半导体器件物理CH2-4.ppt

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1、2.2异质结在两种不同的半导体之间形成的结导电类型相同同型异质结导电类型不同异型异质结发光二级管光电探测器太阳电池基本器件模型异质结器件主要内容:形成异质结的两种材料通常具有不同的能隙宽度Eg和介电常数。21。基本器件模型理想突变异质结的能带模型功函数m电子亲合势从费米能级将一个电子移到刚巧在该种材料之外的一个位置(真空能级)所需的能量从导带底将一个电子移到刚巧在该种材料之外的一个位置(真空能级)所需的能量带阶价带边的能量差EV价带带阶Anderson异质结能带模型几个概念导带边的能量差EC导带带阶能够初步解释部分输运过程两种材料晶格结构、晶格常数、热膨胀系数相同，忽略

2、悬键的产生和界面态。31。基本器件模型两片孤立半导体能带图理想n-p异质结（窄带隙的n型和宽带隙的p型）4形成结时，热平衡状态下理想n-p异质结的能带图平衡时：1。基本器件模型1和2在结处各形成耗尽区=x1+x2结处能带弯曲：1中局部电子耗尽，能带向上弯2中局部空穴耗尽，能带向下弯真空能级在各处平行于带边；费米能级在两侧一致；总内建势为Vb1+Vb2=EF1-EF2；电子亲和势不连续，界面处能量突变，形成带阶:Ec=1-2；Ev=Eg-；Ev+Ec=Eg5耗尽层宽度：求解界面两侧的突变结泊松方程得到耗尽层宽度和电容。电容：各半导体中承受的相对电压：1。基本器件模型6理

3、想n-n同型异质结理想n-n同型异质结能带图1。基本器件模型7理想p-n异质结能带图理想p-n异质结（窄带隙的p型和宽带隙的n型）1。基本器件模型8理想p-p异质结能带图理想p-p异质结1。基本器件模型9导电机制热电子发射有效里查孙常数电流密度电流-电压关系反向电流不会饱和，随V线性增加正向电流：1。基本器件模型电流-电压特性-----理想n-n同型异质结10电流-电压特性1。热发射模型Anderson2。考虑隧道效应3。考虑界面复合能够说明异质结的电流输运特点，得到电流-电压方程，但与实际结果有比较大的差异。能带不连续的突变和尖峰，引起载流子的隧道效应。在异质结的制备和处理过程中，

4、必然会有悬键存在，还存在各种缺陷态，这些都可能构成禁带中的界面态，有界面复合电流存在。根据以上三种输运过程，有很多输运模型提出，实际的异质结的输运机制，要根据能带不连续性和界面态参数等来确定，往往同时存在多种电流输运机制。1。基本器件模型112。异质结器件异质结特点：1）界面处出现能带的突起和凹陷，可以促进或阻挡载流子。2）界面处存在局域态，起到复合和俘获中心的作用。3）两侧材料带隙宽度不同，宽带材料成为窄带材料的窗口。4）两侧材料折射率不同，折射率小的材料成为折射率大的材料的反射层，使光封闭于高折射率的材料中。光电池、发光管、激光器。。。。。122。异质结器件外延工艺晶格匹配的同型和

5、异型异质结最重要的应用：光电子器件方面半导体激光器光探测器太阳电池单极整流结构：组分缓变当X=00.4，带隙=1.421.92eV组分变化示意图。13平衡能带图。正向偏置：电压降加在缓变层上，使势垒的斜率降低，并增加越过势垒的热电子发射。反向偏置：电子受阻，不能通过电势突变不连续处。2。异质结器件正向偏置下的能带图。14超晶格结构：2）有一种半导体的掺杂浓度发生周期性变化，一系列同质结1）多层异质结排列GaAs,AlxGa1-xAs,未掺杂超晶格结构能带图调制掺杂超晶格结构能带图高迁移率特性2。异质结器件15体GaAs和调制掺杂超晶格结构的迁移率与温度的关系2。异质结器件162.3金

6、属-半导体接触金属-半导体接触，在界面处形成势垒。1。能带关系理想状态和高表面态考虑两种极限情形1。不存在表面态的情况金属-半导体接触的能带图18对n型半导体，势垒高度的极限值为金属功函数和半导体电子亲合势之差：对P型半导体，势垒高度的极限值:对给定的半导体，n型+P型衬底的势垒高度之和=带隙。肖特基模型192。半导体表面有高密度的表面态金属-半导体接触的能带图势垒高度完全由半导体表面性质决定，与金属功函数无关。巴丁模型20耗尽层：在不同的偏置状态金属-n型和p型半导体接触的能带图。反向热平衡正向21根据突变结近似，xW,~0,dV/dx~0耗尽层宽度来自多数载流

7、子分布尾的贡献最大电场22最大电场在x=0处：半导体单位面积的空间电荷Q:单位面积的耗尽层电容：23若在整个耗尽区内ND为常数，做1/C2-V关系应该为直线。或242。肖特基效应肖特基效应：加电场时，载流子发射的势能因感生镜象力的作用而降低的现象。在金属表面和真空之间的能带图。金属功函数为qm，当金属表面加电场时，有效功函数（或势垒）降低。这种降低来自电场和镜象力的联合效应。25金属的qm：2eV~6eV通常对表面污染敏感真空中