半导体物理学第九章
《半导体物理学》课程教学大纲
《半导体物理学》课程教案大纲一、课程说明（一）课程名称：《半导体物理学》所属专业：物理学（电子材料和器件工程方向）课程性质：专业课学分：学分（二）课程简介、目标与任务：《半导体物理学》是物理学专业（电子材料和器件工程方向）本科生的一门必修课程。
通过学习本课程，使学生掌握半导体物理学中的基本概念、基本理论和基本规律，培养学生分析和应用半导体各种物理效应解决实际问题的能力，同时为后继课程的学习奠定基础。
本课程的任务是从微观上解释发生在半导体中的宏观物理现象，研究并揭示微观机理；重点学习半导体中的电子状态及载流子的统计分布规律，学习半导体中载流子的输运理论及相关规律；学习载流子在输运过程中所发生的宏观物理现象；学习半导体的基本结构及其表面、界面问题。
（三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接：本课程的先修课程包括热力学与统计物理学、量子力学和固体物理学，学生应掌握这些先修课程中必要的知识。
通过本课程的学习为后继《半导体器件》、《晶体管原理》等课程的学习奠定基础。
（四）教材与主要参考书：［］刘恩科，朱秉升，罗晋生. 半导体物理学（第版）［］. 北京：电子工业出版社. .［］黄昆,谢希德. 半导体物理学［］. 北京：科学出版社. .［］叶良修.半导体物理学（第版）［］. 上册. 北京：高等教育出版社. .［］. . , ( .), , , .二、课程内容与安排第一章半导体中的电子状态第一节半导体的晶格结构和结合性质第二节半导体中的电子状态和能带第三节半导体中电子的运动有效质量第四节本征半导体的导电机构空穴第五节回旋共振第六节硅和锗的能带结构第七节族化合物半导体的能带结构第八节族化合物半导体的能带结构第九节合金的能带第十节宽禁带半导体材料（一）教案方法与学时分配课堂讲授，大约学时。
限于学时，第节可不讲授，学生可自学。
（二）内容及基本要求本章将先修课程《固体物理学》中所学的晶体结构、单电子近似和能带的知识应用到半导体中，要求深入理解并重点掌握半导体中的电子状态（导带、价带、禁带及其宽度）；掌握有效质量、空穴的概念以及硅和砷化镓的能带结构；了解回旋共振实验的目的、意义和原理。
半导体物理与器件习题
半导体物理与器件习题目录半导体物理与器件习题 (1)一、第一章固体晶格结构 (2)二、第二章量子力学初步 (2)三、第三章固体量子理论初步 (2)四、第四章平衡半导体 (3)五、第五章载流子输运现象 (5)六、第六章半导体中的非平衡过剩载流子 (5)七、第七章pn结 (6)八、第八章pn结二极管 (6)九、第九章金属半导体和半导体异质结 (7)十、第十章双极晶体管 (7)十一、第十一章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础 (8)十二、第十二章MOSFET概念的深入 (9)十三、第十三章结型场效应晶体管 (9)一、第一章固体晶格结构1．如图是金刚石结构晶胞，若a 是其晶格常数，则其原子密度是。
2．所有晶体都有的一类缺陷是：原子的热振动，另外晶体中常的缺陷有点缺陷、线缺陷。
3．半导体的电阻率为10-3～109Ωcm。
4．什么是晶体？晶体主要分几类？5．什么是掺杂？常用的掺杂方法有哪些？答：为了改变导电性而向半导体材料中加入杂质的技术称为掺杂。
常用的掺杂方法有扩散和离子注入。
6．什么是替位杂质？什么是填隙杂质？7．什么是晶格？什么是原胞、晶胞？二、第二章量子力学初步1．量子力学的三个基本原理是三个基本原理能量量子化原理、波粒二相性原理、不确定原理。
2．什么是概率密度函数？3．描述原子中的电子的四个量子数是：、、、。
三、第三章固体量子理论初步1．能带的基本概念◼能带（energy band）包括允带和禁带。
◼允带（allowed band）：允许电子能量存在的能量范围。
◼禁带（forbidden band）：不允许电子存在的能量范围。
◼允带又分为空带、满带、导带、价带。
◼空带（empty band）：不被电子占据的允带。
◼满带（filled band）：允带中的能量状态（能级）均被电子占据。
导带：有电子能够参与导电的能带，但半导体材料价电子形成的高能级能带通常称为导带。
价带:由价电子形成的能带，但半导体材料价电子形成的低能级能带通常称为价带。
半导体物理课件-第九章
Ec
d. 反型层：若VG足够高， 使得在表面处的少子电子浓
Ei E fs
度高于了多子空穴的浓度， 则表面处导电类型就发生改
E fM
Ev
变，称为反型层。
多子耗尽，少子积累
（d）反型层（VG＞0）
①开始出现反型层的条件：Ei EF
Ec 而：Ei Ei0 ( e )V ( x )
eVs
Ei 0 Ef
????2102ssascmvenqq??????????????sissaisimgvvendvcqv????????????????02102所以????020210??????gsisaisvvendv????????????????????????????????????????????????21g2is0ai21s0asv4cen2cen221v????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1vden21dven2ddx0vxednx2en0vvvx2envdexndqdqvednbdc1vbc21cbvv21g2isa2i0iis21gas02iisiisdgdi0ia2ds0agis2ds0asi0idai0isci0imiiaisii0i21giigs??????????????????????????????????????????????????????解得即
n0
ni
exp
E f Ei0 kT
p0
ni
exp
Ei0 E f kT
Ei Ei0 (e)V ( x)，则Ei Ei0 eV ( x)
固体与半导体物理-第九章 半导体中的杂质和缺陷能级
• 等电子陷阱俘获载流子后成为带电中心，这一带电中心又 能俘获另一种相反符号的载流子，形成束缚激子。这种束 缚激子在由间接带隙半导体材料制造的发光器件中起主要 作用。
• 填隙式杂质：杂质原子位于格点之间的间隙式位置。填隙 式杂质一般较小。
贵州大学新型光电子材料与技术研究所
贵州大学新型光电子材料与技术研究所
2. 施主杂质和施主能级（以Si、Ge为例） • V族元素（如P）进入到在Si、Ge晶体中时，与近邻原
子形成四个共价键，还有一个多余的电子，同时原子 所在处成为正电中心。 • V族元素取代Si、Ge后，其效果是形成一正电中心和一 多余的电子，多余的电子只需很小的能量即可跃迁至 导带成为自由电子。 • Si、Ge 晶体中的V族杂质能提供多余的电子，因此称 为施主杂质。存在施主杂质的半导体导电时以电子导 电为主，称n型半导体。
• 深能级测量：深能级瞬态谱仪。
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9.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物中的杂质能级
• Ⅲ-Ⅴ族化合物也是典型的半导体，具有闪锌矿型结构，杂质进 入到半导体中，既可以占据正常格点位置成为替位式杂质，也 可以占据格点间的间隙位置成为填隙式杂质。
• 因为Ⅲ-Ⅴ族化合物中有两种不同的原子，因而杂质进入到ⅢⅤ族化合物中情况要复杂得多：杂质替位式杂质既可以取代Ⅲ 族元素的原子，也可以取代Ⅴ族元素的原子。同样，填隙式杂 质如果进入到四面体间隙位置，其周围既可以是四个Ⅲ族元素 原子，也可以是四个Ⅴ族元素原子。
• 只有当掺入原子与基质晶体原子在电负性、共价半径方面 具有较大差别时，才能形成等电子陷阱。
贵州大学新型光电子材料与技术研究所
• 同族元素原子序数越小，电负性越大，共价半径越小。
半导体物理第九章--半导体的光学性质
用透射法测定光在媒质（半导体） 中的衰减时发现, 光的衰减与光 强成正比, 若引入正比例系数α （光吸收系数）
dI I x
dx
光强在半导体媒质中的衰减规律
I x I0 expx
I0表示在表面（x=0）处入射光的强度 α的物理意义: 光入射导半导体内被吸收，使光强减小到原值 的1/e时，光波在半导体中所传播的距离即是吸收系数的倒数
本征吸收
0 :引起本征吸收的最低频率限；
cm1 100
0：本征吸收长波限
75
50
0
hc Eg
1.24eV Eg (eV )
[m]
25
0 4 8 12 16 μm
InSb的吸收谱
9.1 半导体的光吸收 9.1.2 本征吸收
3.光吸收时半导体中电子的跃迁要求
——能量守恒, 准动量守
恒。
很小
能量守恒和动量守恒E h h a E'
d2
vd
n E
n
V d
9.2 半导体的光电导 9.2.3 复合中心和陷阱对光电导的影响
高阻光电材料中典型 的复合中心对光电导 的影响:这样的材料对 光电导起决定作用的 是非平衡多数载流子, 因为非平衡少数载流 子被陷在复合中心上, 等待与多数载流子的 复合。
9.2 半导体的光电导 9.2.3 复合中心和陷阱对光电导的影响
定光照下，定态光电导Δσs（对应Δns）越大，其 光电导灵敏度也越高。
前面推导的小注入时的Δσs公式为:
s qbI nn
可以看出，如果考虑到光电导灵敏度的话，材料光 电导的弛豫时间（由寿命τ来体现）越大，光电导 的定态值也越大（即光电导灵敏度越高）。
9.2 半导体的光电导 9.2.2 定态光电导及其弛豫过程
半导体物理学第九章知识点
第9章半导体异质结构第6章讨论的是由同一种半导体材料构成的p-n结，结两侧禁带宽度相同，通常称之为同质结。
本章介绍异质结，即两种不同半导体单晶材料的结合。
虽然早在1951年就已经提出了异质结的概念，并进行了一定的理论分析工作，但是由于工艺水平的限制，一直没有实际制成。
直到气相外延生长技术开发成功，异质结才在1960年得以实现。
1969年发表了第一个用异质结制成激光二极管的报告之后，半导体异质结的研究和应用才日益广泛起来。
§9.1 异质结及其能带图一、半导体异质结异质结是由两种不同的半导体单晶材料结合而成的，在结合部保持晶格的连续性，因而这两种材料至少要在结合面上具有相近的晶格结构。
根据这两种半导体单晶材料的导电类型，异质结分为以下两类：(1)反型异质结反型异质结是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。
例如由p型Ge与n型Si构成的结即为反型异质结，并记为pn-Ge/Si或记为p-Ge/n-Si。
如果异质结由n型Ge 与p型Si形成，则记为np-Ge/Si或记为n-Ge/p-Si。
已经研究过许多反型异质结，如pn-Ge/Si；pn-Si/GaAs；pn-Si/ZnS；pn-GaAs/GaP；np-Ge/GaAs；np-Si/GaP等等。
(2)同型异质结同型异质结是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。
在以上所用的符号中，一般都是把禁带宽度较小的材料名称写在前面。
二、异质结的能带结构异质结的能带结构取决于形成异质结的两种半导体的电子亲和能、禁带宽度、导电类型、掺杂浓度和界面态等多种因素，因此不能像同质结那样直接从费米能级推断其能带结构的特征。
1、理想异质结的能带图界面态使异质结的能带结构有一定的不确定性，但一个良好的异质结应有较低的界面态密度，因此在讨论异质结的能带图时先不考虑界面态的影响。
(1)突变反型异质结能带图图9-1(a)表示禁带宽度分别为E g1和E g2的p型半导体和n型半导体在形成异质pn结前的热平衡能带图，E g1 E g2。
半导体物理学刘恩科全部章节ppt
原因： “轨道杂化”（sp3） p 导带 空带
s 价带 满带
禁带
32N
0
电子
2NN
4N
电子
二、半导体中电子的状态和能带
微观粒子的波粒二象性
实验验证：
戴维逊-革末实验：电流出现周期性变化
I
将电子看成粒子则无法解释
电
流
阴级 U
Ni单晶
计
1927年戴维孙和革末用加速后的电子投射到在镍（Ni)晶体 特选晶面上进行电子反射时的干涉实验
二、半导体中电子的状态和能带
➢微观粒子的波粒二象性
– 微观粒子的粒子性：
各种微观粒子都有其独特的特征：如质量、电荷等 同种微观粒子具有等同性
微观粒子的运动表现粒子运动的特性：动量、能量
– 微观粒子的波动性：
微观粒子的运动表现波动的特性：波长、频率 但微观粒子的波动不是电磁波，而是徳布罗意波
➢微观粒子的波粒二象性
由两种原子结构和混合键
– Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族二元化合物半导体绝大多数具 – 有闪锌矿型结构：
• 闪锌矿型结构和混合键
– 注意几点：
1. 正四面体结构中心也有一个原子，但顶角原子与中心 原子不同，因而其结合方式虽以共价结合为主，但具 有不同程度的离子性，称极性半导体
2. 固体物理学原胞同金刚石型结构，但有2个不同原子
3. 结晶学原胞可以看成两种不同原子的面心立方晶胞沿 立方体空间对角线互相错开1/4长度套构而成，属于双 原子复式晶格
4. 一个晶胞中共有8个原子，两种原子各有4个
纤锌矿型结构
材料: Ⅱ-Ⅵ族二元化合物半导体
例: ZnS、ZnSe、CdS、CdSe
– 此时定态薛定谔方程为：
《半导体物理》课程考试大纲 .doc
《半导体物理》课程考试大纲一、适用专业：集成电路工程二、参考书目：1．刘恩科朱秉升编，半导体物理学，国防工业出版社三、考试内容与基本要求：第一章绪论[考试要求]本章要求学生掌握本课程研究的对象和内容，了解半导体材料及器件的应用，了解本课程的基本要求；了解与半导体晶体相关的概念，重点掌握倒格子、布里渊区的概念，重点了结晶体中的缺陷、晶格振动和晶体中的电子运动。
[考试内容]①晶格、格点、基矢、布里渊区、倒格子等概念②晶体中的缺陷、晶格振动③晶体中的电子运动第二章半导体中的电子状态[考试要求]本章要求学生掌握电子、空穴和有效质量的概念，重点了解和掌握半导体的能带结构，了解半导体中的杂质和缺陷能级。
[考试内容]①电子、空穴和有效质量的概念②能带论，并用能带理论解释半导体物理学中的一些现象③常用半导体的能带结构④半导体中的杂质和缺陷第三章热平衡状态下载流子的统计分布[考试要求]本章要求学生掌握状态密度及费米能级的概念，掌握热平衡状态下本征半导体及杂质半导体的载流子浓度，了解非简并情况下费米能级和载流子浓度随温度的变化。
[考试内容]①状态密度及费米能级的概念以及它们的表达式②热平衡状态下本征及杂质半导体的载流子浓度③非简并情况下费米能级和载流子浓度随温度的变化④简并半导体第四章载流子的漂移和扩散[考试要求]本章要求学生掌握半导体中载流子的各种散射机制，了解电阻率和迁移率与杂质浓度和温度的关系，掌握载流子的扩散和漂移运动、爱因斯坦关系。
[考试内容]①半导体中载流子的各种散射机制②电导率和迁移率③电阻率和迁移率与杂质浓度和温度的关系④载流子的扩散和漂移运动，爱因斯坦关系⑤强电场效应，热载流子第五章非平衡载流子[考试要求]本章要求学生掌握非平衡载流子的注入与复合，了解各种复合理论，连续性方程。
[考试内容]①非平衡载流子的注入与复合②各种复合理论③连续性方程第六章p-n结[考试要求]本章要求学生掌握p-n结概念及其能带图，掌握理想p-n结的电流电压关系，了解p-n 结电容，了解实际p-n结的电流电压关系、p-n结击穿、p-n结隧道效应等。
半导体物理第九章
1. 异质结及其能带 2. 异质结的电流输运
3. 异质结的应用
4. 半导体的超晶格
1异质结及其能带
概念
由导电类型相反的同一种半导体单晶材料组成的pn结，通常称为同质结。
而由两种不同的半导体单晶材料组成的结，则称为 异质结。 异质结的结构特点 异质结是由两种不同的半导体单晶材料形成的， 根据这两种半导体单晶材料的导电类型分类
27
② 正反向势垒情形 这时在交界面处禁带宽度大的半导体的势垒“尖峰”，高于异质结势
垒区外的禁带宽度小的半导体材料的导带底，称为正反向势垒。
qVB= qVD2－ (EC –qVD1) 热平衡时，异质结势垒区两侧克服各自势垒到对方去的电子数相等。
(a)零偏压和(b)正向偏压下正反向势垒扩散和发射模型能带图
o
qVD
如在杂质浓度ND1>>ND2 ，类似于计算金属半导体接触间的电 qN 容方法，得到每单位面积结电容公式为： C [ 2 D 2 ]1 / 2
2(VD V )
21
2 异质结的电流输运机构
影响异质结电流运输机制的特殊原因
形成异质结的两种半导体的交界面处能带是不连续 的。
两种半导体材料的晶格结构、晶格常数、热膨胀系 数的不同和工艺技术等原因，会在交界曲处引入界 面态及缺陷。
(a)零偏压和(b)正向偏压下负反向势垒扩散和发射模型能带图
24
(a)零偏压和(b)正向偏压下负反向势垒扩散和发射模型能带图
正偏下
25
(a)零偏压和(b)正向偏压下负反向势垒扩散和发射模型能带图
P型区注入的小数载流子浓度连续性运动方程
解之得
26
(a)零偏压和(b)正向偏压下负反向势垒扩散和发射模型能带图
半导体物理讲义-9
第四部分PN结和金属-半导体接触一、热平衡状态下的PN结PN结是很多半导体器件的核心，掌握PN结的性质是分析这些器件特性的基础。
PN结的性质集中反映了半导体导电性能的特点：存在两种载流子；载流子有漂移、扩散和产生-复合三种基本运动形式等。
因此，PN结做为半导体特有的物理现象，一直受到人们的重视。
我们主要结合较为简单的模型，着重分析PN结中的物理过程。
在一块半导体材料中，如果一部分是N型区，一部分是P型区，在N型区和P型区的交界面处就形成PN结。
一种简单的情况：N型区；P型均匀的掺有施主杂质，杂质浓度为ND区均匀的掺有受主杂质，杂质浓度为N；A在P型区和N型区交界面处，杂质分布有一突变，(如左图)，这种情况称为突变结．因为这种杂质分布比较简单，我们主要就结合突变结进行分析，得到的结论绝大部分对于其他类型的杂质分布情况同样是适用的。
实际PN结制作方法通常采用下面两种方法中的任意一种制作：1) 给P型半导体的一部分掺加施主原子(或者相反，在n型中掺加受主原子)。
施主浓度超过受主浓度的部分即转变为n型，从而制成PN结。
制作工艺有：合金法、扩散法、离子注入法等。
图合金法制造PN结过程用合金法制成的PN结就是突变结。
图扩散法制造PN结过程图扩散结的杂质分布(a)扩数结，(b)线性缓变结近似，(c)突变结近似2) 在P型半导体上生长新的n型半导体(或相反)制作工艺有：外延生长法等。
1、PN 结的接触电位差在研究不同半导体间相互连接(PN 结)或同一半导体内各处的不均匀问题时，费米能级的概念是特别有用的。
因为在这样的问题中，费米能级的高低直接决定着电子的流动或平衡。
如果各处费米能级高低不一，就表示电子是不平衡的，电子要从费米能级高的地方流向费米能级低的地方。
只有当各处的费米能级高低相同，各处电子处于相对平衡时，才没有电流的流动。
下面我们应用费米能级来讨论PN 结的接触电位差。
在半导体的PN 结中，由于两边的材料内电子和空穴的浓度不相同，电子通过扩散进入P 区，留下失去电子的施主正离子，PN 结中靠近N 区一侧有正电荷；同理，P 区一侧有负电荷，因而形成一个空间电荷区。
半导体物理 第九章 第十章
其中，Eg1、Eg2分别为两种半导体材料的禁带宽度(Eg2>Eg1), χ1、χ2分别为两种半导体材料的电子亲和势(χ1>χ2)。而 且有：
∆Ec + ∆Ev = E g 2 − E g1
以上三式对所有突变异质结普遍适用 普遍适用。 普遍适用
14
异质结能带边失调值不仅与半导体材料固有结构有关， 还与两种半导体界面态、界面的晶向有关，这一切又往 往与制备工艺有关； 由于各种原因，使实际得到的异质结能带边失调值常有 很大差异，再加上实验测量方法的误差，也很难用实验 测量值来检验能带边失调值的理论计算的正确性； 通常需要对实验测量值进行严格的挑选，挑选那些界面 晶格结构非常完整，界面晶向是非极性界面的，并采用 最可靠实验测量方法（例如光电子谱 光电子谱测量方法）得到的 光电子谱 实验数据去与理论计算值进行比较。
34
9.6.2 双异质结激光器
该激光器在1970年制成。 年制成。 该激光器在 年制成
一、 结构
或n-GaAs
x值范围为 值范围为 0.1～0.5
该结构中由AlxGa1-xAs和GaAs 界面构成波导的两个壁
35
二、 四层材料的禁带宽度和折射率
36
三、 能带图
37
优点：比单异质结激光器的阈值更低， 四、 优点：比单异质结激光器的阈值更低，效率更 高，寿命更长
形成p-n异质结之前和之后的理想平衡能带图 形成 异质结之前和之后的理想平衡能带图
10
电荷区（即势垒区或耗尽区）。n型半导体一边为正空间电 荷区，p型半导体一边为负空间电荷区，由于不考虑界面 态，所以在势垒区中正空间电荷数等于负空间电荷数。正 负空间电荷间产生电场，也称为内建电场，方向n→p，使 结区的能带发生弯曲。 (2) “尖峰”和“尖谷” 尖峰” 尖谷” 由于组成异质结的两种半导体材料的介电常数 介电常数不同， 介电常数 各自禁带宽度不同，因而内建电场在交界面是不连续的， 导带和价带在界面处不连续 不连续，界面两边的导带出现明显的 不连续 “尖峰”和“尖谷”，价带出现断续，如上图所示。这是 异 质 结与同质结明显不同之处。
半导体物理学(黄昆,谢希德著)PPT模板
0 3
§23.半导体的温 差电动势率
0 4
§24.电能与热能 的转换，温差电 发电机，制冷器 与发热器
0 5
§25.热磁效应
0 6
第四章参考文献
08 第五章非平衡载流子
第五章非平衡载流子
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§7.普遍情况 下统计分布
的分析
06 第三章电磁场中的迁移现象
第三章电磁场 中的迁移现象
1 §10.载流 子的散射
§11.电导
2 的简单分 析
§12.霍尔
3 效应的简 单分析
§13.简单
4 分析的局 限性和结 果的修正
§14.电导
5 率的统计 理论
6 §15.迁移 率
第三章电磁场中的迁移现象
§16.一种载流子霍尔效 应的统计理论
§31.非平衡 载流子的漂
移和扩散
§29.光扩散 电势差和光
磁效应
§30.表面对 寿命的影响
§26.少数载 流子的注入
和检验
§27.寿命和 测量方法
§28.非平衡 载流子的扩
散
第五章非平衡载流 子
§32.复合过程的性质和直接复合 的理论 §33.复合中心理论 §34.陷阱效应 第五章参考文献
09 第六章半导体表面
05 第二章电子和空穴的统计分 布
第二章电子和空穴的统计分布
单击此处添加标题
单击此处添加文本具体内容， 简明扼要的阐述您的观点。根 据需要可酌情增减文字，以便 观者准确的理解您传达的思想。
第二章参考 文献
§8.载流子的 简并化
半导体物理与器件第九章金属半导体和半导体异质结
Ec
Ev
半导体物理与器件
e
em
EF
es
Ec EFi EF Ev
P型（半导体）欧姆 Bp 接触：金属功函数大 于半导体的功函数 EF
e
Ec EFi EF Ev
EF
P型欧姆接触往往 采用功函数较大的 金属，如Pt
en
Ec Ev 偏压下电子在金属半导体界面传输时， EF 遇到的势垒很小
Ec Ev
和pn结相同的电流 变化规律
半导体物理与器件
其中：
J sT
eBn A T exp kT
* 2
称为肖特基结二极管的反向饱和电流密度。式中 фBn通常即为理想情况下的肖特基势垒高度фB0， 对于硅材料来说，有效理查逊常数为 A*=120A/cm2K2，对于砷化镓材料来说，则为 A*=1.12A/cm2K2。
半导体物理与器件
理想情况下，我们选用功 函数合适的金属和半导体 就可以形成欧姆接触，但 实际Si、Ge、GaAs这些 半导体的表面都有很高的 表面态密度，无论是N型材 料还是P型材料的接触都无 法有效降低势垒，因而这 种方法通常并不成功
半导体物理与器件
其他的欧姆接触方法
高复合接触可以形成欧姆接触 可以在半导体表面掺入高浓度的复合中心， 来制成欧姆接触；这是因为高浓度的复合-产生中 心使得过剩载流子的寿命非常短，有维持载流子 浓度为平衡值的作用。 不过这种方法由于接触处高浓度的复合中心 或结构缺陷的存在，会影响工作区的性质，因而 只可用于体型结构较大的器件，这种器件接触区 距离工作区较远。
隧道电流和势垒高 度也有关系
掺杂浓度增大，隧 道几率增大 有效质量越小，越 利于隧穿
半导体物理与器件
半导体物理学[第九章异质结]课程复习
![半导体物理学[第九章异质结]课程复习](https://img.taocdn.com/s3/m/9f18b9acf524ccbff121840e.png)
第九章异质结9．1 理论概要与重点分析(1)由两种不同的半导体材料形成的结，称为异质结。
异质结是同质结的引申和发展，而同质结是异质结的特殊情况。
异质结分为同型异质结(如n-nGe—GaAs，p—pGe-Si，等)和反型异质结(如p—nGe—GaAs，p—nGe—Si等)。
另外，根据结处两种材料原子过渡的陡、缓情况，可分为突变和缓变异质结。
通常形成异质结的两种材料沿界面有相近的结构，因而界面仍保持晶格连续。
(2)研究异质结的特性时，异质结的能带图起着重要作用。
在不考虑界面态的情况下，任何异质结能带图都取决于两侧半导体材料的电子亲和能、禁带宽度、功函数(随掺杂类型及浓度而异)三个因素。
然而平衡异质结内具有统一费米能级仍然是画能带图的重要依据。
由于禁带宽度和电子亲和能不同，两种半导体的Ec 、Ev，在交界面处出现不连续而发生突变，其突变量：由于晶格失配，必然在界面处存在悬挂键而引入界面态，晶格失配越严重，悬挂键密度越高，界面态密度越大。
不同晶面相接触形成异质结其悬挂键密度是不同的，经推算，几个主要面形成异质结后的悬挂键密度△Ns分别为如果界面态的密度很大(1013／cm2以上)，表面处的费米能级在表面价带以上禁带宽度的1/3处。
对n型半导体，界面态起受主作用，界面态接受体内电子，界面带负电，半导体表面带正电，使能带上弯。
对p型半导体，界面态起施主作用，界面态向体内施放电子，界面带正电，半导体表面带负电，使能带下弯。
总之高界面态的存在，使异质结的能带图与理想情况相比有较大的变化。
(4)因为异质结在结处能带不连续，存在势垒尖峰和势阱，而且还有不同程度的界面态和缺陷，使异质结的电流传输问题比同质结要复杂得多。
不存在一种在多数情况下起主导作用的电流传输机制，根据结的实际情况发展了多种电流传输模型。
这些模型是：扩散模型、发射模型、发射复合模型、隧道一复合模型等。
分别或联合使用这些模型计算的结果，可使不同异质结的伏安特性有较好的解释。
半导体物理第九章
半导体物理第九章(总7页) -CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除第9章半导体异质结构第6章讨论的是由同一种半导体材料构成的p-n结，结两侧禁带宽度相同，通常称之为同质结。
本章介绍异质结，即两种不同半导体单晶材料的结合。
虽然早在1951年就已经提出了异质结的概念，并进行了一定的理论分析工作，但是由于工艺水平的限制，一直没有实际制成。
直到气相外延生长技术开发成功，异质结才在1960年得以实现。
1969年发表了第一个用异质结制成激光二极管的报告之后，半导体异质结的研究和应用才日益广泛起来。
§异质结及其能带图一、半导体异质结异质结是由两种不同的半导体单晶材料结合而成的，在结合部保持晶格的连续性，因而这两种材料至少要在结合面上具有相近的晶格结构。
根据这两种半导体单晶材料的导电类型，异质结分为以下两类：(1)反型异质结反型异质结是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。
例如由p型Ge与n型Si构成的结即为反型异质结，并记为pn-Ge/Si或记为p-Ge/n-Si。
如果异质结由n型Ge与p型Si形成，则记为np-Ge/Si或记为n-Ge/p-Si。
已经研究过许多反型异质结，如pn-Ge/Si；pn-Si/GaAs；pn-Si/ZnS；pn-GaAs/GaP；np-Ge/GaAs；np-Si/GaP等等。
(2)同型异质结同型异质结是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。
在以上所用的符号中，一般都是把禁带宽度较小的材料名称写在前面。
二、异质结的能带结构异质结的能带结构取决于形成异质结的两种半导体的电子亲和能、禁带宽度、导电类型、掺杂浓度和界面态等多种因素，因此不能像同质结那样直接从费米能级推断其能带结构的特征。
1、理想异质结的能带图界面态使异质结的能带结构有一定的不确定性，但一个良好的异质结应有较低的界面态密度，因此在讨论异质结的能带图时先不考虑界面态的影响。
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GaAs/AlGaAs 异质结的电子能级结构
异质结的应用1
• 异质结的主要应用之一是形成量子阱。 它由两个异质结背对背相接形成的。 • 异质结的主要应用之二是形成超晶格。 它由异质结交替周期生长形成。超晶格 是Esaki和Tsu在1969年提出的。 • Esaki等提出的超晶格有两类：1）同质 调制掺杂；2）异质材料交替生长。 • 超晶格或多量子阱间的共振隧穿效应
异质结种类
• 种类： • ①反型异质结：导电类型相反的两种材料 制成的结，如：p-n Ge-Si,p-n GeGaAs,p-n Si-GaAs • ②同型异质结：导电类型相同的两种材料 制成的结，如：n-n Ge-Si,n-n GeGaAs,n-n Si-GaAs • 以上的符号，都把Eg小的材料放在前面。 异质结的禁带宽度可能相同，也可能不同， 我们主要讨论禁带宽度不同的情形。
Structures where the barriers are thick enough to prevent any overlapping of neighboring wavefunctions are referred to as MQW
tMQ
W
Structures with thin barriers that allow for overlapping of neighboring wavefunctions are referred to as superlattices
Multiquantum Wells (MQW)
AlGaAs GaAs Single quantum well Multiquantum well
…
ΔEc
Eg( AlGaAs)
…
GaAs
ΔEv
Wells separated by large distance to minimize … of states… coupling
tSL
异质结应用2
• 1．异质结晶体管： • 特点异质结做发射结，注入效率高， 大
注入电子流 Eg / kT e Eg Eg 2 Eg1 , Eg 2 Eg1 注入空穴流
• •
Eg ＝0.2ev， 注入电子流＝3000（注入空穴流）
• Eg ＝0.4ev， 注入电子流＝ 106 （注入空穴流） 16 • Eg ＝0.7ev， 注入电子流＝ 10 （注入空穴流） • 2．异质结光电二极管（光电池）Photocell 太阳电 池Solarcell • 同质结光电管，要求n区很薄（以利光穿透），但薄n 区难制造。
异质结的能带结构
• 异质结的能带结构与构成异质结材料的禁带宽度、 禁带失调有关。设构成异质结材料的禁带宽度分 别为Eg1>Eg2。 • 禁带的失调可能有三种情形： 1）Eg2包含在Eg1之间，如Ga1-xAlxAs与GaAs ； 2）Eg1与Eg2禁带相互错开，如Ga1-xInxAs（下） 和GaAs1-xSbx（上）； 3）二者没有共能量，如InAs（下）与GaSb（上）
P AlxGa1 x As / P GaAs / n AlxGa1x As / n GaAs
•
异质结
异质结
衬底
第9章半导体异质结构 （简介）
Chap9 半导体异质结构
Heterojunction • 同质结：（不同导电类型的）同种材料组成的P-N 结。 • 异质结：（不同导电类型的）两种材料组成的P-N 结。
• 1951年提出异质结的概念，由于制备材料的新技 术不断出现和半导体物理的深入发展，推动了异 质结的研究和发展。1960年制成激光二极管激光 器
异质结生长
• 外延生长技术发展于50年代末60年代初。当时， 为了制造高频大功率器件，需要减小集电极串 联电阻，又要求材料能耐高压和大电流，因此 需要在低阻值衬底上生长一层薄的高阻外延层。 外延生长的新单晶层可在导电类型、电阻率等 方面与衬底不同，还可以生长不同厚度和不同 要求的多层单晶，从而大大提高器件设计的灵 活性和器件的性能。外延工艺还广泛用于集成 电路中的PN结隔离技术和大规模集成电路中 改善材料质量方面。 • 异质结的形成通常是通过异质外延的方法制备 的。经常形成超晶格结构，在半导体激光器和 高迁移率晶体管（HEMT）领域有应用。
异质结应用2
• 3．异质结发光二极管（ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱight-emitting diode）
n GaAs / P GaAs / P Alx Ga1 x As( x 0.2 ~ 0.3)
• 同质结 异质结 • 三个区都是重掺杂， • 加正向电压， • 能带如下图
异质结应用2
• 4．异质结激光器 • ① 单异质结激光器（三层结构） • P AlxGa1x As / P GaAs / n GaAs • 异质结 同质结 • ② 双异质结激光器（四层结构）