半导体光电子学 §2.1 异质结及其能带图
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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
哈工大半导体物理课件第9章(精)
突变型异质结：转变区或过渡区小于等 于数个原子间距的异质结
缓变型异质结：转变区大于数个扩散长 度的异质结
2 异质结的能带图
突变异质结的研究比较成熟 异质结的能带图比同质结复杂（禁带宽
度，电子亲合能，功函数，介电常数和 晶格常数差异） 由于晶体结构和晶格常数不同，在异质 结结面上形成的界面态增加了复杂性
第9章 异质结 1 异质结的基本概念
异质结是由两种不同晶体材料形成的半导 体结
同型异质结：同种导电类型材料构成的异 质结（n-nGe-Si，p-pGe-GaAs） 反型异质结：相反导电类型材料构成的异 质结（p-nGe-GaAs）
异质结的形成条件：要有相近的晶体结构 和晶格常数。
突变型异质结和缓变型异质结
侧
的p型半导体和n型半导体中的内建电势差。
2 异质结的形成过程与同质结相似，与同 质结不同之处
（1）自建电场在界面处发生不连续 （2）能带在界面处不连续，能带在界面处的突变
形成“尖峰”和“凹口” 导带底突变
Ec 1 2
价带顶突变 Ev Eg 2 Eg1 (1 2 )
Ec Ev Eg 2 Eg1
对于晶格常数分别为a1,a2（a1<a2）两种材料 形成的异质结，两种材料界面上的键密度分别 为Ns1,Ns2，显然Ns1>Ns2，形成异质结后，晶 格常数小的材料表面出现部分未饱和键，形成 的界面态密度
Ns Ns1 Ns2
对于两种相同晶体结构材料形成的异质结，界 面态密度△Ns取决于晶格常数和晶面。
2 界面态的影响
界面态可以分为施主型界面态和受主型界面 态。施主型界面态施放电子后带上正电荷，使半 导体表面能带向下弯曲；受主型界面态施放空穴 之后带上负电荷，使半导体表面能带向上弯曲。 界面态对异质结能带的影响取决于界面态起什么 作用和起多大作用。
缓变型异质结：转变区大于数个扩散长 度的异质结
2 异质结的能带图
突变异质结的研究比较成熟 异质结的能带图比同质结复杂（禁带宽
度，电子亲合能，功函数，介电常数和 晶格常数差异） 由于晶体结构和晶格常数不同，在异质 结结面上形成的界面态增加了复杂性
第9章 异质结 1 异质结的基本概念
异质结是由两种不同晶体材料形成的半导 体结
同型异质结：同种导电类型材料构成的异 质结（n-nGe-Si，p-pGe-GaAs） 反型异质结：相反导电类型材料构成的异 质结（p-nGe-GaAs）
异质结的形成条件：要有相近的晶体结构 和晶格常数。
突变型异质结和缓变型异质结
侧
的p型半导体和n型半导体中的内建电势差。
2 异质结的形成过程与同质结相似，与同 质结不同之处
（1）自建电场在界面处发生不连续 （2）能带在界面处不连续，能带在界面处的突变
形成“尖峰”和“凹口” 导带底突变
Ec 1 2
价带顶突变 Ev Eg 2 Eg1 (1 2 )
Ec Ev Eg 2 Eg1
对于晶格常数分别为a1,a2（a1<a2）两种材料 形成的异质结，两种材料界面上的键密度分别 为Ns1,Ns2，显然Ns1>Ns2，形成异质结后，晶 格常数小的材料表面出现部分未饱和键，形成 的界面态密度
Ns Ns1 Ns2
对于两种相同晶体结构材料形成的异质结，界 面态密度△Ns取决于晶格常数和晶面。
2 界面态的影响
界面态可以分为施主型界面态和受主型界面 态。施主型界面态施放电子后带上正电荷，使半 导体表面能带向下弯曲；受主型界面态施放空穴 之后带上负电荷，使半导体表面能带向上弯曲。 界面态对异质结能带的影响取决于界面态起什么 作用和起多大作用。
半导体光电子学第2章_异质结
x1 φ1
EC1
ΔEC
Eg1
F1
EV1
ΔEV
p
图2.1-1
x2 φ2
真空能级
EC2 F2
Eg2
EV2
N
②两种材料形成异质结后应处于同一平衡系统中，因而各自的费米能 级应相同； ③画出空间电荷区（由内建电势可求空间电荷区宽度），φ值在空间 电荷区以外保持各自的值不变； ④真空能级连续与带边平行（弯曲总量为两边费米能级之差，每侧弯 曲程度由费米能级与本征费米能级之差决定，由掺杂浓度决定）； ⑤而各自的χ、Eg不变。原来两种材料导带、价带位置之间的关系在 交界处不变。(即：ΔEc、ΔEv、Eg、Eg不变)
一、非平衡状态下的pn结 1、外加电压下，pn结势垒的变化及载流子的运动。
正向偏压
P-N结加正向偏压V （即P区接电源正极，N区接负极）
势垒区内载流子浓度很小，电阻很大，势垒区外的P区和N 区中载流子浓度很大，电阻很小，所以外加正向偏压基本 降落在势垒区。
正向偏压在势垒区中产生了与内建电场方向相反的电场，因而 减弱了势垒区中的电场强度，这就表明空间电荷相应减少。故 势垒区的宽度也减小，同时势垒高度从qVD下降为q(VD-V)。
这时，P-N结中有统 一的费米能级EF，P-N结 处于平衡状态，其能带图 如图所示。
能带相对移动的原因 是P-N结空间电荷区中存 在内建电场的结果。
由于整个半导体处于 平衡状态，因此在半 导体内各处的Fermi 能级是一样的。可以 看到，这时由于势垒 的存在，电子和空穴 也没有机会复合
如果一个半导体的两端加一个电压， 由于电场的作用，使得能带整体沿 着电场方向倾斜。电子和空穴的势 能也发生变化，电子势能逆着电场 方向降低，而空穴势能顺着电场方 向降低。所以电子和空穴向两个相 反方向移动。
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。
半导体的能带结构PPT课件
a2
A
O
Rl
任一格点 A的位矢Rl为
a3
a1
Rl =l1a1+l2a2+l3a3
式中l1、l2、l3是整数。若互质，直接用他们来表征晶列 OA的方向（晶向），这三个互质整数为晶列的指数，
记以
[l1，l2，l3]
立方单包的三条边的最新指课件数分别为[100]，[010]，[00521]
2. 密勒指数（ 晶面方向的表示方法）
最新课件
16
3 . 晶格的形成
通过点阵中的结点，可以作许多平行的直线族 和平行的晶面族，点阵成为一些网格------晶格。
最新课件
17
原胞概念的引出：
由于晶格周期性，可取一个以结点为顶点，边长等于 该方向上的周期的平行六面体作为重复单元，来概括 晶格的特征。
即每个方向不能是一个结点（或原子）本身，而是一 个结点（或原子）加上周期长度为a的区域，其中a叫 做基矢 。
关于结点的说明： 当晶体是由完全相同的一种原子组成，结点可以是原子本身位置。 当晶体中含有数种原子，这数种原子构成基本结构单元（基元）， 结点可以代表基元重心，原因是所有基元的重心都是结构中相同 位置，也可以代表基元中任意点子
结最点新课示件 例图
15
2 . 点阵学说概括了晶体结构的周期性
晶体由基元沿空间三个不同方向，各按一定的距离周期 性地平移而构成，基元每一平移距离称为周期。 在一定方向有着一定周期，不同方向上周期一 般不相同。 基元平移结果：点阵中每个结点周围情况都一样。
最新课件
6
*无机半导体晶体材料
无机半导体晶体材料
元素半导体 化合物半导体 固溶体半导体
最新课件
7
熔点太高、
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：
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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：
第18页/共30页
半导体物理第二章能带和载流子课件
自由电子能量和动量的关系：E=P2/2m0 （m0为自由电子质量）
E=P2/2mn （p为动量 ， mn为电子有效质量）
抛物线 表示：
E
P
注意：电子有效质量由半导体特性决定，但可以由E对P的二次
微分算出：mn=（d2E/dp2）-1
由此得：曲率越小，二次微分越大，有效质量越小
18
第十八页，本课件共有49页
间隙式杂质：杂质原子位于晶格原子间的间隙位置；一般原子比较 小。 替位式杂质：杂质原子取代晶格原子位于晶格处。要求替位式杂质 的大小与被取代的晶格原子的大小相近。
36
第三十六页，本课件共有49页
施主杂质(donor)
37
第三十七页，本课件共有49页
V族： P, As
V族元素取代Si原子后，形成 一个正电中心和一个多余的 价电子。
数
计算值 测量值
e
0.67
0.56m0 0.37m0 1.05x1019 5.7x1018
2.0x1013 2.4x1013
1.12 1.08m0 0.59m0 2.86x1019 2.66x1019 7.8x109 9.65x109
aAs 1.42 0.068m0 0.47m0 4.7x1017 7x1018
金刚石
导电
较高
(热激发 e,h)
导电
低
(n ~1022 cm-3)
导电
金属< 半金属< 半导体
Si, Ge, GaAs
Na: 1s22s2 2p63s1
Mg: 1s22s2 2p63s2
V族 Bi, Sb, As
§2.6 本征载流子浓度
热平衡状态 本征激发与本征半导体 费米分布函数与玻尔慈曼分布函数 本征载流子浓度
E=P2/2mn （p为动量 ， mn为电子有效质量）
抛物线 表示：
E
P
注意：电子有效质量由半导体特性决定，但可以由E对P的二次
微分算出：mn=（d2E/dp2）-1
由此得：曲率越小，二次微分越大，有效质量越小
18
第十八页，本课件共有49页
间隙式杂质：杂质原子位于晶格原子间的间隙位置；一般原子比较 小。 替位式杂质：杂质原子取代晶格原子位于晶格处。要求替位式杂质 的大小与被取代的晶格原子的大小相近。
36
第三十六页，本课件共有49页
施主杂质(donor)
37
第三十七页，本课件共有49页
V族： P, As
V族元素取代Si原子后，形成 一个正电中心和一个多余的 价电子。
数
计算值 测量值
e
0.67
0.56m0 0.37m0 1.05x1019 5.7x1018
2.0x1013 2.4x1013
1.12 1.08m0 0.59m0 2.86x1019 2.66x1019 7.8x109 9.65x109
aAs 1.42 0.068m0 0.47m0 4.7x1017 7x1018
金刚石
导电
较高
(热激发 e,h)
导电
低
(n ~1022 cm-3)
导电
金属< 半金属< 半导体
Si, Ge, GaAs
Na: 1s22s2 2p63s1
Mg: 1s22s2 2p63s2
V族 Bi, Sb, As
§2.6 本征载流子浓度
热平衡状态 本征激发与本征半导体 费米分布函数与玻尔慈曼分布函数 本征载流子浓度
异质结的能带图 ppt课件
多色红外探测器件等提供了重要的技术基础。
能带突变的应用
a) 可以产生热电子 b) 能使电子发生反射的的势垒 c) 提供一定厚度和高度的势垒 d) 能造成一定深度和宽度的势阱
DEc=0.07eV DEv=0.69eV
DEc+ DEv= =0.76eV
3.1.2突变反型异质结的接触 电势差势垒区宽度
（3.1.1）能带图Fra bibliotekEcEc
A
B
Ev
Ec A
Ev Ec B
Ev
Ev
什么是能带图？
能带结构 异质结界面两侧的导带极小值和价带最高值随坐标的变化。
vacuum level
Ec
Ev
Let x be the electron affinity, which is the energy required to take an electron from the conduction band edge to the vacuum level,
安德森(Anderson)能带模型
假定：
1，在异质结界面处不存在界面态和偶极态；
2，异质结界面两边的空间电荷层（或耗尽层 中)，空间电荷的符号相反、大小相等；
3，异质结界面两边的介电常数分别为1和2,
12,界面处的电场不连续：
1E1=2E2
E1 E2。
泊松方程
dD( x) dx
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
能带突变的应用
a) 可以产生热电子 b) 能使电子发生反射的的势垒 c) 提供一定厚度和高度的势垒 d) 能造成一定深度和宽度的势阱
DEc=0.07eV DEv=0.69eV
DEc+ DEv= =0.76eV
3.1.2突变反型异质结的接触 电势差势垒区宽度
（3.1.1）能带图Fra bibliotekEcEc
A
B
Ev
Ec A
Ev Ec B
Ev
Ev
什么是能带图？
能带结构 异质结界面两侧的导带极小值和价带最高值随坐标的变化。
vacuum level
Ec
Ev
Let x be the electron affinity, which is the energy required to take an electron from the conduction band edge to the vacuum level,
安德森(Anderson)能带模型
假定：
1，在异质结界面处不存在界面态和偶极态；
2，异质结界面两边的空间电荷层（或耗尽层 中)，空间电荷的符号相反、大小相等；
3，异质结界面两边的介电常数分别为1和2,
12,界面处的电场不连续：
1E1=2E2
E1 E2。
泊松方程
dD( x) dx
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
《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
半导体异质结构
半导体异质结构1半导体异质结及其能带图异质结由两种不同的半导体单晶材料组成的结，称为异质结。
半导体异质结的能带图反型异质结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p型Ge与n型GaAs所形成的结——p-nGe-GaAs（或(p)Ge-(n)GaAs）——一般把禁带宽度较小的半导体材料写在前面。
同型异质结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n型Ge与n型GaAs所形成的结——p-pGe-GaAs（或(p)Ge-(p)GaAs）突变型异质结一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡只发生于几个原子距离范围内不考虑界面态时的能带图突变反型异质结能带图由于n型半导体的费米能级较高，电子将从n型半导体流向p型半导体，同时空穴在与电子相反方向流动，直至Ef=Ef1=Ef2——热平衡状态。
此时，材料交界面的两边形成了空间电荷区（即势垒区或耗尽层）。
n型半导体一侧为正空间电荷区，p型半导体一侧为负空间电荷区，且电荷数相等（由于不考虑界面态），空间电荷区间产生电场，也称为内建电场，所以电子在空间电荷区中各点有附加电势能，使空间电荷区中的能带发生了弯曲。
尖峰与凹口能带突变突变同型异质结能带图形成异质结时，由于禁带宽度大的n型半导体的费米能级比禁带宽度小的高，所以电子将从前者流向后者。
结果在禁带宽度小的n型半导体一边形成了电子的积累层，而另一边形成了耗尽层。
对于反型异质结，两种半导体材料的交界面两边都成为了耗尽层；而在同型异质结中，一般必有一边成为积累层。
尖峰与凹口能带突变考虑界面态时的能带图1.形成异质结的两种半导体材料的晶格失配，需要引入界面态。
2.由于晶格失配，在两种半导体材料的交界面处产生了悬挂键，引入界面态。
3.当具有金刚石结构的晶体的表面能级密度在10¹³cm－²以上时，在表面处的费米能级位于禁带宽度的越1/3处——巴丁极限。
4.对于n型半导体，悬挂键起受主作用，因此表面处的能带向上弯曲。
半导体光电子学§2.1 异质结及其能带图
质，Ec 、Ev 和 Eg有一定的关系
加正向偏压 vf 时，外加电场与内建电场方
向相反，空间电荷相应减少，势垒区宽度减少， 扩散运动超过了漂移运动 qvD q(vD vf ) ， 载流子扩散运动超过了漂移运动→成为正向电流。
→n 区电子进入p区成为p区非平衡少数载流子。 →非平衡少数载流子的电注入。
扩散过程中与多子相遇而不断复合→一个扩散长度 后复合完毕。
x1
Ec1
1
VDP
F
Ev1
xp
内建电场
VD VDP VDN
Ec
Ev xn
Eg1 Eg2
VDN
x1 x2
Ec2 1 2
Ev 2
x1 Eg1 x2 Eg 2
④ p-n结 p- n: n型和p型样占接触在一起p- n结。 n区电子向p区扩散→n区剩下电离施主，形成带 正电荷区。 p区孔穴向n区扩散→p区剩下电离受主，形成带 负电荷区。
第二章 异质结
§2 – 1 异质结及其能带图
①异质结:两种禁带宽度不同的半导体材料，通过一定 的生长方法所形成的结。
②分 类
按电荷分布 按掺杂类型
突变结
缓变结 同型异质结 p-P,n-N
异型异质结 p-N,n-P
③ 能带图 界面上静电场是不连续的；功函数Φ；电子
亲和势X 电子势能增加方向
真空能级
3.同型异质结材料费米能级有差别 → 扩散
4. Eg: X: Φ:
不同， 能带不同
F:
x1
Ec1
Ev1
1
Ec Eg1
Ev
-+
x1 x2 1 2 x1 Eg1 x2 Eg 2
1
2 Ec2
-+
加正向偏压 vf 时，外加电场与内建电场方
向相反，空间电荷相应减少，势垒区宽度减少， 扩散运动超过了漂移运动 qvD q(vD vf ) ， 载流子扩散运动超过了漂移运动→成为正向电流。
→n 区电子进入p区成为p区非平衡少数载流子。 →非平衡少数载流子的电注入。
扩散过程中与多子相遇而不断复合→一个扩散长度 后复合完毕。
x1
Ec1
1
VDP
F
Ev1
xp
内建电场
VD VDP VDN
Ec
Ev xn
Eg1 Eg2
VDN
x1 x2
Ec2 1 2
Ev 2
x1 Eg1 x2 Eg 2
④ p-n结 p- n: n型和p型样占接触在一起p- n结。 n区电子向p区扩散→n区剩下电离施主，形成带 正电荷区。 p区孔穴向n区扩散→p区剩下电离受主，形成带 负电荷区。
第二章 异质结
§2 – 1 异质结及其能带图
①异质结:两种禁带宽度不同的半导体材料，通过一定 的生长方法所形成的结。
②分 类
按电荷分布 按掺杂类型
突变结
缓变结 同型异质结 p-P,n-N
异型异质结 p-N,n-P
③ 能带图 界面上静电场是不连续的；功函数Φ；电子
亲和势X 电子势能增加方向
真空能级
3.同型异质结材料费米能级有差别 → 扩散
4. Eg: X: Φ:
不同， 能带不同
F:
x1
Ec1
Ev1
1
Ec Eg1
Ev
-+
x1 x2 1 2 x1 Eg1 x2 Eg 2
1
2 Ec2
-+
半导体光电子学第2章_异质结
空间电荷 空间电荷区
当扩散的载流子数等于 漂移的载流子数时，达 到了动态平衡。这时在 分界面附近形成了稳定 的正负离子区，即p-n结， 也称为空间电荷区(space charge region)，或耗散 区(depletion region)。
内建电场 电势差 在整个V半D导体中，在耗散区存在
由正离子区指向负离子区的电场， 这就使得耗散区出现电势的变化， 形成p区和n区之间的电势差V0。 n区的电势大于p区的电势。因此， 对空穴来说，n区的势能大于p区 的势能，形成了一个势垒eV0，这 使得空穴只能在p区，不能到达n 区。对电子来说，p区的势能大于 n区的势能，也形成了一个势垒 eV0，使得电子只能在n区，不能 到达p区。 整个半导体的能带结构如图所示。 这个能带图是以电子能量为参照 的。
功函数φ：将一个电子从费米能级EF处转移到真空能级所 需能量。
电子亲和势χ：一个电子从导带底转移到真空能级所需的 能量。
真空能级：真空中静止电子的能量。
功函数φ
真空能级
xφ
EC
F
电子亲和势χ
Eg
真空能级Βιβλιοθήκη EVN一、p-N异质结
作能带图的步骤是： ①以同一水平线的真空能级为参考能级，根据各自的φ、 χ、Eg值画出两种半导体材料的能带图，如图2.1-1所示
当本征半导体的两边分别掺杂不 同类型的杂质时，由于浓度差的 作用，n区的多数载流子电子和p 区的多数载流子空穴分别向p区 和n区扩散。这样在p区和n区的 分界面附近，n区由于电子扩散 到p区而留下不能移动的正离子， p区由于空穴扩散到n区而留下不 能移动的负离子。这些不能移动 的正负离子在分界面附近形成一 个电场E0，称为内置电场。内置 电场的方向是从n区指向p区，阻 碍着电子和空穴的扩散，它使n 区的少数载流子空穴和p区的少 数载流子电子分别向p区和n区作 漂移运动，
同质结和异质结半导体激光器
kT
2
F
1 e
EF E1 kT
价带顶电子占据几率则为 f N ( E1 ) 1 f P ( E1 )
1
E1 EF kT
1
e 1 在结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是
f N (E2 ) f N (E1) EF EF E2 E1 Eg
n c2 A21 n c2 Gν f ν f ν 2 2 2 2 8 ν 8 ν t复合
半导体激光器的工作原理和阈值条件
3.半导体激光器的阈值电流 在一定的时间间隔内，注入激光器的电子总数与同样时间内发生的电子与空穴 复合数相等而达到平衡 c 2 f ν Gν J 2 2 nLwd I 8 ν ed t复合 e 1 G a ln r r 1 2 内 2 2 2 L n c A21 n c G ν f ν f ν 2 2 2 2 f (ν) ν 8 ν 8 ν t复合
由于激光下能级的离子迅速离解，因而拉长脉宽和高重 复率工作都没有困难。
由于准分子的荧光光谱为一连续带，故可做成频率可调 谐器件。 2.准分子激光器的泵浦方式 电子束泵浦:①横向泵浦 ②纵向泵浦 ③同轴电子束泵浦 快速放电泵浦: 快速放电泵浦方式多采用所谓布鲁姆莱(Blumlein)电路
准分子的能级结构
2 2 1 8 ed J阈 a内 ln r1r2 2L c2
同质结和异质结半导体激光器
1. 同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性 伏安特性: 与二极管相同，也具有单向导电性，如图(5－29)所示。
阈值电流密度: 影响阈值的因素很多
方向性: 图(5-30)给出了半导体激光束的空间 分布示意图。
半导体光电子学第二章第四章
eVD=φ1-φ2=F1-F2=e（VDp+VDN）
由泊松方程
( x) V x, t r 0
2
E ( x) dV / dx
VDp eN A1 x p / 2 1
2
VDN eN D2 x N / 2 2
2
V Dp / V DN
2 N A1 x p 1 N D2 x N
由构成异质结的两种半导体材料的掺杂（或 导电）类型，可将异质结分为: 异型异质结：P-n，p-N； 同型异质结：n-N，p-P。 P，N宽带隙材料；p，n窄带隙材料。
突变结、缓变结：按照过度区空间电荷分布情况及 厚度的不同，前者有明显的空间电荷区边界，其厚 度只有几个晶格常数大小，而后者的空间电荷浓度 向体内逐渐变化，其厚度可达几个载流子扩散长度。
三、异质结在光电二极管探测器中的应用 作为光探测器，希望它有宽的光谱响应范围和高的光 电转换效率。在包含有异质结的光电二极管中，宽带 隙半导体成为窄带隙半导体的输入窗，利用这种窗口 效应，可以使光电二极管的光谱响应范围加宽。如图 2.2-1(a)，异质结由宽带隙Eg1和窄带隙Eg2两种半导体 组成，Eg1＞Eg2，只要入射光子能量hν＜Eg1，则光 能透过1，透射谱线如图中虚线所示。透过半导体1的 光子，如果能量满足hν＞Eg2，则它被半导体2吸收， 吸收谱线如图中实线。显然，图中阴影部分表示这种 结构的光探测器能有效工作的范围，入射光子应满足 Eg1＞hν＞Eg2。如图(b)中表示同质结的情况，可见这 种结构半导体有效吸收的光子非常有限。
真空能级
能带分析
功函数φ：将一个 电子从费米能级EF 处转移到真空能级 所需能量。
x
EC F
φ
Eg EV
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p
n
+
-+
-
-+
势扩中 垒散性
区区区
一.pN异型异质结
由电子型半导体中电离施主和空穴型半 导体受主组成。
Ec x1 x2
Ev
(E g2
x2 ) (Eg1
x1 )
Eg x Eg Ec
二.突变同型异质结
❖ nN , pP
1.同型异质结由多数载流子相互扩散形成空间电荷区
2.同型异质结性质 → 扩散
4. Eg: X: Φ:
不同， 能带不同
F:
x1
Ec1
Ev1
1
Ec Eg1
Ev
-+
x1 x2 1 2 x1 Eg1 x2 Eg 2
1
2 Ec2
-+
F
+
Ev
Ev 2
形成结后能带
三.缓变异质结
1.能带不连续性小时，尖峰、尖谷淡化
2.在外加电场作用下，缓变结与突变结有相同的性
第二章 异质结
§2 – 1 异质结及其能带图
①异质结:两种禁带宽度不同的半导体材料，通过一定 的生长方法所形成的结。
②分 类
按电荷分布 按掺杂类型
突变结
缓变结 同型异质结 p-P,n-N
异型异质结 p-N,n-P
③ 能带图 界面上静电场是不连续的；功函数Φ；电子
亲和势X 电子势能增加方向
真空能级
质，Ec
、Ev
和
E
有一定的关系
g
加正向偏压 v f 时，外加电场与内建电场方
向相反，空间电荷相应减少，势垒区宽度减少， 扩散运动超过了漂移运动 qvD q(vD v f ) ， 载流子扩散运动超过了漂移运动→成为正向电流。
→n 区电子进入p区成为p区非平衡少数载流子。 →非平衡少数载流子的电注入。
扩散过程中与多子相遇而不断复合→一个扩散长度 后复合完毕。
x1
Ec1
1
VDP
F
Ev1
xp
内建电场
VD VDP VDN
Ec
Ev xn
Eg1 Eg2
VDN
x1 x2
Ec2 1 2
Ev 2
x1 Eg1 x2 Eg 2
④ p-n结 p- n: n型和p型样占接触在一起p- n结。 n区电子向p区扩散→n区剩下电离施主，形成带 正电荷区。 p区孔穴向n区扩散→p区剩下电离受主，形成带 负电荷区。