半导体异质结 ppt课件
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• 势阱中的电子要往右边输运，需要克服高度为Ec–qVD1的 势垒
• 右边n型区导带中的电子要往左边输运，需要克服的势垒 高度为qVD2
• 但左边的空穴要通过异质结所需越过的势垒却很高，为 qVD1+qVD2–Ev
• 这种异质结几乎不存在整流特性
半导体异质结
如果考虑界面态，载流子将通过界面态发生复合，复合电流为
半导体异质结
半导体异质结
• pn结的两边是采用同一种材料，称为同质结 • 由两种不同的半导体单晶材料组成的结，则称为异质结
N和P表示宽带半导体，n和p表示窄带半导体 p型GaAs与P型AlGaAs ，同型异质结 p型GaAs与N型AlGaAs，异型异质结
半导体异质结
一些Ⅲ-Ⅴ族化合物及几种Ⅱ-Ⅵ族化合物的禁带宽度和晶格常数
JexpE kT inexpqkV T1
Ein代表界面态的能级深度，V是外加电压
半导体异质结
超注入现象:指在异质结中由宽带半导体注入到窄带半导体中 的少数载流子浓度可以超过宽带半导体中多数载流子浓度
加正向电压后的p-GaAs-N-AlxGal-xAs异质结 当异质结上施加的正向电压足够大时, p区电子为少数载流子， 其准费米能级随电子浓度的上升很快 ,结两边的电子准费米能级可达一致。 由于P区导带底比N区导带底更接近费米能级，故P区导带的电子浓度高于N区
• 导带边缘的不连续和价带边缘的不连续不会受杂质浓度影响 • 能带的弯曲量VD（扩散电势）为两种半导体功函数之差
V DV D 1V D 2W 1W 2
VD2 N A p VD1 N D n
NA是p型半导体的受主浓度，ND是n型半导体的施主浓度。 n与p分别是n型和p型半导体的相对介电常数。
(x0x1)
• 空穴的电流密度
Jp
qDp2p20 Lp2
expqkV T1
Lp2为空穴扩散长度，Dp2为空穴扩散系数
总电流
JJnJpq D L n 1 n n 1 1 0D L p2 p p 22 0 ex p q kT V 1
注入比: 是指pn结加正向电压时，n区向p区注入的电子流与
电子电流密度
Jn
qDn1n10 Ln1
expqkV T1
Ln1为电子扩散长度，Dn1为电子扩散系数
n型半导体中少数载流子的浓度p20 p20p10exp(qVkDTEv
加正向电压时 p 2 (x 2 ) p 1 0 e x p (q V D k T V E v p 2 0 e x p q k V T
半导体异质结
晶格匹配越好，界面态密度越低 晶格失配 定义
2(a2 a2) a
a2 a1
a
a1和a2分别是两种材料的晶格常数 （a2>a1），a为平均值
三元合金的禁带宽度和晶格常数 用三元或四元化合物半导体来制作出晶格匹配非常完美的异质结。
半导体异质结
晶格失配形成位错缺陷 单位面积的悬挂键数目为
Jp exp[(qV DE v)]
而由右向左的电子注入只需克服势垒
Jn exp[q(V DV D 1)]
JJn pexp(EvqVD1)expEv
价带断续Ev大，异质结就能产生较大的注入比
异质结是渐变时 J Jn pe ex xp p[[ ((q qV VD D E Ec v))]]expEg
半导体异质结
p区向n区注入的空穴流之比
Jn Jp
qDn1Lp1n10 qDp2Ln1p20
D Dnp12L Lpn2 1nn2 1 22iinp2100
同质结注入比
J n Dn Lp N D J p Dp Ln N A
决定同质结注入比的是掺杂浓度
• 异质结注入比：
由于能带断续的存在，由左向右的空穴注入除了要 克服势垒之外，还要克服一个附加台阶，因而空穴流
（1/C2）和V呈线性关系， 可以从直线在电压轴上的截距求得势垒高度VD
半导体异质结
（a）p-n异质 （b）n-p异质结 （c）p-p异质结 （d）n-n异质结
半导体异质结
半导体异质结
半导体异质结的电流电压关系比同质结复杂 突变异质结的伏安特性和注入特性
（a）负反向势垒（b）正反向势垒
半导体异质结
212ND2VD qNA1(1NA12ND2)
(x2x0)
212NA1VD qND1(1NA12ND2)
当外加偏压时，用（VD–V）替换VD
内建电势的大部分降落在杂质浓度较低的一侧，其耗尽层宽度也较宽
半导体异质结
耗尽层宽度随着结电压的变化而变化，微分电容C=dQ/dV，
1
CddV Q a 2(1NA q1 122N NAD 1N 2)D (V 2DV)2
p型半导体中少数载流子的浓度n10 n型半导体中多数载流子的浓度n20
n10n20exp(qVD kT Ec)
加正向偏压时, p型半导体势垒区边界处的少子浓度
n 1 ( x 1 ) n 2 0 e x p (q V D k q T V E c ) n 1 0 e x p q k T V
半导体异质结
量子阱：在量子力学中，能够对电子的运动产生某种约束并 使其能量量子化的势场
二维电子气（2DEG）：一般是指在两个方向上可以自由运动， 而在第三个方向上的运动受到限制的电子群。
图3.11半导体量子阱示意图
对处于无限深方势阱中的粒子 ，假定势阱的宽度为Lz，求解
薛定谔方程，则波函数的解为 (x ,y ,z) (x ,y )(z)
NssL 1SL a1 S 2L aS 2 2(a2a a 11 2 )a (a 2 22a1)
半导体异质结
Ec 12
E v (E g 1 E g2) (12)
（a）异质结形成之前平衡能带图（b）形成之后的平衡能带图 特点：在界面处就会出现能带的弯曲，发生导带及价带的不连续
半导体异质结
• 假设条件：在热平衡下，界面两端的费米能级相同 禁带宽度Eg和电子亲和能皆非杂质浓度的函（非简并）
以n1和n2分别表示P区和N区的电子浓度 Ec1和Ec2分别表示p区和N区的导带底能值 Nc1和Nc2分别表示两种半导体导带底有效态密度
n1Nc1exp(Ec1kT EFn)
n2Nc2exp(Eck2TEFn
Nc1~Nc2
n1 n2
exp
Ec2 Ec1 kT
Leabharlann Baidu
由于Ec1<Ec2，故n1>n2 实现激光器所要求的粒子数反转条件
• 右边n型区导带中的电子要往左边输运，需要克服的势垒 高度为qVD2
• 但左边的空穴要通过异质结所需越过的势垒却很高，为 qVD1+qVD2–Ev
• 这种异质结几乎不存在整流特性
半导体异质结
如果考虑界面态，载流子将通过界面态发生复合，复合电流为
半导体异质结
半导体异质结
• pn结的两边是采用同一种材料，称为同质结 • 由两种不同的半导体单晶材料组成的结，则称为异质结
N和P表示宽带半导体，n和p表示窄带半导体 p型GaAs与P型AlGaAs ，同型异质结 p型GaAs与N型AlGaAs，异型异质结
半导体异质结
一些Ⅲ-Ⅴ族化合物及几种Ⅱ-Ⅵ族化合物的禁带宽度和晶格常数
JexpE kT inexpqkV T1
Ein代表界面态的能级深度，V是外加电压
半导体异质结
超注入现象:指在异质结中由宽带半导体注入到窄带半导体中 的少数载流子浓度可以超过宽带半导体中多数载流子浓度
加正向电压后的p-GaAs-N-AlxGal-xAs异质结 当异质结上施加的正向电压足够大时, p区电子为少数载流子， 其准费米能级随电子浓度的上升很快 ,结两边的电子准费米能级可达一致。 由于P区导带底比N区导带底更接近费米能级，故P区导带的电子浓度高于N区
• 导带边缘的不连续和价带边缘的不连续不会受杂质浓度影响 • 能带的弯曲量VD（扩散电势）为两种半导体功函数之差
V DV D 1V D 2W 1W 2
VD2 N A p VD1 N D n
NA是p型半导体的受主浓度，ND是n型半导体的施主浓度。 n与p分别是n型和p型半导体的相对介电常数。
(x0x1)
• 空穴的电流密度
Jp
qDp2p20 Lp2
expqkV T1
Lp2为空穴扩散长度，Dp2为空穴扩散系数
总电流
JJnJpq D L n 1 n n 1 1 0D L p2 p p 22 0 ex p q kT V 1
注入比: 是指pn结加正向电压时，n区向p区注入的电子流与
电子电流密度
Jn
qDn1n10 Ln1
expqkV T1
Ln1为电子扩散长度，Dn1为电子扩散系数
n型半导体中少数载流子的浓度p20 p20p10exp(qVkDTEv
加正向电压时 p 2 (x 2 ) p 1 0 e x p (q V D k T V E v p 2 0 e x p q k V T
半导体异质结
晶格匹配越好，界面态密度越低 晶格失配 定义
2(a2 a2) a
a2 a1
a
a1和a2分别是两种材料的晶格常数 （a2>a1），a为平均值
三元合金的禁带宽度和晶格常数 用三元或四元化合物半导体来制作出晶格匹配非常完美的异质结。
半导体异质结
晶格失配形成位错缺陷 单位面积的悬挂键数目为
Jp exp[(qV DE v)]
而由右向左的电子注入只需克服势垒
Jn exp[q(V DV D 1)]
JJn pexp(EvqVD1)expEv
价带断续Ev大，异质结就能产生较大的注入比
异质结是渐变时 J Jn pe ex xp p[[ ((q qV VD D E Ec v))]]expEg
半导体异质结
p区向n区注入的空穴流之比
Jn Jp
qDn1Lp1n10 qDp2Ln1p20
D Dnp12L Lpn2 1nn2 1 22iinp2100
同质结注入比
J n Dn Lp N D J p Dp Ln N A
决定同质结注入比的是掺杂浓度
• 异质结注入比：
由于能带断续的存在，由左向右的空穴注入除了要 克服势垒之外，还要克服一个附加台阶，因而空穴流
（1/C2）和V呈线性关系， 可以从直线在电压轴上的截距求得势垒高度VD
半导体异质结
（a）p-n异质 （b）n-p异质结 （c）p-p异质结 （d）n-n异质结
半导体异质结
半导体异质结
半导体异质结的电流电压关系比同质结复杂 突变异质结的伏安特性和注入特性
（a）负反向势垒（b）正反向势垒
半导体异质结
212ND2VD qNA1(1NA12ND2)
(x2x0)
212NA1VD qND1(1NA12ND2)
当外加偏压时，用（VD–V）替换VD
内建电势的大部分降落在杂质浓度较低的一侧，其耗尽层宽度也较宽
半导体异质结
耗尽层宽度随着结电压的变化而变化，微分电容C=dQ/dV，
1
CddV Q a 2(1NA q1 122N NAD 1N 2)D (V 2DV)2
p型半导体中少数载流子的浓度n10 n型半导体中多数载流子的浓度n20
n10n20exp(qVD kT Ec)
加正向偏压时, p型半导体势垒区边界处的少子浓度
n 1 ( x 1 ) n 2 0 e x p (q V D k q T V E c ) n 1 0 e x p q k T V
半导体异质结
量子阱：在量子力学中，能够对电子的运动产生某种约束并 使其能量量子化的势场
二维电子气（2DEG）：一般是指在两个方向上可以自由运动， 而在第三个方向上的运动受到限制的电子群。
图3.11半导体量子阱示意图
对处于无限深方势阱中的粒子 ，假定势阱的宽度为Lz，求解
薛定谔方程，则波函数的解为 (x ,y ,z) (x ,y )(z)
NssL 1SL a1 S 2L aS 2 2(a2a a 11 2 )a (a 2 22a1)
半导体异质结
Ec 12
E v (E g 1 E g2) (12)
（a）异质结形成之前平衡能带图（b）形成之后的平衡能带图 特点：在界面处就会出现能带的弯曲，发生导带及价带的不连续
半导体异质结
• 假设条件：在热平衡下，界面两端的费米能级相同 禁带宽度Eg和电子亲和能皆非杂质浓度的函（非简并）
以n1和n2分别表示P区和N区的电子浓度 Ec1和Ec2分别表示p区和N区的导带底能值 Nc1和Nc2分别表示两种半导体导带底有效态密度
n1Nc1exp(Ec1kT EFn)
n2Nc2exp(Eck2TEFn
Nc1~Nc2
n1 n2
exp
Ec2 Ec1 kT
Leabharlann Baidu
由于Ec1<Ec2，故n1>n2 实现激光器所要求的粒子数反转条件