半导体物理北交经典课件考研必备-第九章 半导体异质结构.ppt

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1、第九章半导体异质结构异质结：两种不同的半导体单晶材料组成的结内容异质结的能带结构异质pn结的电流电压特性异质pn结的注入特性半导体异质结量子阱结构9.1半导体异质结及其能带图根据半导体单晶材料的导电类型异质结{反型异质结：导电类型相反同型异质结：导电类型相同反型：p-nGe-GaAs或(p)Ge-(n)GaAs,n-pGe-GaAs或(n)Ge-(p)GaAs,p-nGe-Si,p-nSi-GaAs,p-nSi-ZnS,p-nGaAs-GaP,n-pGe-GaAs等9.1.1半导体异质结的能带图同型：n-nGe-GaAs或(n)Ge-(n)GaAs,p

2、-pGe-GaAs或(p)Ge-(p)GaAs,n-nGe-Si,n-nSi-GaAs,n-nGaAs-ZnSe,p-pSi-GaP,p-pPbS-Ge等禁带宽度较小的半导体材料写在前面异质结也可分为突变异质结和缓变异质结突变异质结：从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡只发生于几个原子距离范围内。缓变异质结：从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡发生在几个扩散长度范围内。1.不考虑界面态时的能带图电子亲和能禁带宽度功函数}决定异质结的能带图（1）突变反型异质结能带图形成突变pn异质结前的平衡能带图真空能级EV2EC2EF2Eg2W2n2EVn1

3、ECEg1EV1EC1EF1形成异质结前p型半导体的费米能级的位置n型半导体的费米能级的位置形成异质结后，平衡时，有统一的费米能级形成突变pn异质结后的平衡能带图x1x0x2EV2qVD2EC突变反型异质结平衡时统一的费米能级界面两边形成空间电荷区，正＝负内建电场，在界面处不连续空间电荷区的能带发生弯曲，不连续两边均为耗尽层能带总的弯曲量VD称为接触电势差（内建电势差、扩散电势）VD1:p型半导体的内建电势差VD2:n型半导体的内建电势差qVD1:n型半导体的导带底或价带顶的弯曲量qVD2:p型半导体的导带底或价带顶的弯曲量导带底在交界面处的突

4、变价带顶在交界面处的突变EC导带阶EV价带阶np异质结的平衡能带图EVECEC1EV1EV2EC2（2）突变同型异质结能带图Eg1Eg2ECEV形成突变nn异质结前的平衡能带图形成突变nn异质结后的平衡能带图ECqVD1EVEg小的n型半导体一边形成了电子的积累层，另一边形成耗尽层pp异质结平衡能带图EVEC2.考虑界面态时的能带图引入界面态的主要原因：形成异质结的两种半导体材料的晶格失配晶格常数a1，a2,且a1

5、3Eg/3EF表面能级密度大的半导体能带图巴丁极限：具有金刚石结构的晶体的表面能级密度在1013cm-2以上时，在表面处的费米能级位于禁带宽度的约1/3处。N型半导体，悬挂键起受主作用，表面处的能带向上弯曲p型半导体，悬挂键起施主作用，表面处的能带向下弯曲悬挂键起施主作用时，计入界面态影响的异质结能带图pn异质结np异质结pp异质结悬挂键起受主作用时，计入界面态影响的异质结能带图pn异质结np异质结nn异质结9.1.2突变反型异质结的接触电势差及势垒区宽度以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势垒区的总宽度d1:势

6、垒区负空间电荷区的宽度d2:势垒区正空间电荷区的宽度异质结的接触电势差为VD1:VD在交界面p型半导体一侧的电势降VD2:VD在交界面n型半导体一侧的电势降热平衡时势垒区宽度接触电势差两种半导体中的势垒区宽度分别为VD在界面两侧的电势降分别为若在异质结上加外电压V,将上述公式中的VD,VD1,VD2分别用(VD-V),(VD1-V1)及(VD2-V2)代替即可。V1:V在界面的p型一侧的势垒区中的电压降V2:V在界面的n型一侧的势垒区中的电压降9.1.3突变反型异质结的势垒电容单位面积势垒电容和外加电压的关系9.1.4突变同型异质结的若干公式9.2半导

7、体异质pn结的电流电压特性及注入特性9.2.1突变异质pn结的电流电压特性pnEF低势垒尖峰异质pn结的电流主要由扩散机制决定高势垒尖峰由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，异质结电流主要由电子发射机制决定低势垒尖峰情形异质pn结加正向偏压V,通过结的总电流密度Dn1和Ln1：p区少子电子的扩散系数和扩散长度Dp2和Lp2：n区少子空穴的扩散系数和扩散长度n10：p区少子浓度p20：n区少子浓度由n区注入p区的电子扩散电流密度由p区注入n区的空穴扩散电流密度n20：n区多子浓度p10：p区多子浓度若n20和p10在同一

8、数量级，则对窄禁带p型和宽禁带n型的异质结EC,EV>0,且>>kTJn>>Jp高势垒尖