問世，形成了一個(gè)龐大的C

70、D家族。,CD家族光盤以紅外半導(dǎo)體激光器作為光源，聚焦物鏡的數(shù)值孔徑為0.45。光盤直徑一般為120mm,一般都采用聚碳酸樹脂為盤基材料, 盤基厚度為1.2mm。CD家族光盤的單面存儲(chǔ)容量為650Mb,按照讀、寫、擦等功能分類，可分為三大類:只讀式光盤一次寫入光盤(CD-R)可擦重寫光盤只讀式光盤又可分為音頻CD光盤(CD-A)、視頻CD光盤(VCD)、CD-ROM光盤、橋光盤（Bridge Disc）和照片光盤(Photo-

71、CD)可擦重寫光盤則可分為CD-RW、CD-MO光盤等。另外，直徑為130mm的磁光盤(MO)和相變光盤(PC)、直徑為2.5英寸的小型磁光盤(MD),因所用激光光源與普通CD光盤的相同，也可歸入CD家族。聚焦光斑的尺寸大小與激光的波長 ? 成正比，與聚焦物鏡的數(shù)值孔徑 NA成反比。即激光波長 ? 越短，數(shù)值孔徑 NA越大，聚焦光斑的尺寸就越小，光盤的存儲(chǔ)密度也就越高。因此，在遠(yuǎn)場(chǎng)光存儲(chǔ)的范圍，縮短激光波長和增大物鏡數(shù)值孔徑一直