第三章半导体异质结
异质结概念
异质结概念
半导体的异质结是一种特殊的PN结，由两层以上不同的半导体材料薄膜依次沉积在同一基座上形成，这些材料具有不同的能带隙，它们可以是砷化镓之类的化合物，也可以是硅-锗之类的半导体合金。
半导体异质结构的二极管特性非常接近理想二极管。
另外，通过调节半导体各材料层的厚度和能带隙，可以改变二极管电流与电压的响应参数。
半导体异质结构对半导体技术具有重大影响，是高频晶体管和光电子器件的关键成分。
异质结和半导体
异质结是指由两个不同材料组成的半导体结构，其中每个材料的能带结构不同。
异质结是一种重要的半导体结构，具有许多独特的性质和应用，例如在光电器件、太阳能电池、激光器、晶体管等领域中都有广泛的应用。
半导体是指一种物质，其电子能级介于价带和导带之间，形成禁带，使得半导体在导电方面表现出特殊的性质。
半导体材料的导电性质可以通过掺杂等手段进行调节，从而实现各种电子器件的制造。
常见的半导体材料包括硅、锗、氮化镓等。
异质结和半导体之间有着密切的联系。
在半导体器件中，异质结通常用于构建晶体管、太阳能电池等器件的结构。
例如，在PN结中，P型半导体和N型半导体之间形成一个异质结，可以实现电子和空穴的分离，实现电流的控制。
另外，在太阳能电池中，异质结也是关键的组成部分，可以实现光的吸收和电子空穴对的分离。
半导体异质结发展概述
I-V曲线
1.异质结的J-V曲线与pn结相 似，一般为非线性关系，(加 正向电压时 J∞[exp(βV)-1] 存在一个导通电压，导通时 以指数形式变化且与温度关 系紧密，
反向这电个压电时流J也=称j0 为[1-反ex向p(抽-β取V)电], 流，存在一个反向饱和电流 j0=q(nφ0Ln/гn+pn0Dp/гp)
导带势垒尖峰低于另一导带底(3)忽略势垒区载流子的产生和复合 模型：载流子输运过程主要是多子由一端能够越过势垒的电子扩散到
另一端过程，即电流输运主要有扩散理论决定。如图1 主要结论：(1)Jn=qDn1n10/Ln1[exp(qV/K0T)-1]
Jp=-qDp2p20/Lp2[exp(qV/K0T)-1] ∞实N现D高2/N注A1入*e。xp(Δ E注/K入t)比,在：宽Jn/紧Jp带=(和Dn窄1N禁D2带Lp2材/D料p2组NA成1L的n1)异ex质p(结Δ 中E/可kT以) ∞一e般xp只(q有Δ一Ec(种/2K)载0如T流)果, 子J用p其∞多主e数x要p载(作-q流Δ用子E，v浓/这K度0里T代)是,可替J以e，起看那主出么要由得作于到用势Jn。垒高度的不同
j=js(eqv/kt-1) 其中j=q(np0Dn/Ln+pnDp/Lp). 1957年，克罗默指出有导电类型相反的两种半导体材料制成 异质结，比同质结具有更高的注入效率。 1962年，Anderson提出了异质结的理论模型，他理想的假定 两种半导体材料具有相同的晶体结构，晶格常数和热膨胀系数，基本说明 了电流输运过程。 1968年美国的贝尔实验室和苏联的约飞研究所都宣布做成了GaAsAlxGa1-xAs双异质结激光器。 在70年代里，液向外延(LPE)，汽相外延(VPE)，金属有机化学 气相沉积(MO-CVD)和分子束外延(MBE)等先进的材料成长方法相 继出现，使异质结的生长日趋完善。
异质结半导体激光器资料
固体激光器的工作物质，由光学透明的晶体 或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活 物质构成。这种工作物质一般应具有良好的物理 －化学性质、窄的荧光谱线、强而宽的吸收带和 高的荧光量子效率。 固体激光器以光为激励源。常用的脉冲激励 源有充氙闪光灯；连续激励源有氪弧灯、碘钨灯、 钾铷灯等。一些新的固体激光器也有采用激光激 励的。 固体激光器由于光源的发射光谱中只有一部分 为工作物质所吸收，加上其他损耗，因而能量转 换效率不高，一般在千分之几到百分之几之间。
二、条形激光器的种类
按它们在侧向的波导机构，可分为两类，即增益
波导与折射率波导。增益波导是利用载流子密度在有源
层侧向的非均匀分布，而使有源层中心部分的增益（或 复介电常数的虚部）高于其两侧，形成所谓的“增益波 导”。侧向折射率波导是由有源层与其两侧材料的折射 率差来实现的。
按有效折射率变化的大小而产生波导作用的强弱
在很多应用中 要求LD有很好的 横模（包括侧模） 特性。一些应用中， 要求有尽可能圆对 称的远场光斑.可 行的途径是在LD 有源层的侧向也对 其内部的载流子和 光子施行限制。所 谓条形LD条形LD 是LD实现室温工 作后一个重要的发 展里程碑。
一、条形半导体激光器的优点
①由于有源区侧向尺寸减小，光场对称性增加，因 而能提高光源与光纤的耦合效率； ②因为在侧向对电子和光场有限制，有利于减少激 光器的阈值电流和工作电流，有利于提高电-光转换效 率 ③激光器的热阻减少，提高了激光器的热稳定性； ④由于有源区面积小，容易获得缺陷尽可能少或无 缺陷的有源区，同时有源区与外界隔离，有利于提高 器件的稳定性与可靠性； ⑤有利于改善侧向模式。
形成的浓度梯度使其产生侧向扩散。
数理工具及结论：
数字工具：浓度扩散方程
半导体物理异质结解析PPT课件
界面量子阱中二维电子气的势阱和状态密度
第14页/共30页
电子的能量：
二维电子气的状态密度
k空间原胞的面积：
k空间k-k+dk圆环的面积： E-k关系： 状态密度：
第15页/共30页
低维半导体材料及其状态密度
Bulk
QW
QD
3D
2D
0D
DD((EE))
DD((EE))
D(E)
E
• qVD = qVD1 + qVD2 = EF2 - EF1 = W1 - W2
半导体物理学
第7章 金第属4页和/半共导30体页的接触
SCNU 光电学院
4
突变反型异质结的能带特征
• n型半导体的能带弯曲量为qV2，且导带底在交界面处形成一个向
上的“尖峰”。
• p型半导体的能带弯曲量为qV1，且导带底在交界面处形成一个向
第2页/共30页
pn结的能带图
qVD E Fn EFp
第3页/共30页
突变反型异质结的能带图
• 形成异质结时电子从n型半导体流向p型半导体，空穴的流动方向相反。
• 达到平衡时，两块半导体具有统一的费米能级。
• 在异质结界面的两边形成空间电荷区，产生内建电场和附加电势能，使 空间电荷区中的能带发生弯曲。
EE
EE
Modification of density of states by confining carriers
第16页/共30页
双异质结间的单量子阱结构
第17页/共30页
双异质结间的单量子阱结构
势阱形状： 波函数分离变量： 波函数分离变量： 薛定谔方程：
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第3章 金属半导体与异质结PPT课件
( 1 )2 2(Vbi VR)
C
e x Nd
3
Figure 9.2
反偏与正偏电压下的肖特基势垒的能带图
4
3. 影响肖特基势雷高度的非理想因素 (1) 肖特基效应– 势垒的镜像力降低效应
5
势垒的镜像力导致 肖特基势垒的降低
xm
e 16 s E
eE 4 s
6
(2)其他相关因素的影响：表面态的影响
第三章 金属半导体与半导体异质结
1
3.1 肖特基势垒二极管 1. 性质上的特征
金属元素的功函数和半导体的亲和能
元素 Ag, 银 Al，铝 Au，金 Cr，铬 Mo，钼 Ni，镍 Pd，钯 Pt，铂 Ti，钛 W，钨
功函数，
4.26 4.28 5.1 4.5 4.6 5.15 5.12 5.65 4.33 4.55
Thank You
在别人的演说中思考，在自己的故事里成长
Thinking In Other People‘S Speeches，Growing Up In Your Own Story 讲师：XXXXXX XX年XX月XX日
22
7
4. 电流-电压关系
J s m
e
E
' c
v
x
dn
dn
4
(2
m
* n
)3/2
h3
E E c exp[
( E E F ) ]dE kT
J J s m J m s
[ A *T 2 exp( e n )][exp( eV a ) 1 ]
kT
kT
J sT [exp(
eV a ) 1 ] kT
高掺杂浓度的半导体 依赖于掺杂浓度，隧穿为主
半导体异质结
异质结半导体异质结构一般是由两层以上不同材料所组成，它们各具不同的能带隙。
这些材料可以是GaAs 之类的化合物，也可以是Si-Ge之类的半导体合金。
按异质结中两种材料导带和价带的对准情况可以把异质结分为Ⅰ型异质结和Ⅱ型异质结两种，两种异质结的能带结构如图1所示。
如图1(a)所示，I型异质结的能带结构是嵌套式对准的,窄带材料的导带底和价带顶都位于宽带材料的禁带中，ΔEc和ΔEv的符号相反，GaAlAs/GaAs和InGaAsP/InP都属于这一种。
在Ⅱ型异质结中，ΔEc和ΔEv的符号相同。
具体又可以分为两种:一种如图1(b)所示的交错式对准，窄带材料的导带底位于宽带材料的禁带中，窄带材料的价带顶位于宽带材料的价带中。
另一种如图1(c)所示窄带材料的导带底和价带顶都位于宽带材料的价带中［14］。
Ⅱ型异质结的基本特性是在交界面附近电子和空穴空间的分隔和在自洽量子阱中的局域化。
由于在界面附近波函数的交叠，导致光学矩阵元的减少，从而使辐射寿命加长，激子束缚能减少。
由于光强和外加电场会强烈影响Ⅱ型异质结的特性，使得与Ⅰ型异质结相比，Ⅱ型异质结表现出不寻常的载流子的动力学和复合特性，从而影响其电学、光学和光电特性及其器件的参数。
在Ⅰ型异质结中能级的偏差量具有不同的符号，电子和空穴是在界面的同一侧（窄带材料一侧）由受热离化而产生的。
这种情况下只有一种载流子被束缚在量子阱中（n-N结构中的电子，p-P结构中的空穴）。
Ⅱ型异质结能级的偏差量具有相同的符号，电子和空穴是在界面的不同侧由受热离化而产生的。
两种载流子被束缚在自洽的量子阱中，因此在Ⅰ型异质结中载流子复合发生在窄带材料一侧，Ⅱ型异质结中载流子复合主要是借助界面的隧道而不是窄带材料一侧。
不同半导体的能隙宽度可根据使用的要求做适当调整，办法可以是取代半导体元素(例如，用In或者Al代替Ga，用P、Sb或N代替As)，也可以通过改变合金的成分。
有多种方法可用于形成不同半导体层之间的突变界面，例如分子束外延法(MBE)和金属有机化学沉积法(MOCVD)。
第三章 异质结-金属-半导体接触
对给定的半导体， n型+P型衬底的势垒高度之和=带隙。 肖特基模型预言的势垒高度很难在实验中观察到, 实测的势 垒高度和理想条件存在偏差. 原因: 1) 不可避免的界面层 δ ≠ 0 2) 界面态的存在 3) 镜像力的作用
(20)
2。半导体表面有高密度的表面态 实验发现，很多半导体在与金属形成金-半接触时，半导体中的势 垒高度几乎与所用金属无关，只与半导体有关，几乎是常数。 特别是对于共价键较强的半导体 悬键多 + 吸附外来原子 大量表面态 表面态能够与体内交换电子和空穴 能带弯曲 半导体表面费米能级模型：半导体 = 表面层 + 体内 表面看作一薄层, 在禁带中具有能量连续分布的局域态，由 于表面处电荷的填充，有自己的平衡费米能级EFS0 若表面态密度 ∞，体内电 子填充表面能级，且不显著 改变表面费米能级位置，体 EF 内EF下降与EFS平齐，造成 EFS0 能带弯曲，形成空间电荷区。 表面态密度很大时， EFS~EFS0, 费米能级定扎。
(14)
二、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。
(15)
对于金属-半导体系统，
将原来的肖特基势垒近似为线性，则界面附近导带底势能曲线：
E ( x ) = − qEx
电场用界面处的最大电场代替，介电 常数用εs 代替，给出势垒降低量：
Δφ =
qΕ 4 πε
s
(30)
在Au-Si二极管内实测势垒降低量与电场的关系。
半导体异质结构
半导体异质结构1半导体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，称为异质结。
半导体异质结的能带图反型异质结指由导电类型相反的两种不同的半导体单晶材料所形成的异质结。
例如p型Ge与n型GaAs所形成的结——p-nGe-GaAs（或(p)Ge-(n)GaAs）——一般把禁带宽度较小的半导体材料写在前面。
同型异质结指由导电类型相同的两种不同的半导体单晶材料所形成的异质结。
例如n型Ge与n型GaAs所形成的结——p-pGe-GaAs（或(p)Ge-(p)GaAs）突变型异质结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不考虑界面态时的能带图突变反型异质结能带图由于n型半导体的费米能级较高，电子将从n型半导体流向p型半导体，同时空穴在与电子相反方向流动，直至Ef=Ef1=Ef2——热平衡状态。
此时，材料交界面的两边形成了空间电荷区（即势垒区或耗尽层）。
n型半导体一侧为正空间电荷区，p型半导体一侧为负空间电荷区，且电荷数相等（由于不考虑界面态），空间电荷区间产生电场，也称为内建电场，所以电子在空间电荷区中各点有附加电势能，使空间电荷区中的能带发生了弯曲。
尖峰与凹口能带突变突变同型异质结能带图形成异质结时，由于禁带宽度大的n型半导体的费米能级比禁带宽度小的高，所以电子将从前者流向后者。
结果在禁带宽度小的n型半导体一边形成了电子的积累层，而另一边形成了耗尽层。
对于反型异质结，两种半导体材料的交界面两边都成为了耗尽层；而在同型异质结中，一般必有一边成为积累层。
尖峰与凹口能带突变考虑界面态时的能带图1.形成异质结的两种半导体材料的晶格失配，需要引入界面态。
2.由于晶格失配，在两种半导体材料的交界面处产生了悬挂键，引入界面态。
3.当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越1/3处——巴丁极限。
4.对于n型半导体，悬挂键起受主作用，因此表面处的能带向上弯曲。
半导体光电子学异质结
半导体光电子学异质结引言半导体光电子学异质结是半导体器件中的一种重要结构，其特殊的层状组合能够实现光电转换和电子输运功能的有效集成。
本文将对半导体光电子学异质结的基本原理、应用领域和未来发展方向进行详细介绍。
基本原理半导体光电子学异质结的基本原理源于不同材料间的价带和禁带差异导致的能带弯曲。
在正向偏置情况下，载流子在异质结中会因能带曲率而发生漂移，在逆向偏置时则会发生空间电荷屏蔽效应。
这些特性使得半导体光电子学异质结能够对光信号进行高效转换。
应用领域半导体光电子学异质结在光电器件中有着广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：光伏电池光伏电池是半导体光电子学异质结最常见的应用之一。
通过将光线照射到光伏电池上，光能被转换为电能。
光伏电池的效率取决于异质结界面的设计和材料的选择。
光电探测器光电探测器利用了半导体光电子学异质结的光电转换特性，可以将光信号转换为电信号。
它们在光通信、光谱测量等领域中发挥着重要作用。
光发射器光发射器利用半导体光电子学异质结中的电流注入和复合过程，将电能转换成光能。
它们在光通信领域中被广泛应用，能够实现高速、高效的光信号传输。
光放大器光放大器是利用半导体光电子学异质结结构实现光信号放大的器件。
它们在光通信中具有重要地位，能够帮助信号在光纤中传输更远的距离。
未来发展方向半导体光电子学异质结领域仍然存在许多挑战和发展机遇。
以下是一些可能的未来发展方向：新型材料尽管现有的半导体材料已经取得了令人瞩目的成果，但仍然有许多材料可以探索。
通过研究和开发新型材料，可以进一步改善异质结的光电转换效率和稳定性。
结构优化异质结的结构优化是提高器件性能的关键。
通过精确控制界面的形貌和材料的晶格匹配，可以降低界面态和缺陷的影响，提高器件的效率和稳定性。
新型器件设计除了上述常见的应用领域，半导体光电子学异质结还有许多潜在的应用，如光存储器、光计算、光传感器等。
发展新型器件设计是推动半导体光电子学异质结前进的关键。
第三章 异质结能带图
J A exp(
EV qVD qV ) exp( ) 1 kT kT
A qNA2
DP1 LP1
（2）第二种情况
1 2 ,1 2 , 1 Eg1 2 Eg 2
Eg2 Eg1
qVD1 ΔEV qVD2
1 2 ,1 2 , 2 1 Eg1
（1）第一种情况
第一种情况能带图的伏安特性关系式为：
EC qVD 2 qV2 qV1 J Ad exp( ) exp( ) exp( ) kT kT kT
其中，Ad
qND 2
D n1 Ln 2
1 2 , 1 2
qVD2
Eg2 Eg1
Eg2 ΔEV qVD2
Eg1 qVD1
ΔEV
qVD1
1 2 Eg 2
1 2 Eg 2
第一种情况能带图的伏安特性关系式为：
EV qVD 2 qV qV J A exp( ) exp( 2 ) exp( 1 ) kT kT kT
qVD 2 qV2 qV1 J A exp( ) exp( ) exp( ) kT kT kT
qVD1 EC
（3）第三种情况
1 2 ,1 2 , 1 Eg1 2 Eg 2
qVD1 EC
Eg2
Eg1
qVD1 此种情况伏安特性关系式为： ΔEV qVD2
（1）第一种情况
1 2 ,1 2 , 1 Eg1 2 Eg 2
Eg2
Eg1
qVD1
伏安特性关系式为：
ΔEV
qVD
2
化合物半导体器件第三章半导体异质结全解
图3.3 晶格失配形成位错缺陷 （张）应变Si示意图
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.1 异质结及其能带图
3.1.2 异质结的能带图
图3 半导体能带边沿图
Dai Xianying
图4 孤立的n型和p型半导体能带图
化合物半导体器件
3.1 异质结及其能带图
3.1.2 异质结的能带图
（以突变异质结为例）
2、考虑界面态时的能带图
3）降低界面态 4）界面态的类型 5）巴丁极限
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.1 异质结及其能带图
2、考虑界面态时的能带图
6）考虑界面态影响的异质结能带示意图
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.1 异质结及其能带图
3.1.2 异质结的能带图
3、渐变异质结能带图
Dai Xianying
化合物半导体器件
第三章
• • • • •
半导体异质结
异质结及其能带图 异质结的电学特性 量子阱与二维电子气 多量子阱与超晶格 半导体应变异质结
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.2 异质结的电学特性
3.2.1 突变异质结的I-V特性
突变异质结的I-V模型：扩散模型、发射模型、发射-复合 模型、隧道模型、隧道复合模型。
两种势垒尖峰： （a）低势垒尖峰负反向势垒 （b）高势垒尖峰正反向势垒
Dai Xianying
(a) (b) 图3.8 异型异质结的两种势垒示意图 （a）负反向势垒；（b）正反向势垒
化合物半导体器件
3.2 异质结的电学特性
1、低势垒尖峰（负反向势垒异质结）的I-V特性
特征：势垒尖峰低于p区的EC
半导体异质结
半导体异质结
半导体异质结是半导体物理和材料学中最基础的概念之一，它指的是不同半导体材料之间的界面，物理上的结构是彼此分离的。
半导体异质结是由不同结构或物理本征的半导体分子构成的。
这样的结构可以产生半导体物质的能带变化，从而影响传输特性。
半导体异质结是由一方阳离子和另一方阴离子电荷配对构成的，这样就可以形成一个稳定的电势阻挡，使得流动的电子和空穴在其中穿梭，电流才能传递。
另一方面，由于空穴和电子的转移率不同，半导体异质结可以用来控制光电子器件的传输特性，例如在光子晶体中的发射率。
此外，半导体异质结还可以用于降低半导体器件，降低输出功耗，提高效率。
第三章 异质结能带图
正向偏压的方向由材料2指向材料1
（3）第三种情况
1 2 ,1 2 , 1 Eg1 2
qVD1 ΔEC
qVD2
Eg2
Eg1
qVD 2 EC
伏安特性关系式为：
qV J B exp( ) 1 kT
当q（VD2-V2）<ΔEC时，相应的伏安特性关系式为：
qVD1
Eg1
ΔEc
qVD2
qVD1 EC
Eg2
qVD 2 qV2 qV1 J Ad exp( ) exp( ) exp( ) kT kT kT
若
q(VD1 V1 ) EC
qVD EC qV )[exp( ) 1] kt kT
则 J Ad exp(
Eg1 qVD1 ΔEV
Eg2
qVD
2
其伏安特性和第一种情况能带图的伏安特性关系式相同 文献报道中的pP异质结能带图属于第一种情况的有： pP-Ge/GaAs, pP-Si/GaP, pP-GaSb/ZnTe, pP-PbS/Ge
3.1 突变反型异质结能带图
3.1.1 pN异质结能带图
根据两种半导体材料的电子亲和能、禁带宽度和功函数的不同，基于 Anderson模型的pN异质结能带图通常分为4种情况： qVD1 Eg1 Eg2 qVD1
ΔEc
qVD2
Eg1
ΔEc
qVD2 Eg2
1 2 ,1 2 , 2 1 Eg1
（3）第三种情况
1 2 ,1 2 , 1 Eg1 2 Eg 2
第三种情况能带图的伏安特性关系式为：
J A exp(
EV qVD qV ) exp( ) 1 kT kT
(整理)半导体物理学3.
Chapter 9异质结器件(heterojunction devices)9.1 异质结的概念在电子工业中Si不是唯一使用的半导体。
除了周期表中四族元素和它们的化合物（Si 、Ge、C、SiC和SiGe）外，还有利用III 族和V族合成的所有半导体，如GaAs、InP、Ga x Al1-x As等。
此外，还能利用周期表中其它族元素制备半导体，如CdS和HgCdTe。
表征这些材料电学性质的主要参数是能隙宽度。
图9.1显示了Si、Ge和不同III-V化合物的带隙能。
利用三元或四元化合物如Ga x Al1-x As和Ga x In1-x As y P1-y可以获得任意带隙能值。
在制备材料的过程中通过修正系数x和y可以得到想要的带隙能。
由两种不同半导体构成的PN结称为异质结（heterojunction）。
这种异质结最特殊的特征是P型和N型区域有不同的带隙。
只包含一种半导体的结(如经典的Si PN结)称为同质结(homojunction)。
9.1.1 能带图(energy band diagram)与同质结相比，，由于存在具有不同带隙能的两种材料，因此在异质结的能带图中很难引入附加能级。
在单一器件中结合不同材料和裁剪能带形状去获得不可能获得的性质的技术通常称为能带工程(bandgap engineering)。
考虑图9.2的例子，此图举例说明了异质结能带图是怎样画出来的。
两种不同半导体材料被结合在一起。
半导体＃1是P型，其能隙、功函数和电子亲和力分别为1g E 、1Φq 和1χq 。
功函数是真空能级和费米能级之间的能量差；它代表要将一个具有能量F E 的电子从半导体中移出所需要的能量。
电子亲和力是将导带中一个电子移到真空能级所需要的能量，与前面5.1.1节中解释的一样。
类似地，我们设想半导体＃2是N 型，其能隙、功函数和电子亲和力分别为2g E 、2Φq 和2χq 。
绘制能带图的步骤如下：1. 在平衡条件下，两种半导体中费米能级是相等的、不变的。
半导体pn结,异质结和异质结构03
若干半导体杂质掺杂的一些考虑
12
关于Au/ZnO/Si异质结能带结构
E0
Wm 4.95eV
X1 4.35eV
WS 1
X2
WS 2
4.5eV 4.05eV 5.1eV
Ec 2 Ei 2
E Fm
E c1 E Fn Ei1
E E Fp 2
E 1
p Si
Au
n ZnO
器件结构图
Au/n-ZnO/p-Si 新型肖特基结-异质结构 紫外增强光电晶体管
本征半导体载流子浓度ni, p i
本征半导体: ni = pi = n =p = 4.9 E15 (me mh/mo）^3/4 T^3/2 exp(-Eg/2KT) = A T^3/2 e^(-Eg/2KT) 是温度T,禁带宽度Eg的函数,温度越高, ni越大, Eg越宽, ni越小 T为3OOK时, Si: ni = p i=1.4 E10/cm*-3 ni pi = 1.96 E20/cm^-3
PN结的反向电压特性及电容特性
PN结加反向电压时,空间电荷区变宽, 电场增 强, 阻止了多数载流子的扩散,而P区和N区的少数 载流子电子和空穴沿反向电场运动,产生反向漏电 流,由于少子是本征激发,它决定于温度而不决定于 反向电压,当反向电压增大到一定程度足以把少子 全部吸引过来时,电流达到恒定,称作反向饱和漏电 流, 当反向电压再增大电流突然增大时,称作PN结 击穿。如果外电路不能限制电流，则电流会大到 将PN结烧毁. PN结加反向电压时,空间电荷区中的正负电荷 构成一个电容性的器件。它的电容量随外加电压 改变,反向时电容减小正向时电容增大.
半导体，本征半导体，非本征半导体
半导体: 最外层价电子填满了价带，导带没有电子， 有一定带隙宽度。在一定条件下使价带中的电子获得能 量跃迁到导带中，在价带中形成空穴，在导带中出现电 子时，半导体导电。 本征半导体:不掺杂的半导体。此时的费米能级在带 隙的中间。价带中的电子靠热激发或光激发直接跃迁到 导带，使空穴和电子的浓度相等。随着温度的升高本征 半导体的导电性能变大。 非本征半导体:是掺杂的半导体。由于在价带和导带 分别加入的空穴和自由的电子，使半导体的导电性能发 生改变。 如：五价的杂质原子（P,As）掺入四价Si后必有一个 电子成为自由电子运动在导带中，形成电子导电类型的n 型半导体。由于有较高能量的自由电子的进入导致原来 在带隙中的费米能级逐渐向上移。如果在半导体中加入 三价的杂质原子（B），与硅的结合将有一个键悬空， 形成空穴，此空穴可以在价带中自由移动，形成了空穴 导电类型的p型半导体，由于有空穴的进入导致原来在带 隙中的费米能级逐渐向下移。
异质结
耗尽层宽度分别是 2 ε pε N N DVD xp = ⋅ , e N A (ε p N A + ε N N D ) 由上面的分析，还可以得到结电容 1 2 ε p N A + ε N ND = ⋅ ⋅ VD C 2 e ε pε N N A N D j
2 ε pε N N AVD xN = ⋅ e N D (ε p N A + ε N N D )
N AND pn n ≈ k BT ln 1 2 = k BT ln 2 ni2 n1 p1 n1
即内建电势取决于两种半导体载流子浓度的比值。具体到pN结，取 决于N型半导体中的多子（电子）与p型中的少子（电子）浓度比。
§2.3 半导体异质结
根据《半导体物理》的结论，p区和N区各自的内建电势分别是 2 eN A x 2 eN N x N p , VDN = VDp = 2ε p 2ε N 若近似认为，正负电荷在耗尽层是均匀分布的，则电中性条件为
J = e⋅ X Ln1 exp − k T ⋅ exp k T − exp − k T B B B
在正向偏置时，方括号中第一项起主要作用，反向偏置时，第二项 起主要作用。所以，在正向偏置下，有
D N eV J = e ⋅ X n1 D 2 exp − DN k T L n1 B eV ⋅ exp 2 k T B
N A x p = N D xN
于是得
VDp VDN
=
ε N ND ε pNA
该式表明，内建电势主要降落在杂质浓度较低的一侧。结合以上各 式，得到内建电势分别为
§2.3 半导体异质结
VDp =
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3.5 半导体应变异质结
3.5.2 应变层材料能带的人工改性
（以Si1-xGex上生长应变异质Si为例）
1、应变类型 2、晶格类型 3、晶格常数 4、能带结构 5、迁移率： μn、μp均提高 6、应用：沟道长度小于0.1μm的CMOS电路
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3.5 半导体应变异质结
• • • • • 异质结及其能带图 异质结的电学特性 量子阱与二维电子气 多量子阱与超晶格 半导体应变异质结
Dai Xianying
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3.5 半导体应变异质结
3.5.1 应变异质结
1、应变异质结的形成
2、应用
超过临界厚度后，弛豫Si1-xGex形成
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2、势阱中的电子能态
图3.12 量子阱中电子的能量
Dai Xianying
图3.13 三角形势阱的示意图
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3.3 量子阱与二维电子气
3.3.1 调制掺杂异质结构界面量子阱
3、2DEG的子带及态密度
Dai Xianying
异质结2DEG的电子态密度与能量的关系
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3.3 量子阱与二维电子气
3.1 异质结及其能带图
• 热平衡下的能带图（p-GaAs/N-AlGaAs）
图3.7 异质结pn平衡能带图
Dai Xianying
图3.8 同质pn结平衡能带图
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3.1 异质结及其能带图
• 热平衡下的能带图
图3.9突变反型np异质结平衡能带图
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1 LS LS a2 a1 a2 a1 N ss 2 2 2 LS a1 a2 a1图3.2 （张）应变Si示意图
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3.1 异质结及其能带图
3.1.2 异质结的能带图
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3.1 异质结及其能带图
3.1.1 异质结的形成
1）异质结
2）异质结形成的工艺 3）异质结的类型 4）异质结形成的关键 5）晶格失配
图3.1 III-V族和II-VI族化合物 半导体的禁带宽度和晶格常数
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3.1 异质结及其能带图
6）单位面积的悬挂键数
4）应用：半导体激光器
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第三章 半导体异质结
• • • • • 异质结及其能带图 异质结的电学特性 量子阱与二维电子气 多量子阱与超晶格 半导体应变异质结
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3.3 量子阱与二维电子气
量子阱：能够对电子（空穴）的运动产生某种约束，使其能 量量子化的势场。如量子力学中的一维方势阱、有限势阱。 二维电子气（2DEG）：势阱中的电子在与异质结界面平行的 二维平面内是自由运动，而在垂直异质结界面方向上其能量 是量子化的。
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Compound Semiconductor Devices 微电子学院
戴显英
2013.9.3
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第三章 半导体异质结
• • • • • 异质结及其能带图 异质结的电学特性 量子阱与二维电子气 多量子阱与超晶格 半导体应变异质结
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3.1 异质结及其能带图
异质结平衡能带的特点： ①能带发生弯曲 ② 能带在界面处不连续，有突变。
Anderson定则（模型）：
①ΔEC=χ1-χ2 ②ΔEV=(Eg2-Eg1)-(χ1-χ2) = ΔEg- Δχ ③ΔEC+ΔEV = ΔEg
异质结能带的新要点 （特征）：
Dai Xianying
图3.10 Anderson模型的ΔEC- Δχ关系
Bulk Si
Δ Δ
Strained Si
4
ml
6
Δ E24≈0.67y(eV)
Δ2 mt < ml 应变Si导带能带分离示意图
mt
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应变Si价带能带分离示意图
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第二次课堂作业
• 1）为什么要求异质结的晶格匹配？如何能 够实现异质结的晶格匹配？ • 2）若异质结的晶格不匹配，采用什么方法 能够保证异质结界面处不产生缺陷（悬挂 键）？ • 3）应变外延层厚度与什么有关？
2）载流子浓度
3）电子扩散电流密度Jn 4）空穴扩散电流密度Jp 5）总电流密度J=Jn+Jp 6）Jn、Jp大小对比分析
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3.2 异质结的电学特性
3.2.1 突变异质结的I-V特性
2、高势垒尖峰（正反向势垒异质结）的I-V特性
特征：势垒尖峰高于p区的EC 1）电流模型：由热电子发射机制决定
1、导带量子阱中的电子能态
（1）电子在量子阱中的势能V（z） （2）求解薛定谔方程
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3.3 量子阱与二维电子气
3.3.2 双异质结间的单量子阱结构
2、价带量子阱中的空穴能态
（1）二维空穴气：2DHG （2）量子阱中的空穴能态
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Dai Xianying (a)单量子阱
(b)多量子阱
(c)超晶格 化合物半导体器件
3.4 多量子阱与超晶格
多量子阱（a）和超晶格（b）中电子的波函数
Dai Xianying
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3.4 多量子阱与超晶格
3.4.1 复合超晶格
1、Ⅰ型超晶格
Dai Xianying
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3.4 多量子阱与超晶格
化合物半导体器件
3.1 异质结及其能带图
3.1.3 突变反型异质结的接触势垒差及势垒区宽度
推导过程参考刘恩科等著 《半导体物理》第9章
（以pn异质结为例）
与求解同质pn结相同：由 求解界面两边势垒区的泊 松方程，可得VD及XD
1、势垒区宽度XD 2、接触电势差VD 3、外加电压V 4、np突变异质结
第三章 半导体异质结
• • • • • 异质结及其能带图 异质结的电学特性 量子阱与二维电子气 多量子阱与超晶格 半导体应变异质结
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3.4 多量子阱与超晶格
超晶格：几种成分或掺杂类型不同的超薄层周期性地重叠， 构成一种特殊的人工晶体。 超晶格周期：重叠周期，小于电子的平均自由程,可人工控制 超薄层厚度：足够薄(与电子的波长相当),使相邻势阱的电子 波函数重叠。 周期性势场：1)各薄层的晶格周期性势场；2）超晶格的周期 性势场。
Jn 0.99 Jn J p
同质结的BJT：基区不能太薄，频率特性不高；
Dai Xianying
异质结的HBT：基区可以很薄，频率特性很高；
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思考题
• 试分析高势垒尖峰异质结的反向I-V特性。 • 为什么HBT的频率特性比BJT好？
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3.1 异质结及其能带图
3.1.2 异质结的能带图
2)突变同型异质结能带图 界面处：一侧形成耗尽层，一侧形成电子（空穴）积累层
3.11 突变同型nn异质结平衡能带图
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3.1 异质结及其能带图
3.1.2 异质结的能带图
2)突变同型异质结能带图
3.12 突变同型pp异质结平衡能带图
两种势垒尖峰： （a）低势垒尖峰负反向势垒 （b）高势垒尖峰正反向势垒
Dai Xianying
(a) (b) 图3.8 异型异质结的两种势垒示意图 （a）负反向势垒；（b）正反向势垒
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3.2 异质结的电学特性
1、低势垒尖峰（负反向势垒异质结）的I-V特性
特征：势垒尖峰低于p区的EC
1）电流模型：主要由扩散机制决定
3.3.1 调制掺杂异质结构界面量子阱
4、2DEG的高迁移率特性
（1）调制掺杂结构特点 （2）2DEG的特性 （3）应用
Dai Xianying
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3.3 量子阱与二维电子气
3.3.2 双异质结间的单量子阱结构
双异质结结构： AlxGa1-xAs/GaAs /AlxGa1-xAs，要求 GaAs层足够薄；
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3.1 异质结及其能带图
2、考虑界面态时的能带图
6）考虑界面态影响的异质结能带示意图
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3.1 异质结及其能带图
3.1.2 异质结的能带图
3、渐变异质结能带图
1）渐变的物理含义 2）渐变异质结的近似分析：能带的叠加 3）渐变能级
Dai Xianying
3.4.1 复合超晶格
1、Ⅰ型超晶格
Dai Xianying
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3.4 多量子阱与超晶格
3.4.1 复合超晶格
2、 Ⅱ型超晶格
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3.4 多量子阱与超晶格
3.4.2 掺杂超晶格
n-GaAs/p-GaAs体系
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第三章 半导体异质结
Dai Xianying
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3.2 异质结的电学特性
1.异质pn结的高注入比特性及其应用
异质结的应用
异质结双极晶体管（Heterojunctiong Bipolar Transistor，HBT），应用 于微波、毫米波领域。 早期的HBT：n-AlxGa1-xAs/p-GaAs作发射结； 优良的HBT：n-Ga0.5In0.5P/p-GaAs作发射结，GaAs衬底； ΔEv=0.3eV>>ΔEc=0.03eV,即空穴的势垒高， Jp小，故注入比和γ高；fT=100GHz。 SiGe HBT：n-Si/p-Si1-xGex作发射结，Si衬底；Eg,Si1-xGex随组 分x的增大而减小，且ΔEv>>ΔEc； 典型的基区组分：Si0.8Ge0.2，厚度50nm-100nm； Dai Xianying 主要应用于通信系统及手机。 化合物半导体器件