半导体光电子器件课件

§1-2 异质结的晶格匹配与异质结在
光电子器件中的应用
一、半导体光电子材料
1.半导体光电材料特性参数
2. 异质结中的晶格匹配
二、半导体材料的折射率
三、异质结特性及在半导体光电子器件中的应用
一、半导体光电子材料.常见半导体材
料（Si、GaAs）
的能带图
半导体的能带
结构与晶向有
关，都比较复
杂，通常以能
量E和波矢k的
关系来表达。

Si的导带的极小值和价
带的极大值不在同一k
值处，因而为间接带；
GaAs、InP的导带极小值和
价带极大值同在相同的k=0
处，这类材料为直接带隙材料。

1.半导体光电材料特性参数
晶体结构、晶格常数a，热胀系数，能带类型、
（单位为ev）、电子迁移率µn和空穴迁移率µp、禁带宽度E
g
介电常数ε和电子亲合势χ。

•Si间接带隙材料，
金刚石结构，原胞是
面心立方结构，常规
电子器件和高速的集
成电路材料。

Si、Ge等Ⅳ族元素半导体都是
间接带隙等材料，其发光效率非
常低，不适于做发光器件。

•GaAs、InP是直接带隙材料，闪锌矿结构。

沿着它的{110}晶面很容易把晶体一分为二地解理开来，故此面称为解理面。

Ⅲ-Ⅴ族中的直接带隙材料。

在{110}面中，同时有等数量的
Ga原子和As原子，因此显示出电
学中性。

解理面非常平坦、光亮，有较
高的反射率，解理面之间相互平
行，因此两个相向平行的解理面
就构成一个非常好的谐振腔。

二、半导体材料的折射率
不同化合物的禁带宽度Eg和折射率n随组分的变化趋势正好相反，即Eg大的化合物，折射率n反而较小。

这正是设计半导体光电器件常常需要的。

Al x Ga 1-x As 的折射率n 随AlAs 组分x 之间的依赖关系为
2
091.0710.0590.3x
x n +−=Ga x In 1-x As y P 1-y 的折射率n 的表达为
()2
059.0256.04.3y
y y n −+=折射率是一个很重要的光学参数。

折射率的大小、异质结构中的折射率梯度、折射率随波长、载流子浓度、温度等等的变化都会影响半导体激光器、探测器、波导器件的性能，尤其会影响激光的波长和模式。

掌握其变化规律，并且充分地利用其特性来满足器件的设计、制造和应用的要求。

三、异质结特性及在半导体光电子器件中的应用
1.异质结的特性
和折射率差∆n这两种本质性异质结构具有带隙差∆E
g
质，它们为异质结带来一系列重要的特性和效应：
●高注入比、超注入效应
●对载流子和光波的限制、导波效应
●窗口效应等等
这些特性和效应构成了半导体光电子技术的物理基础。

（2）异质结对载流子和光波的限制、波导效应
异质结的带隙差∆E g （亦即导带差∆E c 和价带差∆E v ）对载流子（电子和空穴）有限制作用，防止载流子向外泄露。

同时，异质结的折射率差∆n 能够提供波导结构，对于高折射率材料中传播的光波具有光限制作用，防止光波向外泄露。

♦在半导体激光器中的应用
（LD-Laser Diode ）
♦异质结在发光二极管中的应用
（LED-Laser Emitting Diode）
LED同LD，采用多层异质结结构，作用：a.将注入电子和空穴限制在有源层中；b.非平衡载流子复合产生的光子在异质结的波导效应下，能有效地减少内部损耗。

(3) 窗口效应
两种半导体材料在一起构成异质结时，由于禁带宽度不同，它们对光波的吸收波长也就不同。

半导体只吸收波长小于带隙吸收边（λg ＝1.24/E g )的光波，而对于波长比λg 长的光波来说，它就是透明的。

异质结的这种作用称之为窗口效应。

ħv
1
2
2
1
入射光
入射光
透射系数和吸收系数
透射系数和吸收系数光子能量光子能量2
1g g E E >>νh 2
1g g E E =ħv
E g1
E g2
E g2
E g1
ħv ħv
§1-3 金半结与MOS结构
〈一〉金属与半导体接触及其能级图
F
m E E W −=0一、金属与半导体接触
1.金属的功函数
金属的功函数约为几个电子伏特，铯(Cs)的功函数最低为1.93eV,铂（Pt ）的功函数最高为5.36eV 。

金属的功函数大小标志着电子在金属中束缚的强弱，W m 越大，电子越不易离开金属。

意义：一个起始能量等于费米能级能量的电子，由金属内部逸出到真空中所需的最小能量。

2.半导体的表面态
常把固体与真空之间的分界面叫“表面”而把不同相或不同类物质之间的分界面叫“界面”。

“表面”实际上并不是一个几何面，而是指大块晶体的三维周期结构与真空之间的过渡区，它包括了所有不具有体内三维周期性的原子层。

半导体表面态概念见前面及讲义
表面态对半导体各种物理过程有很重要的影响，特别是对许多半导体器件的性能影响更大。

由于接触电势差的存在，使得电子的流动受到影响。

分两种情况讨论
（1）金属与n型半导体接触
（2）金属与p型半导体接触
4.半导体的表面态对接触势垒的影响
(1)由s m n s m n D ms W E W W E eV e χφ−=+−=+=可知，金属与半导体接触，电子从金属进入半导体的势垒高度应随金属的功函数W m 的不同而不同。

(2)但实际测量结果并非如此，金属的功函数对势垒高度应没有多大影响，进一步研究表明，这是由于半导体存在表面态的缘故。

问题：为什么？
(3)一般来说，由于半导体表面态密度不同，当金属与半导体接触时，接触电势差有一部分降在半导体—金属交界面上，金属功函数对表面势垒有不同程度的影响。

结论：金属—半导体接触形成的阻挡层，有与p-n结类似的单向导电性。

整流现象—电流在某一方向较易流动，而在相反方向则很难通过。

2）金半结整流理论（定量讨论）*扩散理论
*电子发射理论
*电子发射—扩散综合理论
•镜象力效应
•光声子散射
•量子力学反射
3）肖特基势垒二极管
★其与p-n 结二极管有类似的电流电压关系，都
具有单向导电特性。

利用金半结整流特性制成的二极管。

★其与p-n 结二极管有区别：
1°载流子的运动形式。

p-n 结正向导电时，具有电荷的存贮效应即注入的是非平衡载流子的积累，严重影响p-n 结的高频特性；肖特基势垒二极管是多数载流子器件，比p-n 结二极管具有更好的高频特性。

2°对相同的势垒高度：肖特基势垒二极管的J sD 或J sT 要比p-n 结
的反向饱和电流J s 大得多。

肖特基势垒二极管在高速集成电路，微波技术中有重要的应用。

2.金半结的欧姆接触
1）什么是欧姆接触？
●金属—半导体除了形成整流接触外，还可以形成非整流接触，即欧姆接触。

●欧姆接触——是指它不明显地产生附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度显著改变。

2）如何实现欧姆接触？
3）制作欧姆接触最常用的方法。