半导体pn结,异质结和异质结构

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半导体异质结构的基本特性 半导体异质结构，是将不同材料的半导体薄膜，依先后次序外
延淀积在同一衬底上。如图所述的是利用半导体异质结构所作成的 半导体激光器
基本特性： 量子效应：
因中间层的能阶较低，电子很容易掉落下来被局限在中间层， 而中间层可以只有几nm的厚度，因此在如此小的空间内，电子的 特性会受到量子效应的影响而改变。例如：能阶量子化、基态能量 增加、能态密度改变等，其中能态密度与能阶位置，是决定电子特 性很重要的因素。
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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
如利用前向偏置异质结的载流子注入与复合可以制造半导体激光二极 管与半导体发光二极管；
6. 利用光辐射对PN结反向电流的调制作用可以制成光电探测器； 7. 利用光生伏特效应可制成太阳电池; 8. 利用两个PN结之间的相互作用可以产生放大，振荡等多种电子 功能; PN结是构成双极型晶体管和场效应晶体管的核心，是现代微电子 技术、光电子技术的基础。
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若干半导体杂质掺杂的一些考虑
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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
EFm Au
E Fn
Ec1
Ei1
n ZnOE1
Ec 2 Ei 2 EFp
E 2
p Si
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么么么么方面
• Sds绝对是假的
激光二极管： 半导体激光二极管的基本构造，与发光组件极为类似，
只不过激光是二极管必须考虑到受激发光与共振的条件。 使用半导体异质结构，因电子与空穴很容易掉到中间层， 因此载子数目反转较易达成，这是具有受激发光的必要条 件，而且电子与空穴被局限在中间层内，其结合率较大。 此外，两旁夹层的折射率与中间层不同，因而可以将光局 限在中间层，致使光不会流失，而增加激光强度，异质结 构很适合制作激光器，有很大的优点。
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样品制备
第一组ZnO/Si异质结样品(1)～(4)： 准备四种不同表面掺杂的Si材料作为衬底。分别为样品(1)n-<100>，电阻率
ρ=4.06Ω·cm。样品(2)p+<111>，ρ=16.8mΩ·cm。样品(3)p-<111>，ρ=11.126Ω·cm。 样品(4)n+<111>，ρ=6.6mΩ·cm。工艺流程如下：
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不同衬底Si材料的ZnO异质结IV及光电特性研究
采用PLD技术和微电子平面工艺，用不同表面掺 杂的Si作为衬底制备了ZnO/Si异质结，另外为改善异 质结特性，以p-Si(p-)为衬底尝试制备了ZnO（含 Mn0.2％）/Si结构、以及包含SiC缓冲层的ZnO/SiC/Si 和ZnO（含Mn0.2％）/SiC/Si结构。测试了样品的 XRD曲线，I－V特性曲线和P－E（光电响应）特性曲 线，研究样品作为二极管，光探测器的性能。
制造异质结通常采用外延生长法。
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PN结的应用
根据PN结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同，利 用其基本特性可以制造多种功能的晶体二极管。
1. 用PN结单向导电性可以制作整流二极管、检波二极管和开关二 极管，
2. 利用击穿特性制作稳压二极管和雪崩二极管； 3. 利用高掺杂PN结隧道效应制作隧道二极管； 4. 利用结电容随外电压变化效应制作变容二极管; 5. 将半导体的光电效应与PN结相结合还可以制作多种光电器件。
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。
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。
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发光二极管组件(light emitting devices, LED)： 因为半导体异质结构能将电子与空穴局限在中间层内，
电子与空穴的复合率因而增加，所以发光的效率较大；同时 改变量子井的宽度亦可以控制发光的频率，所以现今的半导 体发光组件，大都是由异质结构所组成的。半导体异质结构 发光组件，相较其它发光组件，具有高效率、省电、耐用等 优点，因此应用广泛。
ni pi = 1.96 E20/cm^-3
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杂质半导体ni,电子浓度n,空穴浓度p 之间的关系
n = ni e^(Ef-Ei)/kT, P = ni e^(Ei-Ef)/kT, ni^2 = n p Ei本征费米能级 Ef杂质费米能, 在n型半导体中,n＞p,因此, Ef＞Ei 在p型半导体中, p＞n,因此, Ei＞Ef
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半导体异质结
基本概念：
异质结就是一种半导体材料生长在另一种 半导体材料上所形成的接触过渡区。依照两种 材料的导电类型分同型异质结（P-p结或N-n结） 和异型异质(P-n或p-N)结。按照两种材料晶格常 数的失配程度，异质结可分为两类，即匹配型 异质结和失配型异质结，由于两种异质材料具 有不同的物理化学参数（如电子亲和势、 能带 结构、介电常数、晶格常数等）, 接触界面处产 生各种物理化学属性的失配，使异质结具有许 多不同于同质PN结的新特性。
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器件结构图
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Au/n-ZnO/p-Si 新型肖特基结-异质结构 紫外增强光电晶体管
•新型肖特基结-异质结 紫外增强光电晶体管，半导体学报英文版刊登认 为论文有新意，并在重要位置（第二篇）刊登 • 该新型光电探测器增强了Si光电探测器在紫外（UV）波长的响应灵敏 度，具有重要研究价值
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• 迁移率(Mobility)变大：
半导体的自由电子主要是由于外加杂质的贡献，因此在一般的半导体 材料中，自由电子会受到杂质的碰源自而减低其行动能力。然 而在异质结构
中，可将杂质加在两边的夹层中，该杂质所贡献的电子会掉到中间层，因 其有较低的能量（如图所示），因此在空间上，电子与杂质是分开的，所 以电子的行动就不会因杂质的碰撞而受到限制，因此其迁移率就可以大大 增加，这是高速组件的基本要素。
清洗后将衬底氧化（温度1050℃，干氧10min＋湿氧40min＋干氧10min）生 成SiO2外延，去除背底SiO2。干燥后光刻出圆形有源区，圆孔直径为500μm。然 后采用PLD技术在样品表面制备高质量ZnO薄膜。PLD工艺采用德国Lamda Physik 公司的LPXKRF受激准分子激光器(excimer laser)，输出波长为248 nm，脉宽20ns ，频率5Hz，功率200mj/pulse，通过透镜以45度角聚焦在靶上，靶材为高纯ZnO 陶瓷靶，直径32mm。抽真空至6.2×10－4Pa后，通入O2至20Pa，在700℃下轰击 靶材60min，生成ZnO薄膜厚约800nm，并在有源区反刻出圆形ZnO（稍大于有源 区图形）。接着表面蒸Al，Al膜厚约1μm，再在有源区反刻圆形Al（稍大于ZnO 图形）。最后将样品放在N2气氛中530℃高温下退火15min。初步测试后切片， 背底固定到Al电极，引线焊接，封装。器件结构如图
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异质结的能带结构
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。研究较多的是GaAs 化合物、SiGe之类的 半导体合金,目前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 的能带结构如图所示。
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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
在空间电荷区内电子势能为-qV,因此电 子从N区到P区必须越过这个势能高度,该高 度称作势垒高度
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PN结的伏安(I-V)特性：
I为流过PN结的电流；Is为PN结的反向饱和电流，与温度和材料有关的参数， V为外加电压； Vt=kT/q,为温度的电压当量（Vt=26mV.），当外加正向电压V为正 值且比Vt大几倍时, 正向电流随正向电压的增加按指数规律增大,PN结为正向导通 状态.外加反向电压即v为负值，且|v|比Vt大几倍时，PN结只流过很小的反向饱 和电流，且数值上基本不随外加电压而变，PN结呈反向截止状态。由PN结的I/V 特性曲线得到：PN结具有单向导电性和非线性伏安特性.