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'半导体光电材料基础-课件4 第五章半导体异质结构 5.1异质结及其能带图异质结：由两种不同的半导体单晶材料组成的结。异质结具有许多同质结所所不具有的特性，往往具有更高的注入效率。反型异质结：由导电类型相反的两种不同的半导体单晶材料构成。如：p-nGe-GaAs（p型Ge与n型GaAs）同型异质结：由导电类型相同的两种不同的半导体单晶材料构成。如：n-nGe-GaAs（n型Ge和n型GaAs）异质结的能带图对其特性起着重要作用。在不考虑界面态的情况下，任何异质结的能带图都取决于形成异质结的两种半导体的电子亲和势、禁带宽度以及功函数。功函数随杂质浓度的不同而变化。 5.1异质结及其能带图（1）不考虑界面态时的能带图突变反型(pn)异质结能带图（形成异质结后）P型N型内建电势差VD导带阶价带阶以上式子对所有突变异质结普适 5.1异质结及其能带图（1）不考虑界面态时的能带图突变p-nGe-GaAs异质结能带图n-GaAs交界面两侧半导体中的内建电势差VD1,VD2由掺杂浓度、空间电荷区（势垒区）宽度和相对介电常数共同决定。 5.1异质结及其能带图（1）不考虑界面态时的能带图突变反型(np)异质结能带图形成异质结前形成异质结后P型N型P型N型 5.1异质结及其能带图（1）不考虑界面态时的能带图形成异质结前形成异质结后突变同型(nn)异质结能带图在同型异质结中，一般必有一边成为积累层，一边为耗尽层。 5.1异质结及其能带图（1）不考虑界面态时的能带图形成异质结后突变同型(pp)异质结能带图对于反型异质结，当1=2，Eg1=Eg2,1=2时，成为普通的PN结。 5.1异质结及其能带图（2）考虑界面态时的能带图制造突变异质结时，通常在一种半导体材料上生长另一种半导体单晶材料，或采用真空蒸发技术。两种半导体材料之间的晶格失配：2(a2-a1)/(a1+a2)，a1,a2为两种半导体的晶格常数。异质结中的晶格失配导致两种半导体材料的交界面处产生了悬挂键，引入了界面态。接触前接触后 5.1异质结及其能带图（2）考虑界面态时的能带图若两种半导体材料在交界面处的键密度分别为Ns1,Ns2，形成异质结后，晶格常数小的材料表面出现部分未饱和键，突变异质结交界面处的悬挂键密度：对于两种相同晶体结构材料形成的异质结，交界面处悬挂键密度Ns取决于晶格常数和作为交界面的晶面。 5.1异质结及其能带图（2）考虑界面态时的能带图对于n型半导体，悬挂键起受主作用，受主型界面态施放空穴后带上负电荷，因此表面能带向上弯曲。对于p型半导体，悬挂键起施主作用，施主型界面态施放电子后带上正电荷，因此表面能带向下弯曲。N型P型表面能级密度大的半导体能带图-++- 5.1异质结及其能带图（2）考虑界面态时的能带图当悬挂键（或界面态）的密度很高时，界面态电荷产生的电场往往大于由两种半导体材料接触而产生的电势差，在这样情况下，异质结的能带图往往由界面态所引起的能带的弯曲来决定。 5.1异质结及其能带图（2）考虑界面态时的能带图pnpnnpnpnnpp悬挂键起施主作用时悬挂键起受主作用时（界面态密度很大时） 5.1异质结及其能带图（2）考虑界面态时的能带图当两种半导体的晶格常数极为接近时，晶格间匹配较好，一般可以不考虑界面态的影响。但在实际中，即使两种半导体材料的晶格常数在室温时相同，但如果它们的热膨胀系数不同，在高温下，也将发生晶格失配，从而产生悬挂键，在交界面处引入界面态。化合物半导体形成的异质结中，由于化合物半导体中成分元素互扩散，也会引入界面态。 5.1异质结及其能带图（3）突变反型异质结的接触电势差及势垒区宽度P型N型不考虑界面态，以突变pn异质结为例。设p型和n型半导体中杂质均匀分布，浓度分别为NA1和ND2.势垒区正负空间电荷区宽度：d1=x0-x1,d2=x2-x0求解交界面x0两边的泊松方程，得到势垒区两侧内建电势差为：1,2分别为p型和n型半导体的介电常数。XD 5.1异质结及其能带图（3）突变反型异质结的接触电势差及势垒区宽度P型N型势垒区内的正负电荷总量相等，XD势垒区宽度：， 5.2突变异质pn结的电流电压特性异质结由两种不同材料形成，交界面处能带不连续，存在界面态，因此异质结的电流电压关系比同质结复杂得多。异质pn结按势垒尖峰高低的不同，有两种情况，分别采用不同的模型来处理电流电压特性。低势垒尖峰：势垒尖峰顶低于p区导带底，采用扩散模型。高势垒尖峰：势垒尖峰较p区导带底高得多，采用发射模型。PNPN 5.2突变异质pn结的电流电压特性（1）低势垒尖峰情况——扩散模型PNPN外加正向偏压V（V1,V2分别为加在p区和n区的电压）零偏压正偏压通过异质pn结的总电流密度： 5.2突变异质pn结的电流电压特性（1）低势垒尖峰情况——扩散模型外加正向偏压V由窄带隙p型半导体和宽带隙n型半导体形成的异质pn结，Ec>0,Ev>0,且比室温下k0T大得多。PN通过结的电流主要由电子电流组成，空穴电流占比很小。由于导带阶Ec的存在，n区电子面临的势垒高度由qVD下降至qVD-Ec，而空穴面临的势垒高度升高了Ev，导致电子电流大大超过空穴电流。 5.2突变异质pn结的电流电压特性（2）高势垒尖峰情况——热电子发射模型外加正向偏压VPN由n区扩散向结处的电子，只有能量高于势垒尖峰的才能通过发射机制进入p区。正向电流主要由从n区注入p区的电子流形成。发射模型也得到正向电流随电压按指数关系增加。EFnEFp 5.3异质pn结的注入特性（1）异质pn结的高注入特性异质pn结（低势垒尖峰）电子电流与空穴电流的注入比为：（饱和杂质电离时）电子、空穴扩散系数D和扩散长度L在同一数量级，而可远大于1。即使ND2Eg时，除产生一个电子-空穴对外，多余的能量hv-Eg将以热的形式耗散掉。非本征跃迁：如果hv