2015第4次课第三章异质结的能带图2解析
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异质结的能带图剖析PPT课件
(4.17)
4.1.3 隧穿机制
J Js (T)exp(AV )
隧道电流表现出来的特点是lnJ-V 的曲线斜率和温度无关。
(4.18)
Lg(J)
T1 T2 T3
V 第22页/共34页
4.2 异质结的注入比
电子面临的势垒下降：VD-EC
空穴面临的势垒上4升. 2: V异D+质E结v 的 注 入 比
第8页/共34页
4.1突变异质结的伏安特性
ΔEC
(a) 低尖峰势垒 由n区扩散向结处的电子流可以 通过发射机制越过尖峰势垒进入 p区.因此异质pn 结的电流主要有 扩散机制决定-扩散模型.
qVD1 ΔEV
qVD2
( b) 高尖峰势垒
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
qVD2
qV k0T
)
1]exp(
x1 Ln1
)
exp(
x Ln1
)
电子扩散电流密度
Jn qD | [exp( ) 1] d[n1(x)n10 ]
qDn1n10
qV
n1
dx
x x1 第1L5n页1 /共34页 k0T
(4.5)
p2从0 p型区p1价0 带ex底p到(n型(q区VDk价0T带E底v )的势垒高度(为4.6)
式中D为常数。 同质结：Eg=0，r=D。 异质结：r 随着Eg呈指数上升。 例如了E，七g=在十0.p3四-3Ge万VaA，倍s/结。N果在-A注同l0.3入样Ga比的0.7r正A高s向异达电质7.4压结×下中10，，5，可它因以们而获的注得入更比高提的高
注入电子浓度。
对于晶体管和半导体激光器等器件来说, “注人比” 是个很重要的物理量, 它决定晶体管的放大倍数 、激光器的注人效率和阐值电流密度, 因为总电流中 只有注人到基区或有源区中的少数载流子, 才对器件的 功能发挥真正的作用所以, 用异质结宽带隙材料作发射 极, 效率会很高, 这是异质结的特性之一
异质结
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
Space charge region
Vo
(f)
x
nno ni
npo
(c)
PE(x) eVo Hole PE(x)
pno
ρnet
x=0 M x
x Electron PE(x)
(g)
eNd
W 杴p Wn
x
(d)
eV 杴o
-eNa
Properties of the junction. pn
§2.3 半导体异质结
由两种性质带隙宽度不同的半导体材料通过一定的生长方法所形成一突变异质结pn1pn结的形成与能带图窄带隙的p型半导体与宽带隙的n型半导体生长一起时界面处出现了载流子的浓度差于是n中的电子向p中扩散相反p中的空穴也会向n中扩散在界面形成空间电荷内建电场e扩散迁移23半导体异质结1960年anderson用能带论分析了pn结的形成与有关问题直观而深刻并得到一些十分有用的结论称为anderson模型
3、载流子的输运 Anderson模型：零偏压时，由N向p越过势垒VDN的电子流应与从p到 N越过势垒∆Ec-VDp的电子流相等，即
∆E − eVDp eV = B2 exp − DN B1 exp − c k T k BT B D N D N B1 = e ⋅ n 2 10 , B2 = e ⋅ n1 20 Ln 2 Ln1 Ln1 = Dn1τ e1 , Ln 2 = Dn 2τ e 2
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
2015第4次课 第三章 异质结的能带图(2)解析
1制样:在GaAs衬底上生长出一层厚度约为数十埃的AlAs层. 2测量:用已知波长的x光照射样品,分别由GaAs层和AlAs层中激 发出光电子,测量光电子的能量求出Ga3d和Al2p态电子的束缚能 ; 3由公式(3.2.7)式求出DEv.
2
1
2
X光光电子发射谱方法是 一种比较准确的测量能带不连续的方 法，准确度可达到0.02电子伏，它带有基本物理测量的性质。
h3
1 C2
2( 1 N A1 2 N D 2 ) q1 2 N A1 N D 2
(VD V )
C-2
-
p n
+ 0 VD V
Ec qVD 2 (Eg1 1 )
(3.33)
3.2.3 耗尽层法测 band offset
同型异质结
Ec 1 qVD1 qVD 2 2 Ec qVD 2 1
按入射光分类:
X射线: X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), electron spectroscopy for chemical analysis (ESCA).(1-2keV) ( core level electron) 紫外光: Ultravialet photoelectron spectroscopy (UPS) (<50eV) (from valence band)
测量原理
测量装置示意图
Energy Levels
Vacumm Level Ø, which is the work function
Fermi Level
BE
At absolute 0 Kelvin the electrons fill from the lowest energy states up. When the electrons occupy up to this level the neutral solid is in its “ground state.”
2015第4次课 第三章 异质结的能带图(2)
Three types of samples were grown on Si111 substrates for PES measurements: 1 InN/AlN heterojunctions 2 nm/100 nm in thicknesses, 2 650-nm-thick InN epilayers, 3 130-nm-thick AlN epilayers.
EcGaAs
EvGaAs
GaAs EGa 3d
Ec
EcAlAs
EF
Ev
EvAlAs
E B
AlAs E Al 2p
GaAs GaAs AlAs AlAs EV EB (EV EGa ) ( E E 3d V Al 2 P ) (3.32)
• △EB是GaAs和AlAs中的Ga3d和Al2p芯电子的束缚 能之差,可以用光电子谱测出,
+ （E cl） InN/AlN. 17.04 57.56 71.50 3.10eV
3.2.2 C-V 截距法测 band offset
对于一个突变异质p-n结，内建势可以通 过C-V测量求出，进而求出导带带阶
异型异质结
Ec qVD 2 2 ( Eg1 qVD1 1 ) q(VD 2 VD1 ) 2 ( Eg1 1 ) Ec qVD 2 ( Eg1 1 ) (3.33)
耗尽层近似方法
C
dQ qAN (W ) dW (3.40) dV dV dC ( A dW ), dW A dC dV dV C 2 dV W 2 dV
C A W
(3.41)
C qAN (W ) dW dV (3.42) (3.43)
《半导体光电子学课件》下集2.1异质结及其能带图
将异质结泡在溶液中，在合适的条件下生长形成异质结材料。
异质结效应
拉克特效应
异质结的巨拉克特效应提供了 高灵敏度和高速度的光电转换。
异பைடு நூலகம்结电阻效应
由于材料性质差异带来的电阻 变化，用于电子器件中的控制 和调节。
热电效应
利用异质结在温度梯度下产生 的热电势差实现能量转换。
异质结失效机制
惯性效应
当异质结材料无法快速响应外界变化时，会产 生失效。
通过施加电场，改变异质结的 材料电位差，形成能带结构的 变化。
外界压力作用下的形 成
外界压力对异质结材料的物理 和结构性质的影响，使能带发 生变化。
掺杂作用下的形成
通过对材料进行掺杂，引入杂 质能级，改变能带结构。
异质结应用
1 光伏电池
异质结是光伏电池的关键构件，转换太阳能 为电能。
2 激光器
异质结的能带结构和电子能级分布是激光器 实现激光输出的基础。
损耗效应
由于能带结构和电子能级的变化，异质结材料 会发生能量损耗。
串扰效应
异质结中的电场和电子状态相互影响，导致器 件性能下降。
失效测试方法
通过对异质结性能的测试和分析，判断异质结 是否失效。
总结
异质结的重要性
异质结在半导体器件中起着重要的作用，广泛应用 于光电子学领域。
展望其未来的应用
随着技术的不断发展，异质结将在能源、通信和信 息等领域有更广泛的应用。
能带结构
能带简介
能带描述了材料中电子的能量分 布情况，直接影响半导体的导电 性能。
能带在异质结中的分布
异质结中的能带分布受到材料性 质差异的影响，形成能带弯曲或 偏移。
常见异质结的能带图
2015第3次课第三章异质结的能带图详解
电子亲和势：电子由导带底跃迁到真空能级所需 的能量，=E0-Ec
f
Ec
Ef Ev
let f be the work function, which is the energy difference between the vacuum level and the Fermi level.
功函数f：电子由费米能级至自 由空间所需的能量，f=E0-F
GaAsSb InGaAs
根据半导体物理理论，这种分离效 应可以有效抑制材料载流子的俄歇 复合。任何光子探测器，随着温度 的升高，最终的效率极限都将是材 料中载流子的俄歇复合。目前最好 的红外探测器材料碲镉汞的最终性 能极限就是载流子的俄歇复合，如 果禁带错位型类超晶格结构如预期 的那样能将电子、空穴物理分离， 实现对俄歇复合的有效抑制。
它等于两种材料的费米能级差：
qVD qVD1 qVD 2 E f 2 E f 1 （3.4)
如何画接触后的异质结能带图 接触前
EC EF2
接触后
EC EF2
Eg1
EF1
Eg2
Eg1
EF1
Eg2
1. Align the Fermi level with the two semiconductor bands separated. Leave space for the transition region.
x1
x2
EC2
Ec1
DEc
Eg1
DEC 1 2 (3.1)
Ev1
DEv
DEv ( Eg 2 Eg1 ) ( 1 2 ) (3.2) DEv DEc ( Eg 2 Eg1 ) (3.3)
Ev2
第三章 异质结能带图
第二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
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
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
异质结
(6)当两种半导体材料相同时，ε1= ε2, 以上将简化成同质p-n结的情况。
2. 理想n-n同型异质结（设宽带隙材料具有较小的功函数）
理想n-n同型异质结能带图
(7)
3. 理想 p-n异质结（窄带隙的p型和宽带隙的n型）
理想p-n异质结能带图
(8)
4. 理想p-p异质结
理想p-p异质结能带图
电势能，随着离开金属 表面的距离增加，按照q|E|x降低。 4) 若考虑到真空中电子在 金属表面感生的正电
荷，有镜像力和镜像势
能存在。（如图）
5) 结果，电子的能量由电 场力和镜像力联合作 用，使有效功函数降低。
势能的降低可以求解：
真空中一个电子与金属相距x，在金属表面感生正电荷。⊕
⊕
Ө
-x
0
x
电子与感生电荷之间的吸引力
对给定的半导体， n型+P型衬底的势垒高度之和=带隙。
(21)
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
金属的功函数对表 面沾污非常敏感, 真空中洁净金属表 面的金属功函数如 下图,每一组内功 函数周期性增加和 减小.
16 πε o x
电场
eV
(31)
两个能量的作用出现一个极值，对应势垒降低所在的位置
对总的能量求导，给出 势垒降低所在的位置 ：
xm
=
q
16 πε o Ε
cm
势垒降低与
肖特基势垒降低量 : Δ φ =
qΕ
4 πε o
= 2Εxm
外加电场有 关。
E = 10 5 E = 10 7
(完整版)如何分析能带图及第一性原理的计算
分析能带图能带结构是目前采用第一性原理（从头abinitio）计算所得到的常用信息，可用来结合解释金属、半导体和绝缘体的区别。
能带可分为价带、禁带和导带三部分，倒带和价带之间的空隙称为能隙，基本概念如图所示：如何能隙很小或为0 ，则固体为金属材料，在室温下电子很容易获得能量而跳跃至传倒带而导电；而绝缘材料则因为能隙很大（通常大于9电子伏特），电子很难跳跃至传导带，所以无法导电。
一般半导体材料的能隙约为1至3电子伏特，介于导体和绝缘体之间。
因此只要给予适当条件的能量激发，或是改变其能隙之间距，此材料距能导电。
能带用来定性地阐明了晶体中电子运动的普遍特点。
价带（valence band），或称价电带，通常指绝对零度时，固体材料里电子的最高能量。
在导带（conduction band）中，电子的能量范围高于价带，而所有在传导带中的电子均可经由外在的电场加速而形成电流。
对与半导体以及绝缘体而言，价带的上方有一个能隙（band gap），能隙上方的能带则是传导带，电子进入传导带后才能在固体材料内自由移动，形成电流。
对金属而言，则没有能隙介于价带与传导带之间，因此价带是特指半导体与绝缘体的状况。
费米能级（fermi level）是绝对零度下的最高能级。
根据泡利不相容原理，一个量子态不能容纳两个或两个以上的费米子（电子），所以在绝度零度下，电子将从低到高依次填充各能级，除最高能级外均被填满，形成电子态的“费米海”。
“费米海”中每个电子的平均能量为（绝对零度下）为费米能级的3/5。
海平面即是费米能级。
一般来说，费米能级对应态密度为0的地方，但对于绝缘体而言，费米能级就位于价带顶。
成为优良电子导体的先决条件是费米能级与一个或更多的能带相交。
能量色散（dispersion of energy）。
同一个能带内之所以会有不同能量的量子态，原因是能带的电子具有不同波向量（wave vector），或是k-向量。
在量子力学中，k-向量即为粒子的动量，不同的材料会有不同的能量-动量关系（E-K relationship）。
如何读懂能带图可编辑全文
• 为了控制半导体少数载流子的寿命，有时（例如在高速开关器件中）需要有意掺入 起复合中心作用的杂质；一般用作为复合中心的杂质都是重金属元素，使用最多的 Au和Pt。
间接跃迁过程
为了控制半导体少数 载流子的寿命，有时 （例如在高速开关器 件中）需要有意掺入 起复合中心作用的杂 质；一般用作为复合 中心的杂质都是重金 属元素，使用最多的 Au和Pt。
载流子的产生/复合过程
直接跃迁
伴随着光子辐射/吸收的直接跃迁 （无光子的）俄歇（Auger）跃迁：三粒子过程
间接跃迁
伴随着声子发射/吸收的间接跃迁 俄歇（Auger）跃迁：三粒子过程
直接跃迁过程
复合中心和陷阱能级
• 复合中心是半导体中的一种深能级杂质或缺陷所产生的一种特殊束缚状态。复合中 心的能级是处在禁带中较深的位置（即靠近禁带中央），故复合中心杂质往往又称 为深能级杂质。产生复合中心的深能级杂质是与所取代的基体原子具有同价电子数 目而电负性不同的一类杂质。
5.6eV
Ec Ef
Ev
1.PN结正偏还是反偏？请计算偏转电压。 2.请计算PN结的内建电势。 3.P区和N区的掺杂比例为4:1，请分别计算出耗尽层中P区和N区的电压。
Ec
Ef Ev 5eV
此时PN结处于非平衡状态，不再具有统一的费米能级，产生了电子和空穴的准费米能级。 正向偏压使得势垒高度减小，载流子的扩散运动大于漂移运动。当载流子注入到对方区域 后边扩散边复合产生一定的浓度梯度，形成稳态分布。表现出多数载流子的积累。
反偏PN结
加入反向偏压使得势垒高度增加，扩散运动大于漂移运动表现出少数载流子的抽取。
Ec (x) 常数 - qV (x)
PN结的能带图
qVbi 在平衡态下PN结有统一的费米能级Ef，由于载流子的 漂移和扩散过程保持平衡，所以在空间电荷区产生 了一个内建电势Vb使得能带发生弯曲。 内建电势由掺杂浓度Na和Nb决定，Na和Nb越大，Vbi 越大。硅PN结Vbi的典型值为0.9V.
第三章 异质结能带图
（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
J B exp(
qVD 2 qV2 qV1 ) exp( ) exp( ) kT kT kT
B qN A2 (
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(
（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
Eg2
当正向偏压使能带图中的 负尖峰势垒（对空穴而言） 即q(VD1-V1)<ΔEV时，相应 的伏安特性关系式为： Eg1 qVD1 ΔEV qVD2
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
正向偏压的方向由材料2指向材料1
（4）第四种情况
1 2 ,1 2 , 1 Eg1 2 Eg 2
qVD1 Eg1
ΔEC
qVD2
Eg2
第四种情况能带图的伏安特性关系式与第一种 情况qVD1<ΔEC能带图的伏安特性关系式相同
异质结
金属-半导体接触的能带图
间隙为零 ΔÆ0
qφBn0达到极限 空间电荷区W
qVbi半导体内 建势
对n型半导体，势垒高度的 极限值为金属功函数和半导
qφ Bn = q (φ m − χ )
体电子亲合势之差：
对P型半导体，势垒高度的 q φ Bp = E g − q (φ m − χ )
极限值: 肖特基模型
假设导带中电子能量全部为动能假设导带中电子能量全部为动能电流由能量足以克服势垒的电子浓度和它在电流由能量足以克服势垒的电子浓度和它在xx方向的运动速度给出方向的运动速度给出42设输运沿设输运沿xx方向积分范围方向积分范围零偏压下的内建势零偏压下的内建势为克服势垒在为克服势垒在输运方向需要输运方向需要的最低速度的最低速度这是速度在这是速度在之间分布在所有方向上的单位体积中的电子数之间分布在所有方向上的单位体积中的电子数x方向速度对应的动方向速度对应的动能必须大于势垒高度能必须大于势垒高度其中其中为速率若考虑到不同运动方向可用三个速度分量来表示并且为速率若考虑到不同运动方向可用三个速度分量来表示并且ktqvktktqvkt势垒高度势垒高度bibi热电子发射的有效里查孙常数热电子发射的有效里查孙常数电子向真空发电子向真空发a中将自由电子质量用有效质中将自由电子质量用有效质量来代替量来代替
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
EF EFS0
若表面态密度Æ∞，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 内EF下降与EFS平齐，造成 能带弯曲，形成空间电荷区。
在表面态密度很大时， EFS~EFS0, 费米能级定扎。
3。考虑界面复合
在异质结的制备和处理过程中，必然会有悬键存在，还存在各种缺陷 态，这些都可能构成禁带中的界面态，有界面复合电流存在。
异质结原理知识讲解
1998 德国TEMIC 工业化的SiGeHBT 工艺。
IBM(Blue Logic BiCMOS 5HP工艺（SiGeHBT和
3.3V0.5umCMOS结合。
27
The Booming of Wireless and Broadband World from Y2K
Why using SiGeC i.s.o. SiGe?
总电流与外加偏压呈指数变化关系16ktqvktqvktqvktqxnexpexpexpktqvktqvktqvexpexpexp扩散模型17发射区基区es18srnebrsrtrfrsrvrbrne19brsrbrneisr20要求不同材料晶格常数应尽量接近减少在界面处产生的位错缺陷导致的载流子复合要获得高增益发射区与基区的材料组合要有大的ev异质结材料的热膨胀系数的一致性材料的禁带宽度之差导带和价带的断续量材料迁移率
29
SiGeHBT特点
Si Ge有 具有异质结结构 在工艺上与 Si器件相容 具有Si器件的“低成本”, 具有异质结结构的“高性能”。 很多人认为 Si Ge不仅可以在高频领域战 胜 Si,而且可以在低成本方面战胜 GaAs
30
SiGe/Si异质结特点
Si/ Si Ge异质结结构特性可以大大提高晶 格匹配，载流子的迁移率、载流子的饱 和速度以及二维载流子气浓度 ,所以 Si Ge用于SiGeHBT的应用展望：高频、高 速、光电、低温等器件及集成电路大大 提高它们的性能。
L N 1
kT kT
kT
15
突变异质结及Ｉ-Ｖ特性
热电子模型
1
Jqx D 2N 2 k m T 2ex q p kD V 2 Tex qkp aV 2 Tex q p ka V 1 T
2015异质结的能带图详解
典型的能带突变形式
EC1
EC2
EC1
Ev1
Ev1
Ev2
EC1
Ev1 EC2
EC2
Ev2
Ev2
(a)Straddling
跨立型
(b) Staggered (c) Broken gap
错开型
破隙型
AlGaAs GaAs
InGaAs
GaAsSb
GaSb
InAs
AlGaAs
GaAs
电子和空穴在空间分离
(1) p-N异质结
2
不考虑界面态时的能带结构
1
(一）能带图
A 突变反型
f1 x1
Eg1
EF Ev
x2 f2
由电子亲和能、禁 带宽度、导电类型、
DEc
EECF
掺杂浓度决定
Eg2
未组成异质结前的能带图
DEv
1异质结的带隙差等于导带差同价带差之
和。
2导带差是两种材料的电子亲和势之差。
x1
3而价带差等于带隙差减去导带差。
Eg1
EF1
EECF2
Eg2
eVD
Eg1
EC
Eg2
1 能带发生了弯曲：n型半导体 的导带和价带的弯曲量为qVD2, 界面处形成尖峰. p型半导体的导带和价带的弯曲 量为qVD1, 界面处形成凹口(能谷 ）。 2 能带在界面处不连续，有突变 。 Ec , Ev
There is nonsymmetry in DEC and DEv values that will tend to make the potential barriers seen by electrons and holes different. This nonsymmetry does not occur in homejunction
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– heat and oxygen can be used to remove hydrocarbons
? The XPS technique could cause damage to the surface, but it is negligible.
X-Rays and the Electrons
3.2节 异质结的能带偏移
?异质结的形成 ?导带带阶和价带带阶 ?带阶的计算 ?实验确定 ?测量的尺
影响能带偏移的因素： 1.工艺：MBE 2.异质结界面的晶向
极性表面时，界面处存在偶极矩，影响能带偏移 3. IV 和III-V , II-VI 和III-V 时界面处，原子交 换反应．形成原子偶极距．
原理
采用光子作为探针的分析方法 .采用x线或紫外光使放在 超高真空中的固体样品内的电子向外飞出 .通过测量电 子的能量和强度就可以得到物质内固有的电子结合能 .
Sampling depth: 20-100 A
X射线光电子能谱是瑞典Uppsala大学 K.Siegbahn（西格巴恩）及其同事经过近20年 的潜心研究而建立的一种分析方法。 K.Siegbahn给这种谱仪取名为化学分析电子能 谱(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)，简称为“ESCA”，这一称谓仍在 分析领域内广泛使用。
level the neutral solid is in its “ground state.”
Lowest state of energy
Why Does XPS Need UHV?
? Contamination of surface
– XPS is a surface sensitive technique. ? Contaminates will produce an XPS signal and lead to incorrect analysis of the surface of composition.
按入射光分类 :
X射线: X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), electron spectroscopy for chemical analysis (ESCA).(1-2keV) ( core level electron) 紫外光: Ultravialet photoelectron spectroscopy (UPS) (<50eV) (from valence band)
Al： 1S2 2S2 2P6 3S2 3P1
1. 利用差值计算 2. 参考能级能量的尺GaAs cEGaAs v
EGaAs Ga3d
? Ec ? Ev
? EB
测量能带的方法:XPS, C-V,I-V，光学方法
EAlAs c
EF
E AlAs v
E AlAs Al2 p
3.2.1 X射线光电子谱法测能 带带阶
测量原理
测量装置示意图
Energy Levels
Vacumm Level
? , which is the work function
Fermi Level
BE
At absolute 0 Kelvin the electrons fill from the lowest energy states up. When the electrons occupy up to this
EbF ? h? ? ? s ? EKS EbF ? h? ? Ek ? ? A
3.29 3.31
Ek ? EKS ? (? s ? ? A) 3.30
hn:Mg 靶：1253.6eV
Al 靶： 1486.6 eV
FA: 4eV
测出EK 就可求出某一壳层电子的结合能
? 价带能级 ? 导带能级 ? 内层电子能级
可以由XPS测出
E GaAs c
? Ec
E GaAs v
? Ev
E GaAs Ga 3d
? EB
? EV
?
? EB ?
( EVGaAs
?
E GaAs Ga 3d
)
?
(
E AlAs V
?
E AlAs Al 2 P
)
(3.32)
E AlAs c
EF
E AlAs v
E AlAs Al2 p
? △EB是GaAs和AlAs中的Ga3d和Al2p芯电子的束缚 能之差,可以用光电子谱测出 ,
1制样:在GaAs衬底上生长出一层厚度约为数十埃的AlAs层. 2测量:用已知波长的x光照射样品,分别由GaAs层和AlAs层中激 发出光电子,测量光电子的能量求出Ga3d和Al2p态电子的束缚能 ; 3由公式(3.2.7)式求出DEv.
EKS：发射出的光电子的动能
Fs：样品功函数，既克服晶体 场的作用，将电子从费米能 级转移到真空能级所需的能 量
E
v b
h? ? Ebv ? EKS
Ebv ? EbF ? ? s
h? ? EbF ? ? s ? EKS
(3.26) (3.27) (3.28)
Ek：谱仪测量的电子动能
样品架与谱仪相连 接且接地，费米能 级一致。 但样品功函数FS与 分析器材料的功函 数FA不同
? The pressure of the vacuum system is < 10-9 Torr
? Removing contamination
– To remove the contamination the sample surface is bombarded with argon ions (Ar+ = 3KeV).
Electron without collision Electron with collision
X-Ray
The noise signal comes from the electrons that collide with other electrons of different layers. The collisions cause a decrease in energy of the electron and it no longer will contribute to the characteristic energy of the element.
? The XPS technique could cause damage to the surface, but it is negligible.
X-Rays and the Electrons
3.2节 异质结的能带偏移
?异质结的形成 ?导带带阶和价带带阶 ?带阶的计算 ?实验确定 ?测量的尺
影响能带偏移的因素： 1.工艺：MBE 2.异质结界面的晶向
极性表面时，界面处存在偶极矩，影响能带偏移 3. IV 和III-V , II-VI 和III-V 时界面处，原子交 换反应．形成原子偶极距．
原理
采用光子作为探针的分析方法 .采用x线或紫外光使放在 超高真空中的固体样品内的电子向外飞出 .通过测量电 子的能量和强度就可以得到物质内固有的电子结合能 .
Sampling depth: 20-100 A
X射线光电子能谱是瑞典Uppsala大学 K.Siegbahn（西格巴恩）及其同事经过近20年 的潜心研究而建立的一种分析方法。 K.Siegbahn给这种谱仪取名为化学分析电子能 谱(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)，简称为“ESCA”，这一称谓仍在 分析领域内广泛使用。
level the neutral solid is in its “ground state.”
Lowest state of energy
Why Does XPS Need UHV?
? Contamination of surface
– XPS is a surface sensitive technique. ? Contaminates will produce an XPS signal and lead to incorrect analysis of the surface of composition.
按入射光分类 :
X射线: X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), electron spectroscopy for chemical analysis (ESCA).(1-2keV) ( core level electron) 紫外光: Ultravialet photoelectron spectroscopy (UPS) (<50eV) (from valence band)
Al： 1S2 2S2 2P6 3S2 3P1
1. 利用差值计算 2. 参考能级能量的尺GaAs cEGaAs v
EGaAs Ga3d
? Ec ? Ev
? EB
测量能带的方法:XPS, C-V,I-V，光学方法
EAlAs c
EF
E AlAs v
E AlAs Al2 p
3.2.1 X射线光电子谱法测能 带带阶
测量原理
测量装置示意图
Energy Levels
Vacumm Level
? , which is the work function
Fermi Level
BE
At absolute 0 Kelvin the electrons fill from the lowest energy states up. When the electrons occupy up to this
EbF ? h? ? ? s ? EKS EbF ? h? ? Ek ? ? A
3.29 3.31
Ek ? EKS ? (? s ? ? A) 3.30
hn:Mg 靶：1253.6eV
Al 靶： 1486.6 eV
FA: 4eV
测出EK 就可求出某一壳层电子的结合能
? 价带能级 ? 导带能级 ? 内层电子能级
可以由XPS测出
E GaAs c
? Ec
E GaAs v
? Ev
E GaAs Ga 3d
? EB
? EV
?
? EB ?
( EVGaAs
?
E GaAs Ga 3d
)
?
(
E AlAs V
?
E AlAs Al 2 P
)
(3.32)
E AlAs c
EF
E AlAs v
E AlAs Al2 p
? △EB是GaAs和AlAs中的Ga3d和Al2p芯电子的束缚 能之差,可以用光电子谱测出 ,
1制样:在GaAs衬底上生长出一层厚度约为数十埃的AlAs层. 2测量:用已知波长的x光照射样品,分别由GaAs层和AlAs层中激 发出光电子,测量光电子的能量求出Ga3d和Al2p态电子的束缚能 ; 3由公式(3.2.7)式求出DEv.
EKS：发射出的光电子的动能
Fs：样品功函数，既克服晶体 场的作用，将电子从费米能 级转移到真空能级所需的能 量
E
v b
h? ? Ebv ? EKS
Ebv ? EbF ? ? s
h? ? EbF ? ? s ? EKS
(3.26) (3.27) (3.28)
Ek：谱仪测量的电子动能
样品架与谱仪相连 接且接地，费米能 级一致。 但样品功函数FS与 分析器材料的功函 数FA不同
? The pressure of the vacuum system is < 10-9 Torr
? Removing contamination
– To remove the contamination the sample surface is bombarded with argon ions (Ar+ = 3KeV).
Electron without collision Electron with collision
X-Ray
The noise signal comes from the electrons that collide with other electrons of different layers. The collisions cause a decrease in energy of the electron and it no longer will contribute to the characteristic energy of the element.