第十四结 异质结解析
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施主 作用 (p型)
表面态在界面是普遍存在的， 界面能级弯曲由a较小的一方决定； 界面形成积累层、耗尽层；
考虑表面能级的作用时的能级图
受主 作用 (n型)
内容
半导体异质结的简介 异质结的能带结构 异质结的特性 异质结的应用简介
突变异质结的势垒高度和
以突变pn异质结为例 设p型和n型半导体中的杂质都是均匀分布的，则交界面两 边的势垒区中的电荷密度可以写成
21 2 N A1
qN A1ND2
ND2
1N A1
2 VD V
2 ND2
2
(9-43)
半导体异质pn结的电流电压特性及注入 特性
x2 x0 N A1
(9-14)
设V(x)代表势垒区中x电的电势，则突变反型异质结交界 面两边的泊松方程分别为：
由式（9-12）（9-14）得
（x0
x1 )
ND2X D N A1 N D2
（x2
x0 )
NA1X D N A1 N D2
将上述两式代入（9-30）得
VD
Leabharlann Baidu
q
21 2
2
N
A1
ND2X D N A1 ND2
2
1ND2
N A1X D N A1 ND2
2
(9-33) (9-34)
(9-35)
从而算得势垒区宽度XD为
1
X D
21 2 N A1 qN A1ND2 2
N
ND2 D2
2VD
1N A1
2
(9-36)
交VD1与VD2之比为
VD1 2 N D2 VD2 1N A1
而且 Ec Ev Eg2 Eg2
(9-6)
式(9-4)、式(9-5)和式(9-6)对所有突变异
质结普遍适用。
p-n-Ge-GaAs异质结的能带图
突变np异质结的能带图
突变nn异质结
对于反型异质结，两种半导体材料的交界面两边都成了 耗尽层；而在同型异质结中，一般必有一边成为积累层。
突变pp异质结
GaAs-AlxGa1-xAs异质结激光器； 70年代，液相外延、汽相外延、金属氧化物化学汽相
沉积和分子束外延技术的出现，使异质结的生长技术 趋于完善；
半导体异质结的分类
根据两种半导体单晶材料的导电类型，异质 结又分为以下两类： 反型异质结，指有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 同型异质结，指有导电类型相同的两种不
表面能级的作用
根据表面能级理论计算求得，当 金刚石结构的晶体表面能级密度 在1013cm-2以上时，在表面处的费 米能级位于禁带宽度的1/3处（巴 丁极限）
对于n型半导体，悬挂键起受主作 用，因此表面能级向上弯曲。
对于p型半导体悬挂键起施主作用 ，因此表面能级向下弯曲。
考虑表面能级的作用时的能级图
1.能带发生了弯曲。 2.能带在交界面处不连续，有一个突变
则能带总的弯曲量就是真空电子能级的弯
曲量即
qVD qVD1 qVD2 EF 2 EF1
显然 VD VD1 VD2
两种半导体的导带底在交界面的处突变
为（导带阶）Ec 1 2
(9-4)
而价带顶的突变（价带阶）Ev Eg 2 Eg1 1 2 (9-5)
半导体异质结的发展历史
1947年，巴丁，布喇顿，肖克莱发明点接触晶体管； 1949年，肖克莱提出pn结理论； 1957年，克罗默（Kroemer）指出导电类型相反的两
种半导体组成的异质pn结比同质结具有更高的注入效 率；
1962年，Anderson提出异质结的理论模型； 1968年，美国贝尔实验室和前苏联的约飞研究所做成
晶格失配引入悬挂键
金刚石/纤锌矿结构：Si，Ge， GaN，AlN，GaAs，ZnO等
金刚石结构界面悬键密度：
Ns
4
a22 a12 a12a22
（100）
Ns
4
2
a22 a12 a12a22
（110）
Ns
4 3
a22 a12 a12a22
（111）
与面原子密度差别？
衡能带图。有下标“1”者为禁带宽度小的半导体材料的 物理参数，有下标“2”者为禁带宽度大的半导体材料的 物理参数。
平衡时，两块半导体有统一的费米能级
EF EF1 EF 2
因而异质结处于热平衡状态。两块半导 体材料交界面的两端形成了空间电荷区 。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。正负空间 电荷间产生电场，也称为内建电场，因 为电场存在，电子在空间电荷区中各点 有附加电势能，
x1 x0
x x
x0 , 1(x) qNA1 x2 , 2 (x) qND2
势垒区总宽度为
X D x2 x0 x0 x1 d2 d1
(9-12)
势垒区内的正负电荷总量相等，即
qNA1(x0 x1) qND2 (x2 x0 ) Q
(9-13)
式（9-13）可以化简为
x0 x1 ND2
(9-41)
以上是在没有外加电压的情况下，突变反型异质结处于热
平衡状态时得到的一些公式。若在异质结上施加外加电压
V。可以得到异质结处于非平衡状态时的一系列公式：
VD
V
q
21
2
2
N
A1
ND2 X D N A1 ND2
2
1ND2
N A1X D N A1 ND2
(9-42)
1
X D
第十四节 半导体异质结
内容
半导体异质结的简介 异质结的能带结构 异质结的特性 异质结的应用简介
半导体异质结？
由两种不同的半导体材料组成的结，则称为异质结。 本章主要讨论半导体异质结的能带结构、异质pn结的电流
电压特性与注入特性及各种半导体量子阱结构及其电子能 态，并简单介绍一些应用。
同的半导体单晶材料所形成的异质结。 异质结也可以分为突变型异质结（过渡区~
几个原子层）和缓变形异质结（过渡区~几 个扩散长度）。
内容
半导体异质结的简介 异质结的能带结构 异质结的特性 异质结的应用简介
突变型异质结的能带结构
忽略界面态影响； 如图表示两种不同的半导体材料没有形成异质结前的热平
界面态的影响
界面态形成的主要原因：晶格失 配
两种半导体晶格常数a1，a2（ a1<a2），定义晶格失配为： 2(a2-a1)/(a2+a1)
异质结界面，晶格常数较小的半导体存在一部分的不饱和 键，称为悬挂键；悬挂键产生了界面态；
悬挂键密度为界面两端键密度之差： N s N s1 N s2
表面态在界面是普遍存在的， 界面能级弯曲由a较小的一方决定； 界面形成积累层、耗尽层；
考虑表面能级的作用时的能级图
受主 作用 (n型)
内容
半导体异质结的简介 异质结的能带结构 异质结的特性 异质结的应用简介
突变异质结的势垒高度和
以突变pn异质结为例 设p型和n型半导体中的杂质都是均匀分布的，则交界面两 边的势垒区中的电荷密度可以写成
21 2 N A1
qN A1ND2
ND2
1N A1
2 VD V
2 ND2
2
(9-43)
半导体异质pn结的电流电压特性及注入 特性
x2 x0 N A1
(9-14)
设V(x)代表势垒区中x电的电势，则突变反型异质结交界 面两边的泊松方程分别为：
由式（9-12）（9-14）得
（x0
x1 )
ND2X D N A1 N D2
（x2
x0 )
NA1X D N A1 N D2
将上述两式代入（9-30）得
VD
Leabharlann Baidu
q
21 2
2
N
A1
ND2X D N A1 ND2
2
1ND2
N A1X D N A1 ND2
2
(9-33) (9-34)
(9-35)
从而算得势垒区宽度XD为
1
X D
21 2 N A1 qN A1ND2 2
N
ND2 D2
2VD
1N A1
2
(9-36)
交VD1与VD2之比为
VD1 2 N D2 VD2 1N A1
而且 Ec Ev Eg2 Eg2
(9-6)
式(9-4)、式(9-5)和式(9-6)对所有突变异
质结普遍适用。
p-n-Ge-GaAs异质结的能带图
突变np异质结的能带图
突变nn异质结
对于反型异质结，两种半导体材料的交界面两边都成了 耗尽层；而在同型异质结中，一般必有一边成为积累层。
突变pp异质结
GaAs-AlxGa1-xAs异质结激光器； 70年代，液相外延、汽相外延、金属氧化物化学汽相
沉积和分子束外延技术的出现，使异质结的生长技术 趋于完善；
半导体异质结的分类
根据两种半导体单晶材料的导电类型，异质 结又分为以下两类： 反型异质结，指有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 同型异质结，指有导电类型相同的两种不
表面能级的作用
根据表面能级理论计算求得，当 金刚石结构的晶体表面能级密度 在1013cm-2以上时，在表面处的费 米能级位于禁带宽度的1/3处（巴 丁极限）
对于n型半导体，悬挂键起受主作 用，因此表面能级向上弯曲。
对于p型半导体悬挂键起施主作用 ，因此表面能级向下弯曲。
考虑表面能级的作用时的能级图
1.能带发生了弯曲。 2.能带在交界面处不连续，有一个突变
则能带总的弯曲量就是真空电子能级的弯
曲量即
qVD qVD1 qVD2 EF 2 EF1
显然 VD VD1 VD2
两种半导体的导带底在交界面的处突变
为（导带阶）Ec 1 2
(9-4)
而价带顶的突变（价带阶）Ev Eg 2 Eg1 1 2 (9-5)
半导体异质结的发展历史
1947年，巴丁，布喇顿，肖克莱发明点接触晶体管； 1949年，肖克莱提出pn结理论； 1957年，克罗默（Kroemer）指出导电类型相反的两
种半导体组成的异质pn结比同质结具有更高的注入效 率；
1962年，Anderson提出异质结的理论模型； 1968年，美国贝尔实验室和前苏联的约飞研究所做成
晶格失配引入悬挂键
金刚石/纤锌矿结构：Si，Ge， GaN，AlN，GaAs，ZnO等
金刚石结构界面悬键密度：
Ns
4
a22 a12 a12a22
（100）
Ns
4
2
a22 a12 a12a22
（110）
Ns
4 3
a22 a12 a12a22
（111）
与面原子密度差别？
衡能带图。有下标“1”者为禁带宽度小的半导体材料的 物理参数，有下标“2”者为禁带宽度大的半导体材料的 物理参数。
平衡时，两块半导体有统一的费米能级
EF EF1 EF 2
因而异质结处于热平衡状态。两块半导 体材料交界面的两端形成了空间电荷区 。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。正负空间 电荷间产生电场，也称为内建电场，因 为电场存在，电子在空间电荷区中各点 有附加电势能，
x1 x0
x x
x0 , 1(x) qNA1 x2 , 2 (x) qND2
势垒区总宽度为
X D x2 x0 x0 x1 d2 d1
(9-12)
势垒区内的正负电荷总量相等，即
qNA1(x0 x1) qND2 (x2 x0 ) Q
(9-13)
式（9-13）可以化简为
x0 x1 ND2
(9-41)
以上是在没有外加电压的情况下，突变反型异质结处于热
平衡状态时得到的一些公式。若在异质结上施加外加电压
V。可以得到异质结处于非平衡状态时的一系列公式：
VD
V
q
21
2
2
N
A1
ND2 X D N A1 ND2
2
1ND2
N A1X D N A1 ND2
(9-42)
1
X D
第十四节 半导体异质结
内容
半导体异质结的简介 异质结的能带结构 异质结的特性 异质结的应用简介
半导体异质结？
由两种不同的半导体材料组成的结，则称为异质结。 本章主要讨论半导体异质结的能带结构、异质pn结的电流
电压特性与注入特性及各种半导体量子阱结构及其电子能 态，并简单介绍一些应用。
同的半导体单晶材料所形成的异质结。 异质结也可以分为突变型异质结（过渡区~
几个原子层）和缓变形异质结（过渡区~几 个扩散长度）。
内容
半导体异质结的简介 异质结的能带结构 异质结的特性 异质结的应用简介
突变型异质结的能带结构
忽略界面态影响； 如图表示两种不同的半导体材料没有形成异质结前的热平
界面态的影响
界面态形成的主要原因：晶格失 配
两种半导体晶格常数a1，a2（ a1<a2），定义晶格失配为： 2(a2-a1)/(a2+a1)
异质结界面，晶格常数较小的半导体存在一部分的不饱和 键，称为悬挂键；悬挂键产生了界面态；
悬挂键密度为界面两端键密度之差： N s N s1 N s2