2015第5次课 第三章 异质结的能带图(3)

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2015第4次课第三章异质结的能带图2解析

2015第4次课第三章异质结的能带图2解析
– 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.

第3章 异质结构

第3章 异质结构
2
1
突变结:在异质结界面附近,两种材料的组
分、掺杂浓度发生突变,有明显的空间电荷 区边界,其厚度仅为若干原子间距。
缓变结:在异质结界面附近,组分和掺杂浓
度逐渐变化,存在有一过渡层,其空间电荷 浓度也逐渐向体内变化,厚度可达几个电子 或空穴的扩散长度。
同型异质结:导电类型相同的异质结
如:N‐AlxGa1‐xAs/n‐GaAs, p‐GexSi1‐x/p‐Si
EC1
EC2 EC2
VDN EV 2 EV2
VDp Eg2
EDp Eg Eg2
EC
2
eND 2 2
eNA ( 21 xN 2
xp x)2 (xN x)2
x xp xp ≤x 0
0 x ≤xN xN x
x xp xp ≤x 0 0 x ≤xN
eV D F1 F2 F
依据这一分析,很容易发现异质结界面无论是导带还是价 带都会出现不连续性。导带底和价带顶的这种不连续性 分别为EC和EV:
Eg Ec Ev (Eg 2 Eg1)
Ec 1 2 Ev Eg Ec Eg
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。 3. 而价带差等于带隙差减去导带差。
16
8
17
自建电场E的作用下,电子和空穴的飘移电流分别为:
ins n E ne n E
ips p E pe p E
从泊松(Poisoon)方程出发,利用‫׏‬D =‫׏‬(E)=式,推导出 电子和空穴的扩散电流分别为:
i nd
eDn
dn dx
i pd
eD p
dp dx
流经异质i结n 界i面ns 的i空nd 穴 电ne流 n等E于空eD穴n的ddn飘x 移电流:

2015第4次课 第三章 异质结的能带图(2)解析

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.”

第三章 异质结能带图

第三章 异质结能带图

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
伏安特性关系式为:
qVD EC qV J B exp( ) exp( ) 1 kT kT
(2)第二种情况
1 2 ,1 2 , 1 Eg1 2 Eg 2
qVD2
qVD1
ΔEC
Eg1
Eg2
伏安特性关系式为:
qV J B exp( ) 1 kT
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
(4)第四种情况
1 2 ,1 2 , 1 Eg1 2 Eg 2
qVD1 EC
Eg2 Eg1 qVD1
ΔEV
qVD2
此种情况与第三种情况能带图qVD1>ΔEc时的伏安特性关系式相同
(4)第四种情况
1 2 ,1 2 , 1 Eg1 2 Eg 2
kT 1/ 2 ) 2m p
(2)第二种情况
1 2 ,1 2 , 1 Eg1 2 Eg 2
Eg1
qVD1 ΔEV
Eg2
qVD
2

2015第4次课 第三章 异质结的能带图(2)

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)

2015异质结的能带图详解

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

《半导体光电子学课件》下集2.1异质结及其能带图

《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

第三章 能带理论ppt课件

第三章 能带理论ppt课件

V1
差别越大,影响越小。
k 1 k k1 k 2
4. 布里渊边界处的态
▪ 当时,k=nπ/a 上面的微扰计算不适用
▪ 如 k=π/a 和 k’= -π/a 是简并的 ▪ 即:在布里渊区边界的态,要考虑简并问题
▪ 考虑两个态:
k n (1)
a
k' k n 2 n (1 )
a
a
n
n
a
a
.
▪ 类似于两个波形成共价键的处理方法:
二、K的值及物理意义
K的意义:K是Bloch波的波矢,但hK并不 是电子的动量。
hK被称为“晶体动量”,K是描述电子状 态的一个量子数。
.
思考复习
1. 简单说明原子的能级与固体能带间的联

2. 什么是Born——Oppenheimer 绝热近似?
解释该近似的根据。
3. 能带论的单电子近似采用哪些近似? 4. 简述布洛赫定理 。试说明电子布洛赫
简约波矢 k
▪ 第m个带(不含简约区)的波矢 2
k k m a.
▪ 可以把各个带的态都在简约区内表示。
E
k
.
§4-3 三维周期场中电子运动 的近自由电子近似
一维的讨论可以推广到二维、三维 一、模型
2m 2 /2V(r)(r)E(r)
V (r) V (rR n)
.
0—级近似
空盒子模型
k0(r)
2m 2 dd22tV0(x)E00(x)
.

零阶解:
kl
l 2,
Na
l:整数
Ek0
2k2 2m
V
k0(x)
1 eikx L
解为平面波——因为忽略了晶格势的变化

异质结

异质结

1异质结的理想能带结构先不考虑界面态的影响来讨论异质结的理想能带图。

(1)异质结的形成当两种不同导电类型的不同半导体材料构成异质结时,由于半导体的能带结构包括费米能级以及载流予浓度的不同,在不同半导体之间会发生载流子的扩散、转移,直到费米能级拉平,这样就形成了势垒。

此时的异质结处于热平衡状态,如图1.2所示(n型的禁带宽度比p型的大)。

与此同时,在两种半导体材料交界面的两边形成了空间电荷区(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、负空间电荷问产生电场,也称为内建电场,方向n—p,使结区的能带发生弯曲。

由于组成异质结的两种半导体材料的介电常数不同,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,界面两边的导带出现明显的“尖峰”和“尖谷”,价带出现断续,如图1.2所示。

这是异质结与同质结明显不同之处。

(2)不同导电类型和禁带宽度构成的异质结由两种半导体材料(导电类型和禁带宽度不同)构成的异质结,其能带结构有四种不同的类型(图1.3)。

在异质结器件中我们首先关心的是少子的运动。

因为在这种“p窄n宽”的异质结中图l.3(a),导带底在交界面处的突变△Ee对P区中的电子向n区的运动起势垒的作用,所以对电子的输运影响较大。

而价带虽然也有一个断续,但它对n区中的空穴向p区运动没有明显的影响,~般情况下可以不加考虑。

反之,对于“p宽n窄”的异质结[图1.3(d)],情况正好相反,界面两边的价带出现明显的“尖峰”和“尖谷”,所以对空穴的输运影响较大。

导带出现断续,但它对p区的电子向n区运动也没有明显的影响。

同型异质结也同样存在“尖峰”和“尖谷”[图1.3(b)、(c)]。

异质结内尖峰的存在阻止了电子的输运,这就是所谓的“载流予的限制作用”。

(3)各自掺杂浓度来决定尖峰在势垒区中的位置尖峰的位置处于势垒上的什么位置将由两边材料的相对掺杂浓度来决定。

2015第3次课第三章异质结的能带图详解

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

9.1 异质结及其能带图

9.1 异质结及其能带图

qND2
2
x0 x x2
2、突变反型异质结的接触电势差及势垒区宽度
平衡异质结接触电势差和势垒宽度
VD
q
21
2
2
N
A1
ND2 XD NA1 ND2
2
1ND2
NA1 X D NA1 ND2
2
1
XD
212 (N A1 qN A1 ND2 ( 2
N
N
D2
D2
) 2 VD
1 N A1
EC EV Eg 2 Eg1
图9-2 实际的p-nGe-GaAs异质结的平衡能带图
1、异质结的能带图(不考虑界面态) 图9-3突变n-p异质结的平衡能带图
1、异质结的能带图(不考虑界面态)
同型异质结的能带图(不考虑界面态)
积耗 累尽
(a)
(b) 图9-4 n-n异质结的平衡能带图
1、异质结的能带图(不考虑界面态)
真空电子能级的弯曲量。
qVD
➢ 在结区,p型半导体一边形 成空穴阻挡层,n型半导体 一边形成电子阻挡层。
图9-1
1、异质结的能带图(不考虑界面态)
➢ 交界面附近的能带的两个特点
(1)能带发生弯曲。n型半导体的导带弯曲量qVD2,而且
导带底在交界面处形成向上的“尖峰”。p型半导体的导带
底和价带顶的弯曲量qVD1,而且导带底在交界面处形成以向
图9-9 计入界面态影响时异质结的能带示意图
2、突变反型异质结的接触电势差及势垒区宽度
方法类似于第六、七章中讨论 过的:突变耗尽近似方法。
从泊松方程出发,进行两次积 分,并利用一定的边界条件, 获得接触电势差与势垒区宽度。
d 2V1 x qNA1

2015第4次课 第三章 异质结的能带图(2)

2015第4次课 第三章 异质结的能带图(2)
nitrogen-polarity InN/AlN(0001)heterojunction
has been determined by photoelectron spectroscopy to be 3.10±0.04 eV.
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.
2
1
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。
Valence band offset of wurtzite InN/AlN heterojunction determined by photoelectron spectroscopy
q12N A 1N D 2
D
C-2
- pn +
0 VD
V
E c q V D 2 ( E g 1 1 ) ( 3 .3 3 )
3.2.3 耗尽层法测 band offset
同型异质结
Ec 1 qVD1 qVD2 2
Ec qVD 2 1
(3.34)
2
Ec
EF
kT
ln
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.

第三章 异质结能带图

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

能带图画法

能带图画法
电势能
Ee分布
ΔEe=‒qΔV
能带图
移带
定界
补齐费米
快速画法
想象能带是一块长方形粘土并运用以下法则。和传统画法口诀有重复,纯粹为押韵。
扭带定端
像扭动粘土一样扭动能带,保持能带深处(远端)平直、禁带宽度不变和能带接触端面(近端)落差不变。
浓窄浅宽
载流子浓度大的地方能带扭曲区( =势垒/阱区=空间电荷区)窄,且曲率大(根据泊松方程)。反之宽且曲率小。因为浓度大处电阻小承担压降小,反之同理。金属永远几乎不弯。
可崩可穿
雪崩和隧穿都会产生破坏正常→电场E分布→电压V分布→电势能Ee分布→结构能带图
依据原理
P-N结
异质结(某例)
金半接触(某例)
半导体-绝缘体
材料能带图
费米能级高流低
净电荷密度ρ
分布
电中性,
掺杂/载流子浓度
电场E
分布
高斯定律
dE/dx=ρ/ε
(一维)
泊松方程
电压V
分布
电压定义
E=‒dV/dx
(一维)
费米齐全
扭动结果是两边费米能级齐平。根据费米能级与导/价带关系,补全电子和空穴在能带图上的浓度分布图,形成可直接用来分析结构行为的热平衡能带图。
画到这一步时,达到与传统画法相同的结果。接下来是快速定性分析。
阻直通弯
在异质材料互连时,定端原则会形成两种端面形状,直角端面和弯角端面。在端面两侧允能带上都有多数载流子且形成肖特基势垒接触形态时,直角侧载流子向对面的注入电流几乎为零且不随结电压变化而变化,弯角侧载流子注入电流随结电压指数变化。都弯就都指数。

化合物半导体器件第三章半导体异质结全解

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

异质结

最重要的应用:光电子器件方面
只有一种载流子 起作用
单极整流结构:
半导体激光器 光探测器 太阳电池
组分缓变 当 X= 0Æ0.4, 带隙=1.42Æ1.92eV
组分变化示意图。
(15)
平衡能带图。
正向偏置:电压降加在缓变层上,使势垒的斜率降低,并增加越过势垒 的热电子发射。 (多子电流)
正向偏置下的能带图。 反向偏置:电子受阻,不能通过电势突变不连续处。
(2 Vbi
qε s
−V
ND − kT
/
q)
=
εs
W
F / cm2
(27)
( ) 1
C2

2
Vbi
−V − kT
qε s N D
/q
或 − d(1 / C 2 ) = 2
dV
qε s N DNDLeabharlann =2qε s
⎢⎡− ⎣
1 d(1 / C 2 ) /
dV
⎤ ⎥ ⎦
若在整个耗尽区内ND为常数,做1/C2-V关系应该为直线。
带阶
导带边的能量差 ΔEC Æ导带带阶 价带边的能量差 ΔEV Æ价带带阶
下面分析几种同型和异型异质结。通常设右侧材料具有较宽的 (3) 带隙。分别讨论n-p,n-n,p-n,p-p异质结的能带结构。
1. 理想n-p异质结 (窄带隙的n型和宽带隙的p型,且χ1> χ 2 )
两片孤立半导体能带图
(4)
φ Q m 金属功函数
sc 半导体空间电荷
φB0 ,φBn 势垒高度
Qss 界面陷阱电荷密度
φ Q 0 界面态中性能级 M 金属表面电荷密度
Δ D 界面层上的电势 s 界面陷阱密度
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(4.7)
J J n J p q(
Jn
qDn1n20 Ln1
qDn1n10 Ln1

Dp 2 p20 Lp 2
)[exp(
qV k0T
) 1]
(4.9)
(4.8)
将少子n10和p 20用多子n20来表示 exp[
Lp 2
q (VD EC ) k0T
[exp( kqV ) 1] 0T
qV2 k0T
) exp(
qV1 k0T
)]
正向时可忽略
(4.13)
正反两个方向的电压都按指 数增加
(4.13)室不能应用于反向情况 ,因为反向时,电子流是从 p区注入到n区的,反向电流 由 p区少数载流子决定,在 较大的反向电压下应该是饱 和的。
扩散或热电子发射:
qVD2 qV2 J qvr n20 exp( ) exp( ) k0T k0T V V 1 V (1 )V 2 (1 ) 1 (4.14) (4.15) (4.16)
|

qDn1n10 Ln1
[exp(
qV k0T
) 1]
(4.5)
D 型区价带底到 n型区价带底的势垒高度为 p从p p exp( ) (4.6)
20
qVD1+qVD2+Ev=qVD+Ev
10
( qV Ev k0T
p2 ( x2 ) p10 exp( p20 exp(
[ q (VD V ) Ev k0T
一边扩散,一边复合,建立起稳定 的过剩载流子分布。
n ( x) n A exp( x ) B exp( x ) 1 10 L L n1 n1
x ,n1( ) n10
) 求A: n1 () n10 A exp( L ) B exp( L
n1 n1

V V 2 qVD2 qV2 J qvr n20 exp( ) exp( ) k0T k0T
是二极管的理想因子
(4.17)
4.1.3 隧穿机制
J J s (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)
T1 T2 T3
Lg(J)
有源区 尺寸 阈值电流
老化环境
测量
采用的样品
The capacitance of a p -n heterojunction, excluding interface states and deep-level traps, has been given by Anderson
The effect of interface states on the single-heterojunction capacitance was investigated by Donnelly and Milnes who obtained the following expression:
P 区少子和n区多子关系
n10 n20 exp[(
qVD EC k0T
)]
(4.1)
有偏压
零偏压
n1 ( x1 ) n20 exp

[ q (VD V ) EC ] k0T

EC qV n20 exp[( qVDk )]exp ( k0T ) 0T
n1 ( x1 ) n10 exp(
同质P-n结时的情况
D n p 0 nn 0 exp( qV k0T )
J Js[exp( eV kT ) 1] Js [
qDn n p 0 Ln

qD p pn0 Lp
]
当外加电压V施加在半导体 材料上时,其伏安特性即电 压同电流的关系为: I=A[exp(eV/kT)-1] 式中A为一常数,e为电子电 荷,k为玻尔兹曼常数,T为 温度。可以看出电流的大小 是随着外加电电压的增大而 呈指数形式上升的。
3.3.2 界面态密度很大
存在类施主界面态时的异质结能带
p-N n-P p-p
存在类受主界面态时的异质结能带 p-N n-P n-N
第四章 异质结的伏安特性
电流传输
正向突变反型异质结
通过势垒的方式多样,一般不存在多数情况下占主导的机制
可能的机制有:
扩散
发射 隧穿 复合
多 种 模 型
扩散-发射 发射-复合 隧穿-复合 发射-复合-隧穿
]
[ EC q (VD1 V1 )] k0T
)]exp[
]
V1 )] J1 qvr n20 exp[ q (VkD02 ] T
EC n10 n20 exp[( qVDk )] 0T
(4.12)
J J 2 J1 qvr n20 exp(
qVD 2 k0T
)[exp(
)
qV k0T
)
x2 x p2 ( x) p20 p20 [exp( kqV ) 1]exp( Lp 2 ) 0T
空穴扩散电流密度
qDp 2 p20 d[ p2 ( x) p20 ] qV J p qDp 2 | [exp( ) 1] x x2 dx Lp 2 k0T
1. 2. 3. 4. 5.
界面态等缺陷--------界面能级 界面能级--------施主能级 受主能级 能级位臵,分立能级,连续能级 电离后带电, 界面电荷 对能带图产生影响: 弯曲方向,势垒高度
Q1 Q2 QIS 0
3.3.1 界面态密度较小
不影响异质结的基本形状
Formation of interface states and defects in GaAs-AlxGa1- xAs DH lasers under room-temperature cw operation *
例 界面态对激光器性能的影响老化实验
1. The active layer had a thickness of 0.3 mm. 2. The lasers had the mesa pe geometry and a Fabry-Perot cavity of approximately 350x 20 mm2 3. The pulsed threshold currents before aging were between 2.4 and 4kA/cm2 4. Degradation experiments were performed in a nitrogen gas environment at 20° C with a dc current 10-20% above the pulsed threshold. 5. The aging test was interrupted periodically and the lasers'characteristics were measured.
A
J 2 qvr n20 exp[
q (VD 2 V2 ) k0T
]
(4.11)
由p区注入到n区的电子要越过势垒高度
EC q(VD1 V1 )
J1 qvr n10 exp[ qvr n20 exp[(
[ EC q (VD1 V1 )] k0T qVD EC k0T
x n1 ( x) n10 A exp( L ) B exp( Lx ) n1 n1 x1 qV x B exp( Lx ) n [exp( ) 1]exp( ) exp( ) 10 k T L L n1 0 n1 n1
电子扩散电流密度 Jn qD
d [ n1 ( x ) n10 ] n1 x x1 dx
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. ( 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 制进入p区,异质pn 结的电流主要 有电子发射机制决定-发射模型.
where QIS is the interface charge per unit area
the doping level in
the active layer is 2x1017cm-3 16 h degradation, the slope of line 2 remains essentially the same as line 1. VD 1. 58 V. QIS= 3x1012 cm-2 . 62 h degradation(line 3), the slope is reduced but the diffusion voltage remains unchanged. This indicates an increase of the ionized charge density greater than 1017 cm3 in the active layer. The changes of the C-V characteristics show that the charge centers are formed first at the interface and then spread into the active layer.
n10 n10 0 A exp( L ) A0 n1
x1 x x1,n1 ( x1 ) n10 B exp( Ln1 )
B (n1 ( x1 ) n10 ) exp( Lxn11 )
x1 求B: [n10 exp( kqV ) n ]exp( 10 Ln1 ) 0T x1 n10 [exp( kqV ) 1]exp( Ln1 ) 0T
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