第7次课 第五章 半导体异质结中二维电子气与调制掺杂器件PPT课件
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1.正向特性 图1-10所示曲线①部分为正向特性。在二极管两端加正向
电压较低时，由于外电场较弱，还不足以克服PN结内电场 对多数载流了扩散运动的阻力，所以正向电流很小，几乎为 零。此时二极管呈现出很大的电阻。
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1.2 半导体二极管
2.反向特性 图1-10所示曲线②部分为反向特性。二极管两端加上反向
电压时，由于少数载流子漂移而形成的反向电流很小，且在 一定的电压范围内基本上不随反向电压而变化，处于饱和状 态，所以这一段电流称为反向饱和电流IR。硅管的反向饱和 电流约在1μA至几十微安，锗管的反向饱和电流可达几百微 安，如图1-10的OC(OC’)段所示。 3.反向击穿特性 如图1-10中曲线③部分所示，当反向电压增加到一定数值 时，反向电流急剧增大，这种现象称为一极管的反向击穿。 此时对应的反向击穿电压用UBR表示。
1.4.2 晶体三极管的工作原理
三极管有两个按一定关系配置的PN结。由于两个PN结之间 的互相影响，使三极管表现出和单பைடு நூலகம்PN结不同的特性。三 极管最主要的特性是具有电流放大作用。下面以NPN型二极 管为例来分析。
1.电流放大作用的条件 三极管的电流放大作用，首先取决于其内部结构特点，即发
射区掺杂浓度高、集电结面积大，这样的结构有利于载流子 的发射和接收。而基区薄且掺杂浓度低，以保证来自发射区 的载流子顺利地流向集电区。其次要有合适的偏置。三极管 的发射结类似于二极管，应正向偏置，使发射结导通，以控 制发射区载流子的发射。而集电结则应反向偏置，以使集电 极具有吸收由发射区注入到基区的载流子的能力，从而形成 集电极电流。
1.1 半导体基础知识
1.1.1本征半导体
不含杂质且具有完整品体结构的半导体称为本征半导体。最 常用的本征半导体是锗和硅品体，它们都是四价元素，在其 原子结构模型的最外层轨道上各有四个价电子。在单品结构 中，由于原子排列的有序性，价电子为相邻的原子所共有， 形成了如图1-1所示的共价键结构，图中的+4表示四价元素 原子核和内层电子所具有的净电荷。本征半导体在温度 T=0K(热力学温度)目没有其他外部能量作用时，其共价键 中的价电子被束缚得很紧，不能成为自由电子，这时的半导 体不导电，在导电性能上相当于绝缘体。但是，当半导体的 温度升高或给半导体施加能量(如光照)时，就会使共价键中 的某些价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自 由电子，同时在共价键中留下一个空位，这个现象称为本征 激发，如图1-2所示，自由电子是本征半导体中可以参与导 电的一种带电粒子，叫做载流子。
电压较低时，由于外电场较弱，还不足以克服PN结内电场 对多数载流了扩散运动的阻力，所以正向电流很小，几乎为 零。此时二极管呈现出很大的电阻。
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1.2 半导体二极管
2.反向特性 图1-10所示曲线②部分为反向特性。二极管两端加上反向
电压时，由于少数载流子漂移而形成的反向电流很小，且在 一定的电压范围内基本上不随反向电压而变化，处于饱和状 态，所以这一段电流称为反向饱和电流IR。硅管的反向饱和 电流约在1μA至几十微安，锗管的反向饱和电流可达几百微 安，如图1-10的OC(OC’)段所示。 3.反向击穿特性 如图1-10中曲线③部分所示，当反向电压增加到一定数值 时，反向电流急剧增大，这种现象称为一极管的反向击穿。 此时对应的反向击穿电压用UBR表示。
1.4.2 晶体三极管的工作原理
三极管有两个按一定关系配置的PN结。由于两个PN结之间 的互相影响，使三极管表现出和单பைடு நூலகம்PN结不同的特性。三 极管最主要的特性是具有电流放大作用。下面以NPN型二极 管为例来分析。
1.电流放大作用的条件 三极管的电流放大作用，首先取决于其内部结构特点，即发
射区掺杂浓度高、集电结面积大，这样的结构有利于载流子 的发射和接收。而基区薄且掺杂浓度低，以保证来自发射区 的载流子顺利地流向集电区。其次要有合适的偏置。三极管 的发射结类似于二极管，应正向偏置，使发射结导通，以控 制发射区载流子的发射。而集电结则应反向偏置，以使集电 极具有吸收由发射区注入到基区的载流子的能力，从而形成 集电极电流。
1.1 半导体基础知识
1.1.1本征半导体
不含杂质且具有完整品体结构的半导体称为本征半导体。最 常用的本征半导体是锗和硅品体，它们都是四价元素，在其 原子结构模型的最外层轨道上各有四个价电子。在单品结构 中，由于原子排列的有序性，价电子为相邻的原子所共有， 形成了如图1-1所示的共价键结构，图中的+4表示四价元素 原子核和内层电子所具有的净电荷。本征半导体在温度 T=0K(热力学温度)目没有其他外部能量作用时，其共价键 中的价电子被束缚得很紧，不能成为自由电子，这时的半导 体不导电，在导电性能上相当于绝缘体。但是，当半导体的 温度升高或给半导体施加能量(如光照)时，就会使共价键中 的某些价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自 由电子，同时在共价键中留下一个空位，这个现象称为本征 激发，如图1-2所示，自由电子是本征半导体中可以参与导 电的一种带电粒子，叫做载流子。
2015第7次课 第五章 半导体异质结中的二维电子气及调制掺杂器件解析
2
Ez En
2 mL2 z
2 2
n
2
n 1,2,3,
沟道中运动电子的总能量为： E En E ( x, y )
2 2
X、y平面内以 m*自由运动
2 2 n ( k k x y) 2m 2 mL2
2
2
z
(5.7)
V0
Z向处在一维势阱 中具有量子化的 束缚态
1. 2. 3. 4. High Mobility Due to Suppression of Ionized Impurity Scattering: Superior Low Temperature Performance: Use of Superior Materials in the Channel: High Sheet Charge Density:
5.1.3 二维电子气的应用
FET 原理
二维电子气迁移率（Electron Mobility）μ
迁移率： 在低电场下，电子的漂移速度正比于电 场强度，比例系数即定义为迁移率，又 叫漂移迁移率。随温度的增加，声学声 子和电离杂质等散射作用增强，载流子 受到的散射增强从而迁移率降低。此外 ，迁移率还随载流子的有效质量的增加 而减少。
g c ( E ) 4 V
* 3/ 2 (2 mn )
h3
同理，可推得价带顶状态密度：
k E Ev 2 m *
2 2 p
(5.11)
h3
gv ( E ) 4V
基于低维半导体材料的量子器件的特性 低维半导体材料是一种人工设计、制造的新型半导体材料, 是新一代量子器件的基础。 基于它的纳米电子学器件和电路具有超高速、超高频 ( 1000GHz )、高集成度 ( 1010元器件/cm2 ) 和高效、低功耗 等特点。 基于它的光电子器件，如量子点激光器等，则有 极低的阈 值电流 ( 亚微安 ) 、极高的量子效率、极高的调制速度、极 窄的线宽和高的特征温度等。 这些特性在未来的纳米电子学、光电子学、光子学和新一 代 VLSI 以及光电集成、光集成等方面有著极其重要的应用前 景, 可能触发新的技术革命, 并将成为本世纪 二维电子气系统的态密度 三角势阱的能级特点 量子极限
Ez En
2 mL2 z
2 2
n
2
n 1,2,3,
沟道中运动电子的总能量为： E En E ( x, y )
2 2
X、y平面内以 m*自由运动
2 2 n ( k k x y) 2m 2 mL2
2
2
z
(5.7)
V0
Z向处在一维势阱 中具有量子化的 束缚态
1. 2. 3. 4. High Mobility Due to Suppression of Ionized Impurity Scattering: Superior Low Temperature Performance: Use of Superior Materials in the Channel: High Sheet Charge Density:
5.1.3 二维电子气的应用
FET 原理
二维电子气迁移率（Electron Mobility）μ
迁移率： 在低电场下，电子的漂移速度正比于电 场强度，比例系数即定义为迁移率，又 叫漂移迁移率。随温度的增加，声学声 子和电离杂质等散射作用增强，载流子 受到的散射增强从而迁移率降低。此外 ，迁移率还随载流子的有效质量的增加 而减少。
g c ( E ) 4 V
* 3/ 2 (2 mn )
h3
同理，可推得价带顶状态密度：
k E Ev 2 m *
2 2 p
(5.11)
h3
gv ( E ) 4V
基于低维半导体材料的量子器件的特性 低维半导体材料是一种人工设计、制造的新型半导体材料, 是新一代量子器件的基础。 基于它的纳米电子学器件和电路具有超高速、超高频 ( 1000GHz )、高集成度 ( 1010元器件/cm2 ) 和高效、低功耗 等特点。 基于它的光电子器件，如量子点激光器等，则有 极低的阈 值电流 ( 亚微安 ) 、极高的量子效率、极高的调制速度、极 窄的线宽和高的特征温度等。 这些特性在未来的纳米电子学、光电子学、光子学和新一 代 VLSI 以及光电集成、光集成等方面有著极其重要的应用前 景, 可能触发新的技术革命, 并将成为本世纪 二维电子气系统的态密度 三角势阱的能级特点 量子极限
半导体工艺 掺杂原理与技术PPT课件
边界条件： C(x,0)=0, x0，C(0,t)=Cs ，C(,t)=0
解方程，得恒定扩散方程的表达式
Cx,t
Cserfc2
x Dt
C(x, t) 为某处t时的杂质浓度
Cs 为表面杂质浓度，取决于某
种杂质在硅中的最大固溶度
erfc 称作“余误差函数(comp.lementary error function)”
32
4.2 扩散
3、有限源扩散(constant-total-dopant)：一定量的杂
质淀积在半导体表面，接着扩散进入硅晶片内。杂质总
量恒定为QT
在整个扩散过程中，预淀积的扩散杂质总量作为扩散的杂质源，
不再有新源补充。如先期的预淀积扩散或者离子注入一定量的杂
质，随后进行推进退火时发生的高温下扩散。
小D，大固溶度
.
4.2 扩散
右图为在硅或 砷化镓中不同 掺杂剂在低浓 度时实测到的 扩散系数．在 一般情况下， 扩散系数的对 数值和绝对温 度的倒数成线 性关系．
.
4.2 扩散
扩散的宏观机制：(diffusion from a macroscopic viewpoint)
扩散是微观粒子作无规则热运动的统计结果，这 种运动总是由粒子浓度较高的地方向浓度低的地 方进行，而使得粒子的分布逐渐趋于均匀。扩散 的原始驱动力是体系能量最小化。
推进(drive-in)退火扩散
可能形成电中性的聚 合物，对掺杂区的自 由载流子不贡献
.
4.1 掺杂
As在硅中的固溶度: 21021 cm-3 As的电学可激活浓度.: 21020 cm-3
4.1 掺杂
掺入的杂质是电活性的，能提供所需的载流子，使许多微结构和 器件得以实现。掺杂的最高极限约1021 atoms/cm3，最低 1013 atoms/cm3
半导体基本知识(PPT课件)
例开关电路如图所示.输入信号U1是幅值为5V频率为 1KHZ的脉冲电压信号.已知 β=125,三极管饱和时 UBE=0.7V,UCES=0.25V.试分析电路的工作状态和输出电压 的波形
三极管的三种接法
• 共射极电路： • 共基极电路: • 共集极电路（射极跟随器）
MOS场效应管
• 压控电流源器件 • 分类：
• 难点：
– １、载流子运动规律与器件外部特性的关系。 只须了解，不必深究
半导体基本知识
• 半导体：
– 定义:导电性能介于导体和绝缘之间的物质 – 材料:常见硅、锗 – 硅、锗晶体的每个原子均是靠共价键紧密
结合在一起。
本征半导体
• 本征半导体：纯净的半导体。0K时，价电子
不能挣脱共价键而参与导电，因此不导电。随 T上升晶体中少数的价电子获得能量。挣脱共 价键束缚，成为自由电子，原来共价键处留下 空位称为空穴。空穴与自由电子统称载流子。 • 自由电子：负电荷 • 空穴：正电荷 • 不导电– 增强源自、耗尽型 – PMOS管、NMOS管
• 特性曲线
– 转移特性曲线 – 输出特性曲线
MOS场效应管的主要参数
• 直流参数：
– 开启电压 UTN，UTP – 输入电阻 rgs
• 交流参数：
– 跨导gm – 导通电阻Rds – 极间电容
例NMOS管构成反相器如图示,其主要参数为UTN=2.0V， gM=1.3MA/V，rDS(ON)=875，电源电压UC=12V。输入脉 冲电压源辐值为5V,频率为1KHZ。试分析电路的工作状 态及输出电压UO的波形。
限幅电路如图示：假设输入UI为一周期性矩形 脉冲，低电压UIL=-5V，高电压UIH=5V。
• 当输入UI为-5V时，二极管D截止， • 视为“开路”，输出UO=0V。 • 当输入UI为+5V时，二极管D导通， • 由于其等效电阻RD相对于负载电 • 阻R的值小得多，故UI基本落在R上， • 即UO=UI=+5V。
半导体pn结,异质结和异质结构PPT课件
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。
本征半导体载流子浓度ni, p i
本征半导体:
ni = pi = n =p = Eg/2KT) = A T^3/2
4.9 E15 (me mh/mo）^3/4
e^(-Eg/2KT)
T^3/2 exp(-
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
几个重要参数和概念
• 接触电位差:
由于空间电荷区存在电场,方向由N 到P,因此N区电位比P区高,用V表示,称作接 触电位差,它与半导体的类型(禁带宽度), 杂质掺杂浓度,环境温度等密切相关,一般 为0.几V到
1.几V
• 势垒高度:
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
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.
半导体同质p-n结,异质结的形成
采用不同的掺杂工艺,将P型半导体与N型 半导体制作在同一块半导体上,在它们的交界面就形 成空间电荷区称PN结。
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。
本征半导体载流子浓度ni, p i
本征半导体:
ni = pi = n =p = Eg/2KT) = A T^3/2
4.9 E15 (me mh/mo）^3/4
e^(-Eg/2KT)
T^3/2 exp(-
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
几个重要参数和概念
• 接触电位差:
由于空间电荷区存在电场,方向由N 到P,因此N区电位比P区高,用V表示,称作接 触电位差,它与半导体的类型(禁带宽度), 杂质掺杂浓度,环境温度等密切相关,一般 为0.几V到
1.几V
• 势垒高度:
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
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.
半导体同质p-n结,异质结的形成
采用不同的掺杂工艺,将P型半导体与N型 半导体制作在同一块半导体上,在它们的交界面就形 成空间电荷区称PN结。
半导体物理异质结解析PPT课件
第13页/共30页
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：
第18页/共30页
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
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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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半导体异质结构讲解课件
Diffusion currents components
Jn = Dn dn/dx Jp = -Dp dp/dx
Drift currents components
Jn = q n mn E
Einstein relation
and Jp = q p mp E
Law of the Junction II. Mass Action Law
Shockley equation for the diode i-v characteristic
Summary
PN junction
Junction Capacitance I
Junction Capacitance II
Capacitance
Model
9.1 半导体异质结及其能带图
高势垒尖峰
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 qV Dp2 J J n J p q n10 p20 exp 1 L kT L p2 n1
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
用分离变量法求解
2
( x, y, z ) ( x, y)u ( z )
h * x, y Exy x, y 2 2 2m x y
2 2 2
h u( z) * V ( z )u ( z ) Ez u ( z ) 2 2m z
正向偏压时
qV2 qV J exp exp kT kT
9.3 半导体异质结量子阱结构及 其电子能态与特性
Jn = Dn dn/dx Jp = -Dp dp/dx
Drift currents components
Jn = q n mn E
Einstein relation
and Jp = q p mp E
Law of the Junction II. Mass Action Law
Shockley equation for the diode i-v characteristic
Summary
PN junction
Junction Capacitance I
Junction Capacitance II
Capacitance
Model
9.1 半导体异质结及其能带图
高势垒尖峰
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 qV Dp2 J J n J p q n10 p20 exp 1 L kT L p2 n1
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
用分离变量法求解
2
( x, y, z ) ( x, y)u ( z )
h * x, y Exy x, y 2 2 2m x y
2 2 2
h u( z) * V ( z )u ( z ) Ez u ( z ) 2 2m z
正向偏压时
qV2 qV J exp exp kT kT
9.3 半导体异质结量子阱结构及 其电子能态与特性
半导体器件半导体工艺掺杂PPT
离子注入系统
束流扫描终端靶室
离化反应室
离子注入系统
离子束与晶圆作用： 1、晶圆电荷积累。利用电子枪提供电子 2、晶体损伤。高温处理
投影射程
离子注入区杂质浓度：
1、薄层二氧化硅 2、 3o - 7o 3、表面不定型层
离子注入系统
离子注入源：气态（气瓶）或固态源 常用气体：AsH3、PH3、BF3
离化反应室：将掺杂物原子离化，低压 （10－3托）电子与杂质源碰撞。
1标准大气压 = 101 325 帕斯卡 1 托（Torr）=133.322帕（Pa）
BF3： B+ BF+ BF+2 BF3 F+ F+2 等
沾污
扩散源
2、气态源 氢化物 AsH3 B2H6
优势： 精确控制 洁净度好 缺点： 管路中容易形成 二氧化硅粉尘
扩散源
3、固态源 最原始 氧化物
近邻源
匙 远程固态源
旋转涂覆源
2、推进氧化drive-in-oxidation
原子数量恒定不变
杂质分布改变
施主
氧化的影响
受主
离子注入
（1）热扩散的限制 （2）离子注入优点
菲克第一定律
j D N N ( x, t ) j D x
N ( x, t ) N ( x, t ) D 2 t x
2
菲克第二定律
扩散方程：
淀积工艺受控制或约束的因素
2、杂质的最大固溶度
误差函数
扩散源
1、液态源 氯化物 溴化物（BBr3，POCl3）
加热
反应气体 4BBr3+3O22B2O3+6Br2
离子注入系统
《半导体器件》课件
总结词
高效转换，环保节能
详细描述
在新能源系统中，半导体器件用于实现高效能量转换和 环保节能。例如，太阳能电池板中的硅基太阳能电池可 以将太阳能转换为电能，而LED灯中的发光二极管则可 以将电能转换为光能。
THANKS
感谢观看
总结词
制造工艺复杂
详细描述
集成电路的制造工艺非常复杂，需要经过多个步骤和工艺 流程。制造过程中需要精确控制材料的物理和化学性质， 以确保器件的性能和可靠性。
总结词
具有小型化、高性能、低功耗等特点
详细描述
集成电路具有小型化、高性能、低功耗等特点，使得电子 设备更加轻便、高效和节能。同时，集成电路的出现也推 动了电子产业的发展和进步。
总结词
由半导体材料制成
详细描述
双极晶体管通常由半导体材料制成，如硅或锗。这些材料 在晶体管内部形成PN结，是实现放大和开关功能的关键 结构。
总结词
正向导通，反向截止
详细描述
在正向偏置条件下，双极晶体管呈现低阻抗，电流可以顺 畅地通过。在反向偏置条件下，双极晶体管呈现高阻抗， 电流被截止。
场效应晶体管
05
CATALOGUE
半导体器件的应用
电子设备中的半导体器件
总结词
广泛使用，基础元件
详细描述
在电子设备中，半导体器件是最基本的元件 之一，用于实现信号放大、传输和处理等功 能。例如，二极管、晶体管和集成电路等是 电子设备中不可或缺的元件。
通信系统中的半导体器件
总结词
高速传输，信号处理
详细描述
在通信系统中，半导体器件用于信号的高速 传输和处理。例如，激光二极管用于光纤通
总结词
通过电场控制电流的电子器件
半导体异质结中二维电子气与调制掺杂器件(2)
1 范德堡方法(van der Pauw)
样品制备：
欧姆接触
欧姆接触
semiconductor
B=∇× A
ijk
=∂
∂
∂x ∂y
Ax Ay
B =(0 0
∂ ∂z
Az
B)
取 A =(0
Bx 0)
ijk
∇×
A
=
∂ ∂x
∂ ∂y
∂ ∂z
=
B
0 Bx 0
Ay
当磁场垂直表面有A=(0,Bx,0) 2m1*[(p)y+qcBx)2+p2x+p2z+V(z)]ψ(x,y,z)=Eψ(x,y,z) (5.32) {2m1*[-∂ ∂ x2 +(i1∂ ∂ y+hqcBx)2-∂ ∂ z2]+V(z)}ψ(x,y,z)=Eψ(x,y,z) (5.33) 它的解具有下列形式：
5.3.3 二维电子气的散射机构
影响A1GaN/GaN 异质结构中载流子 迁移率的散射机制 主要包括: ➢电离杂质散射， ➢晶格振动散射. ➢界面粗糙度散射， ➢合金无序散射.
(a) 电离杂质散射
v
电离 施主 散射
V’
v
电离 受主 散射
V’
电离杂质散射示意图
(b)晶格振动散射
晶格振动扰乱了晶体势场的周期性，产生了附加势。附加场和 电子的相互作用使电子由某一个本征态跃迁到另一个本征态而 形成了散射。晶格振动散射就是电子和声子的相互作用。 如果构成异质结的两种材料的介电常数、态密度和晶格常数相 近，声子不受层状结构的影响，仍可看成是三维的。
c e B /m * c
(5 .3 8 )
在磁场中的二维电子气系统，在垂直表面和平行 表面的方向都是量子化的。
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着磁阻振荡。在垂直于反型层的z方向电子是量子化的。 既Si-MOS 反型层是一个准二维电子气系统。 ➢ 二维电子气是指在空间z方向电子被限制在一个薄层内 的系统。 ➢ 二维电子气散射几率比3-DEG的小得多，有效迁移率 将较高。
基于低维半导体材料的量子器件的特性
低维半导体材料是一种人工设计、制造的新型半导体材料, 是新一代量子器件的基础。
(d)
Relative intensity Eg + kBT
1 (2.5-3)kBT
Relative intensity 1
h
0
h h h
Eg
h 0
(a) Energy band diagram with possible recombination paths. (b) Energy distribution of electrons in the CB and holes in the VB. The highest electron concentration is (1/2k)BT above Ec . (c) The relative light intensity as a function of photon energy based on (b). (d) Relative intensity as a function of wavelength in the output spectrum based on (b) and (c).
(5. 9)
g c ( E ) 4 V ( 2 m h n * 3 ) 3 /2 ( E E c ) 1 /2
( 5 .1 0 )
同理，可推得价带顶状态密度：
EE 2k2 v 2m*p
(5.11)
g v (E ) 4 V (2 m h * p 3 ) 3 /2(E v E ) 1 /2
( 5 .1 2 )
(5 .7 )
Z向处在一维势阱 中具有量子化的
束缚态
z方向：量子化， xy 平面：连续，总能量：连续
5.2.2 二维电子气的状态密度
载流子的统计分布
1电子的热激发。 2 载流子的复合。 3 二者达到平衡。 4 导电性依赖于温度 -------载流子浓度随温度的变化造成的。 5 要探求导电性随温度的规律。
5.2 方形势阱中粒子运动的特性
5.2.1 方形沟道势阱中的粒子。
无限深势阱 有限深势阱 势阱的构造 二维：量子阱 一维：量子线 零维：量子点
宽带 窄带 宽带
[
2
2m
2
V
(
z
)]
(
x,
y,
z
)
E
(
x,
y,
z
)
(5.1)
(x, y, z) (x, y)(z)
(5.2)
[
பைடு நூலகம்
2
2m
2 z2
V
(
z)]
状态密度gC（E）和gV（E）与能量E有抛物线关系，还与有 效质量有关，有效质量大的能带中的状态密度大。
(a)
E
(b)
Electrons in CB
CB
2kBT
Ec
1/2kBT
Eg
1 23
Ev
VB
Holes in VB
Carrier concentration per unit energy
(c)
• 基于它的纳米电子学器件和电路具有超高速、超高频 ( 1000GHz )、高集成度 ( 1010元器件/cm2 ) 和高效、低功耗 等特点。
• 基于它的光电子器件，如量子点激光器等，则有 极低的阈 值电流 ( 亚微安 ) 、极高的量子效率、极高的调制速度、极窄 的线宽和高的特征温度等。
• 这些特性在未来的纳米电子学、光电子学、光子学和新一 代 VLSI 以及光电集成、光集成等方面有著极其重要的应用前 景, 可能触发新的技术革命, 并将成为本世纪高新技术产业的重 要支拄之一。
1. High Mobility Due to Suppression of Ionized Impurity Scattering: 2. Superior Low Temperature Performance: 3. Use of Superior Materials in the Channel: 4. High Sheet Charge Density:
新的物理效应的出现 库仑阻塞，量子限域效应 量子相干、量子纠缠 • 出路：要有概念上的突破：寻找新体系，运用新现象
5.1.2 几种获得二维电子气的方法
（1）利用反型层获得二维电子气
（2）利用异质结界面获得二维电子气。
-
（3）利用超晶格结构获得二维电子气
1 量子力学中的量子阱 2 半导体器件中的量子阱结构 3 有效质量
(
z)
Ez
(
z)
(5.3)
(x, y) Aexp(ikxx iky y)
(5.4)
[
2
2m
(k
2 x
k
2 y
)
(
x,
y)
E
(
x,
y
)
(
x,
y
)
(5.5)
Ez
En
2 2 2mL2z
n2
n 1,2,3,
(5.6)
沟 道 中 运 动 电 子 的 总 能 量 为 ： Xm、*y自平由面运内动以 EE nE (x,y)2m 2 L 2 2 zn22m 2(kx 2ky 2)
问题？
二维电子气 HEMT 二维电子气系统的态密度 三角势阱的能级特点 量子极限
第五章 半导体异质结中的 二维电子气及调制掺杂器件
5.1 二维电子气简介 5.2 方形势阱中粒子的运动特性 5.3 异质结量子势阱中的二维电子气
5.1 二维电子气简介
5.1.1低维物理及其应用
➢ 一维和二维物理又称为低维物理。 ➢ 物理上的研究价值和强烈的应用背景。 ➢ 制作技术主要采用MBE和MOCVD。 ➢ 1966 由Fowler等人首先提出。Si-MOS 反型层存在
半导体的基本性质敏感地依赖温度
1 允许的量子态按能量如何分布。 2 电子在允许的量子态中如何分布。
导带和价带中有很多能级： 相邻能级间隔：10-22eV
状态密度
E-E+dE 内有dZ个量子态
g(E)dZ dE
(5.8)
对体材料（三维）
球形等能面导带底状态密度(假设导带底在k=0处)
E(k)Ech 22 m kn * 2
5.1.3 二维电子气的应用
FET 原理
➢HEMT是一种异质结场效应晶体管（HFET），又称为调制 掺杂场效应晶体管（MODFET。这种器件及其集成电路都能 够工作于超高频（毫米波）、超高速领域，原因就在于它采用 了异质结及其中的具有很高迁移率的所谓二维电子气来工作的。 ➢势阱中的电子即为高迁移率的二维电子气（2-DEG），因为 电子在势阱中不遭受电离杂质散射，则迁移率很高。 ➢这种2-DEG不仅迁移率很高，而且在极低温度下也不“冻结， 有很好的低温性能, 可用于低温研究工作 (如分数量子Hall效应) 中。 ➢异质结界面附近的另一层很薄的本征层（i-AlGaAs），是用 于避免势阱中2-DEG受到n-AlGaAs中电离杂质中心的影响， 以进一步提高迁移率。
基于低维半导体材料的量子器件的特性
低维半导体材料是一种人工设计、制造的新型半导体材料, 是新一代量子器件的基础。
(d)
Relative intensity Eg + kBT
1 (2.5-3)kBT
Relative intensity 1
h
0
h h h
Eg
h 0
(a) Energy band diagram with possible recombination paths. (b) Energy distribution of electrons in the CB and holes in the VB. The highest electron concentration is (1/2k)BT above Ec . (c) The relative light intensity as a function of photon energy based on (b). (d) Relative intensity as a function of wavelength in the output spectrum based on (b) and (c).
(5. 9)
g c ( E ) 4 V ( 2 m h n * 3 ) 3 /2 ( E E c ) 1 /2
( 5 .1 0 )
同理，可推得价带顶状态密度：
EE 2k2 v 2m*p
(5.11)
g v (E ) 4 V (2 m h * p 3 ) 3 /2(E v E ) 1 /2
( 5 .1 2 )
(5 .7 )
Z向处在一维势阱 中具有量子化的
束缚态
z方向：量子化， xy 平面：连续，总能量：连续
5.2.2 二维电子气的状态密度
载流子的统计分布
1电子的热激发。 2 载流子的复合。 3 二者达到平衡。 4 导电性依赖于温度 -------载流子浓度随温度的变化造成的。 5 要探求导电性随温度的规律。
5.2 方形势阱中粒子运动的特性
5.2.1 方形沟道势阱中的粒子。
无限深势阱 有限深势阱 势阱的构造 二维：量子阱 一维：量子线 零维：量子点
宽带 窄带 宽带
[
2
2m
2
V
(
z
)]
(
x,
y,
z
)
E
(
x,
y,
z
)
(5.1)
(x, y, z) (x, y)(z)
(5.2)
[
பைடு நூலகம்
2
2m
2 z2
V
(
z)]
状态密度gC（E）和gV（E）与能量E有抛物线关系，还与有 效质量有关，有效质量大的能带中的状态密度大。
(a)
E
(b)
Electrons in CB
CB
2kBT
Ec
1/2kBT
Eg
1 23
Ev
VB
Holes in VB
Carrier concentration per unit energy
(c)
• 基于它的纳米电子学器件和电路具有超高速、超高频 ( 1000GHz )、高集成度 ( 1010元器件/cm2 ) 和高效、低功耗 等特点。
• 基于它的光电子器件，如量子点激光器等，则有 极低的阈 值电流 ( 亚微安 ) 、极高的量子效率、极高的调制速度、极窄 的线宽和高的特征温度等。
• 这些特性在未来的纳米电子学、光电子学、光子学和新一 代 VLSI 以及光电集成、光集成等方面有著极其重要的应用前 景, 可能触发新的技术革命, 并将成为本世纪高新技术产业的重 要支拄之一。
1. High Mobility Due to Suppression of Ionized Impurity Scattering: 2. Superior Low Temperature Performance: 3. Use of Superior Materials in the Channel: 4. High Sheet Charge Density:
新的物理效应的出现 库仑阻塞，量子限域效应 量子相干、量子纠缠 • 出路：要有概念上的突破：寻找新体系，运用新现象
5.1.2 几种获得二维电子气的方法
（1）利用反型层获得二维电子气
（2）利用异质结界面获得二维电子气。
-
（3）利用超晶格结构获得二维电子气
1 量子力学中的量子阱 2 半导体器件中的量子阱结构 3 有效质量
(
z)
Ez
(
z)
(5.3)
(x, y) Aexp(ikxx iky y)
(5.4)
[
2
2m
(k
2 x
k
2 y
)
(
x,
y)
E
(
x,
y
)
(
x,
y
)
(5.5)
Ez
En
2 2 2mL2z
n2
n 1,2,3,
(5.6)
沟 道 中 运 动 电 子 的 总 能 量 为 ： Xm、*y自平由面运内动以 EE nE (x,y)2m 2 L 2 2 zn22m 2(kx 2ky 2)
问题？
二维电子气 HEMT 二维电子气系统的态密度 三角势阱的能级特点 量子极限
第五章 半导体异质结中的 二维电子气及调制掺杂器件
5.1 二维电子气简介 5.2 方形势阱中粒子的运动特性 5.3 异质结量子势阱中的二维电子气
5.1 二维电子气简介
5.1.1低维物理及其应用
➢ 一维和二维物理又称为低维物理。 ➢ 物理上的研究价值和强烈的应用背景。 ➢ 制作技术主要采用MBE和MOCVD。 ➢ 1966 由Fowler等人首先提出。Si-MOS 反型层存在
半导体的基本性质敏感地依赖温度
1 允许的量子态按能量如何分布。 2 电子在允许的量子态中如何分布。
导带和价带中有很多能级： 相邻能级间隔：10-22eV
状态密度
E-E+dE 内有dZ个量子态
g(E)dZ dE
(5.8)
对体材料（三维）
球形等能面导带底状态密度(假设导带底在k=0处)
E(k)Ech 22 m kn * 2
5.1.3 二维电子气的应用
FET 原理
➢HEMT是一种异质结场效应晶体管（HFET），又称为调制 掺杂场效应晶体管（MODFET。这种器件及其集成电路都能 够工作于超高频（毫米波）、超高速领域，原因就在于它采用 了异质结及其中的具有很高迁移率的所谓二维电子气来工作的。 ➢势阱中的电子即为高迁移率的二维电子气（2-DEG），因为 电子在势阱中不遭受电离杂质散射，则迁移率很高。 ➢这种2-DEG不仅迁移率很高，而且在极低温度下也不“冻结， 有很好的低温性能, 可用于低温研究工作 (如分数量子Hall效应) 中。 ➢异质结界面附近的另一层很薄的本征层（i-AlGaAs），是用 于避免势阱中2-DEG受到n-AlGaAs中电离杂质中心的影响， 以进一步提高迁移率。