半导体光电子学第2章 异质结课件.ppt

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1、突变结：在交界面处，杂质浓度由NA（p型）突变为ND（n型），具有这种杂质分布的p-n结称为突变结。缓变结：杂质浓度从p区到n区是逐渐变化的，通常称为缓变结。突变结、缓变结：按照过度区空间电荷分布情况及厚度的不同，前者厚度只有几个晶格常数大小，而后者可达几个载流子扩散长度。p-n结的形成过程当本征半导体的两边分别掺杂不同类型的杂质时，由于浓度差的作用，n区的多数载流子电子和p区的多数载流子空穴分别向p区和n区扩散。这样在p区和n区的分界面附近，n区由于电子扩散到p区而留下不能移动的正离子，p区由于空穴扩散到n区而留下不能移动的负离子

2、。这些不能移动的正负离子在分界面附近形成一个电场E0，称为内置电场。内置电场的方向是从n区指向p区，阻碍着电子和空穴的扩散，它使n区的少数载流子空穴和p区的少数载流子电子分别向p区和n区作漂移运动，当扩散的载流子数等于漂移的载流子数时，达到了动态平衡。这时在分界面附近形成了稳定的正负离子区，即p-n结，也称为空间电荷区(spacechargeregion)，或耗散区(depletionregion)。空间电荷空间电荷区在整个半导体中，在耗散区存在由正离子区指向负离子区的电场，这就使得耗散区出现电势的变化，形成p区和n区之间的电势差V

3、0。n区的电势大于p区的电势。因此，对空穴来说，n区的势能大于p区的势能，形成了一个势垒eV0，这使得空穴只能在p区，不能到达n区。对电子来说，p区的势能大于n区的势能，也形成了一个势垒eV0，使得电子只能在n区，不能到达p区。整个半导体的能带结构如图所示。这个能带图是以电子能量为参照的。内建电场电势差VD平衡P-N结的能带图N型、P型半导体的能带图，图中EFn和EFp分别表示N型和P型半导体的费米能级。EFn高于EFp表明两种半导体中的电子填充能带的水平不同。当两块半导体结合形成P-N结时，按照费米能级的意义(即电子在不同能态上的

4、填充水平)，电子将从费米能级高的N区流向费米能级低的P区，空穴则从P区流向N区。因而EFn不断下移，而EFp不断上移，直至EFn=EFp。这时，P-N结中有统一的费米能级EF，P-N结处于平衡状态，其能带图如图所示。能带相对移动的原因是P-N结空间电荷区中存在内建电场的结果。由于整个半导体处于平衡状态，因此在半导体内各处的Fermi能级是一样的。可以看到，这时由于势垒的存在，电子和空穴也没有机会复合如果一个半导体的两端加一个电压，由于电场的作用，使得能带整体沿着电场方向倾斜。电子和空穴的势能也发生变化，电子势能逆着电场方向降低，而空

5、穴势能顺着电场方向降低。所以电子和空穴向两个相反方向移动。正向偏压势垒区内载流子浓度很小，电阻很大，势垒区外的P区和N区中载流子浓度很大，电阻很小，所以外加正向偏压基本降落在势垒区。一、非平衡状态下的pn结1、外加电压下，pn结势垒的变化及载流子的运动。P-N结加正向偏压V（即P区接电源正极，N区接负极）正向偏压在势垒区中产生了与内建电场方向相反的电场，因而减弱了势垒区中的电场强度，这就表明空间电荷相应减少。故势垒区的宽度也减小，同时势垒高度从qVD下降为q(VD-V)。势垒区电场减弱，破坏了载流子的扩散运动和漂移运动之间的平衡，削

6、弱了漂移运动，使扩散电流大于漂移电流。所以在加正向偏压时，产生了电子从N区向P区以及空穴从P区到N区的净扩散电流。由于pn结阻碍多数载流子的定向移动，因此从电路性质看，它是高阻区。如果在半导体两端有外加电压，那么电压基本上都施加在pn结上。现在在半导体加一个电压V，p区结电源正极，n区接负极，形成正向偏置。外加电压基本上都施加在pn结上，这也等于在pn上施加一个外加电场E。外加电场的方向与内置电场E0的方向相反，总电场E0-E比原来的电场小了。这削弱了电子和空穴的势垒，由原来的eV0变为e(V0-V)。同时空间电荷区宽度变窄，由原来

7、的w0变为w。这就使得n区的电子比较容易克服势垒而扩散到p区，同时p区的空穴也比较容易克服势垒而扩散到n区。这就使得电子和空穴有机会复合产生光子。当对半导体施加电压时，半导体处于非平衡状态。原则上讲，Fermi能级已无意义。但是，由于外加电压基本上施加在pn结上，p区和n区所受到的影响相对比较小，可以把它们看成处于局部平衡态，各自具有Fermi能级Efp和Efn。当半导体处于平衡状态时，Efp=Efn=Ef。当对半导体施加电压时，Efp和Efn不相等。可以证明，Efp－Efn=eV。不论是n型或p型半导体材料，若Fermi能级都处于

8、禁带中。——轻掺杂半导体。这时在外加电压作用下电子和空穴虽然也能复合产生光子，但是由于载流子浓度有限，形成不了粒子数反转和受激辐射。这种材料只能用于发光二极管。为了使半导体材料在外界作用下实现粒子数反转，必须对半导体进行重掺杂，使n型