半导体物理研究生用课件.ppt

1、异质结 不同半导体材料构成的结称异质结。存在两种类型的异质结，即反型（P-N）和同型（N-N或P-P）异质结。一般把禁带宽度小的材料写在前面，如n-nGe-Si,nGe-pGaAs 异质结也有突变结和缓变结之分，但一般情况下以突变结居多。以讨论不考虑界面态的影响。I、I、II型异质结I型：窄带的导带底和价带顶均 位于宽带的禁带内（电子势阱，空穴势阱）。I型：一种材料的导带底位于另一种材料的禁带内，而价带顶则低于另一材料的价带顶（电子势阱、空穴势垒）。II型：一种材料的导带底和价带顶均低于另一种材料的价带底（电子势阱、空穴势垒）。注意：间的关系。vcgEEE、边界条件2211EE异质结的能带图

2、与同质PN结的异同1.相同点：形成空间电荷区能带弯曲；有电容效应。2.不同点：由于两种材料介电常数不同，因而电场在界面处不连续，导致能带出现尖峰、下陷和不连续。3.导带上的下陷处积累高密度的电子，可以形成2维电子气2DEG。异型异质结例子同型异质结例子nP型异质结能带弯曲与接触电势差 能带弯曲总量 接触电势差 导带底突变 价带顶不连续1221FFDDDEEqVqVqVeEEVVVFFDDD122121cE2112ggvEEE具体例子反向势垒 负反向势垒（宽带区掺杂浓度较高）如果禁带宽度大的半导体材料界面处的尖峰低于禁带宽度小的半导体材料在势垒区外的导带底，则称该势垒为负反向势垒，其高度为cDD

3、cDDcDBEqVqVEqVqVEqVqV221)()(电子势垒与空穴势垒的不对称性 不难看出，电子遇到的势垒高度与空穴遇到的势垒高度是不一样的。电子势垒高度 空穴势垒高度 推论：通过势垒的电流主要是电子流引起的；空穴电流可以忽略。加偏压后，电子的势垒高度为 伏安特性 特点：与同质PN结的公式相似，但饱和电流值不同。cDDEVV)(21vDDEVV)(21112/12kTqVskTqVkTEqVnnejeeDqnjcDcgDDEEVV)(21正反向势垒（宽带区掺杂浓度较低）如果禁带宽度大的半导体材料界面处的尖峰低于禁带宽度小的半导体材料在势垒区外的导带底，则称该势垒为正反向势垒，其高度为cDD

4、DcBEqVqVqVEqV21正反向势垒的特点 1、由右向左的电子势垒高度=qVD2 2、由左向右的电子势垒高度=Ec-qVD1 3、空穴势垒高度=Ev+qVD2，高于电子 势垒高度，空穴电流可以忽略。4、加偏压后，一部分降落在宽带区V2，另一部分降落在窄带区V1，因此由右向左的电子势垒高度=q(VD2-V2)由左向右的电子势垒高度=Ec q(VD1-V1)无论是正偏还是反偏，电子的运动都要克服势垒，但高度不同。因为宽带区掺杂少，因此N型宽带区的导带电子密度较小，因此窄带p区向宽带运动的电子不能忽略。正向势垒的I-V特性 正向电子电流（Pn）反向电子电流 总电流112222/12kTqVskT

5、qVkTqVnnejeeDqnjD111122/12kTqVskTqVkTqVnnejeeDqnjDkTqVkTqVseejj12异质结的I-V特性图示界面态的影响 原因：晶格失配 对于晶格常数为a1和a2的两种材料，晶格失配定义为 悬挂键：由于晶格失配，使得界面处存在没有配对的键，这些未配对的键称为悬挂键。12122aaaa界面态密度 界面态密度=界面处键密度差，即 键密度：由晶格常数、晶面取向决定。因此界面态密度也是与材料本身及晶面取向有关，如对硅而言，若衬底为（111）面，则 对（110）面，而对（100）面，21sssNNN2221212234aaaaNs2221212224aaaaN

6、s222121224aaaaNs表面能级 与悬挂键对应的能级称为表面态或界面态。巴丁极限：若表面态密度大于1013cm-2，则表面处的费米能级位于禁带的1/3处（相对价带顶）。对N型半导体，表面态起受主作用，能带向上弯曲；对P型半导体表面态起施主作用，能带向下弯曲。表面态对异质结能带的影响 当表面态起施主作用时，异质结能带图如上图所示；当表面态起受主作用时，异质结能带图如下图所示。pN nP pP/nNpNnPppnn双肖特基二极管模型 如果表面态密度大于1013cm-3，则异质结两边的能带向同一方向弯曲，好象形成了两个相向放置的肖特基二极管。表面态密度很高时的I-V特性 从左边到界面区，电流

7、 从界面区到右边，利用j1=j2，V1+V2=V，得1111kTeVsejj1222kTeVsejjkTeVskTeVsssejejkTeVshjjj22212122 实验发现，饱和区之间的实验发现，饱和区之间的I-V特性与左式符合得很好。特性与左式符合得很好。2)(*xxeexsh2D 电子气N+GaAspGaAlAs异质结2DEG的特点及用处 2DEG在空间上分开了掺杂区与高载流子浓度区（调制掺杂）；在近本征的p型GaAs界面附近有一个浓度很高的自由电子层；由于杂质浓度很低，因此杂质散射影响很小，所以2DEG具有很高的载流子迁移率。可以以来制造高迁移率晶体管(HEMT)和2维电子气场效应管

8、（TEGFET）。无限深一维方势阱 薛定格方程)()()()(2222xExxVxxm薛定格方程的解 0 xa,V=0，则 特征解 边界条件 波函数解)()(2222xExxm22,)(mEkBeAexikxikx0)(,0axxkxAxsin2)(2222mahnE 波函数xanxsin)(02DEG的能量及状态密度320231*20*228922),(rsnNemEmkEnkEK空间，态密度正比于换成E空间：dEmmkdmD2*222*222222kdk2DEGDOS2*m2*m2*m3DDOS2DEG的激子能量3D：类氢原子模型2D：2DEG的激子能量是是3D时的4倍。eVnEEgD6.

9、13123eVnEEgD6.1321123量子阱及吸收光谱多量子阱与超晶格量子阱：一个能量比较低厚度足够薄的区域，如前面讨论的导带中的下陷区，通常由2个势垒限定。多量子阱：多个量子阱势垒组合。超晶格：许多按周期性排列的量子阱势垒组合。多量子阱 量子约束：两种不同的半导体材料做成重复相间的多层结构，只要两种材料的能带结构合适，电子和空穴的运动将被局限在各自的势阱中。形成多量子阱的条件：窄带材料（势阱）的宽度较小，可以和电子的德布罗意波长相比。宽带材料（势垒）的宽度较大，使两个相邻势阱中的电子波函数不能互相耦合。能级分立：阱中电子（或空穴）在垂直于结平面方向的能量不再连续，只能取一系列分立的值，它

10、们和势阱的宽度、深度以及电子和空穴的有效质量有关。势阱中的电子和空穴在平行于异质结的方向上的运动是自由的，因而能带将由一系列的子能级组成，态密度和能量的关系呈台阶形+尖峰。超晶格晶格常数超大的人工晶格 超晶格：形成超晶格的条件：量子阱的数目很多，一般在50个以上。窄带材料（势阱）的宽度较小，可以和电子的德布罗意波长相比。宽带材料（势垒）的宽度也较小，使相邻势阱中的电子波函数能够互相耦合。各量子阱的分立能级因阱间相互作用而扩展成子能带。但DOS总体形状与多量子阱仍然相似，但原先的尖峰扩展成较宽的峰。I、I、II型超晶格I型：窄带的导带底和价带顶均 位于宽带的禁带内。I型：一朝材料的导带底位于另一

11、种材料的禁带内，而价带顶则低于另一材料的价带顶。II型：一种材料的导带底和价带顶均低于另一种材料的价带底。注意：间的关系。vcgEEE、超晶格（江崎朱兆祥）超晶格的态密度-能带折叠效应constEdEdkdkdEEDyx)()(:2能带折叠效应补充：量子线-1D 电子在两个方向(x,y)受到限制，但在一个方向(z，长度方向)是自由的。因为Z方向是自由的，所以态密度dN/dE正比于 。电子在xy方向是约束的，能量只能取分立值。因此一维系统的dN/dE如右图所示。E/1EdEEddkdEEDz)(:1量子点-0D 纳米颗粒可以认为是零维系统。电子在这样的点中在三个方向均受到约束，因而能带为分裂能级

12、结构，其态密度如左下图所示。NCS与应变调制应变：异质结晶格不匹配 应力应变 禁带宽度变化载流子浓度变化（力传感器）NCS(neighboring-confinement structure)电子-空穴分别约束在邻近区域，提高发光效率。异质结、量子阱、超晶格的应用发光（激光器，发光二极管）；发光（激光器，发光二极管）；测光强、辐射测光强、辐射；HBT晶体管；HEMT；应变传感器 高浓度调制掺杂、应变掺杂普通三极管（同型结）：采用不对称结，即提高发射区施主浓度以减小基区注入到发射区的空穴电流浓度。发射区施主浓度为基区受主浓度的100倍左右。异质结双极晶体管（HBT）：heterojunction

13、 bipolar transistor 利用异质结中电子势垒与空穴势垒高度的差异，实现对空穴注入的抑制，从而降低发射区的空穴注入，提高电流放大倍数。注入比可达106以上。三极管：为了提高发射效率，基区注入到发射区的空穴电流要小。实际例子:HBT异质结光电二极管注入比及粒子数反转注入比：指PN结加正向电压时，n区向p区注入的电子流与p区向n区注入的空穴流之比。它决定晶体管的放大倍数、激光器的阈值电流密度和注入效率等。因为在总电流中只有注入到基区(作用区)中的少子才对器件的功能发挥真正的作用。对同质结而言，要得到高注入比，PN结的一边应高掺杂。所以，一般做为发射极的材料都是高掺杂的。对异质结，禁带宽度是决定异质结注入比的关键因素。用宽带材料做发射极可以得到很高的注入比。这是异质结器件的一个重要特性，也是一个主要优点。异质结中的超注入现象除了“注入比”高的这一优点之外，异质结还有一个特有的现象：“超注入”现象，即注入到材料中的少数载流子可能比材料本身的多子还要多。粒子数的反转：利用超注入现象可以实现粒子数的反转。单异质结激光器-电子势垒双异质结激光器-电子势阱+抑制空穴注入