第三章异质结的能带图讲解演示精品PPT课件
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异质结的能带图剖析PPT课件
(4.17)
4.1.3 隧穿机制
J Js (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)
Lg(J)
T1 T2 T3
V 第22页/共34页
4.2 异质结的注入比
电子面临的势垒下降:VD-EC
空穴面临的势垒上4升. 2: V异D+质E结v 的 注 入 比
第8页/共34页
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.
qVD1 ΔEV
qVD2
( 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
qVD2
qV k0T
)
1]exp(
x1 Ln1
)
exp(
x Ln1
)
电子扩散电流密度
Jn qD | [exp( ) 1] d[n1(x)n10 ]
qDn1n10
qV
n1
dx
x x1 第1L5n页1 /共34页 k0T
(4.5)
p2从0 p型区p1价0 带ex底p到(n型(q区VDk价0T带E底v )的势垒高度(为4.6)
式中D为常数。 同质结:Eg=0,r=D。 异质结:r 随着Eg呈指数上升。 例如了E,七g=在十0.p3四-3Ge万VaA,倍s/结。N果在-A注同l0.3入样Ga比的0.7r正A高s向异达电质7.4压结×下中10,,5,可它因以们而获的注得入更比高提的高
注入电子浓度。
对于晶体管和半导体激光器等器件来说, “注人比” 是个很重要的物理量, 它决定晶体管的放大倍数 、激光器的注人效率和阐值电流密度, 因为总电流中 只有注人到基区或有源区中的少数载流子, 才对器件的 功能发挥真正的作用所以, 用异质结宽带隙材料作发射 极, 效率会很高, 这是异质结的特性之一
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.
? 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.
第三章 异质结能带图
根据两种半导体材料的电子亲和能、禁带宽度和功函数的不同,基于 Anderson模型的pN异质结能带图通常分为4种情况: qVD1 Eg1 Eg2 qVD1
ΔEc
qVD2
Eg1
ΔEc
qVD2 Eg2
1 2 ,1 2 , 2 1 Eg1
1 2 ,1 2 , 2 1 Eg1
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
qVD1
ΔEc qVD2
Eg1
Eg2
EC qVD qV J Ad exp( )[exp( ) 1] kt kT
其中,
Ad qND 2
D n1 Ln 2
(3)第三种情况
1 2 ,1 2 , 1 Eg1 2 Eg 2
qVD1
Eg1
ΔEc
qVD2
Eg2
第二种情况主要有: pN-Si/CdSe, pN-Si/CdS, pN-GaAs/ZnSe, pN-ZnTe/ZnSe, pN-ZnTe/Cd 第三种情况主要有: pN-PbS/GaAs 第四种情况主要有: pN-GaSbAs/InGaAs
3.1.2 nP异质结能带图
基于Anderson 模型的nP能带图也分为4种情况: (1)第一种情况
1 2 , 1 2
qVD2
Eg2 Eg1
Eg2 ΔEV qVD2
Eg1 qVD1
ΔEV
ΔEc
qVD2
Eg1
ΔEc
qVD2 Eg2
1 2 ,1 2 , 2 1 Eg1
1 2 ,1 2 , 2 1 Eg1
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
qVD1
ΔEc qVD2
Eg1
Eg2
EC qVD qV J Ad exp( )[exp( ) 1] kt kT
其中,
Ad qND 2
D n1 Ln 2
(3)第三种情况
1 2 ,1 2 , 1 Eg1 2 Eg 2
qVD1
Eg1
ΔEc
qVD2
Eg2
第二种情况主要有: pN-Si/CdSe, pN-Si/CdS, pN-GaAs/ZnSe, pN-ZnTe/ZnSe, pN-ZnTe/Cd 第三种情况主要有: pN-PbS/GaAs 第四种情况主要有: pN-GaSbAs/InGaAs
3.1.2 nP异质结能带图
基于Anderson 模型的nP能带图也分为4种情况: (1)第一种情况
1 2 , 1 2
qVD2
Eg2 Eg1
Eg2 ΔEV qVD2
Eg1 qVD1
ΔEV
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
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:
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:
异质结
金属-半导体接触的能带图
间隙为零 ΔÆ0
qφBn0达到极限 空间电荷区W
qVbi半导体内 建势
对n型半导体,势垒高度的 极限值为金属功函数和半导
qφ Bn = q (φ m − χ )
体电子亲合势之差:
对P型半导体,势垒高度的 q φ Bp = E g − q (φ m − χ )
极限值: 肖特基模型
假设导带中电子能量全部为动能假设导带中电子能量全部为动能电流由能量足以克服势垒的电子浓度和它在电流由能量足以克服势垒的电子浓度和它在xx方向的运动速度给出方向的运动速度给出42设输运沿设输运沿xx方向积分范围方向积分范围零偏压下的内建势零偏压下的内建势为克服势垒在为克服势垒在输运方向需要输运方向需要的最低速度的最低速度这是速度在这是速度在之间分布在所有方向上的单位体积中的电子数之间分布在所有方向上的单位体积中的电子数x方向速度对应的动方向速度对应的动能必须大于势垒高度能必须大于势垒高度其中其中为速率若考虑到不同运动方向可用三个速度分量来表示并且为速率若考虑到不同运动方向可用三个速度分量来表示并且ktqvktktqvkt势垒高度势垒高度bibi热电子发射的有效里查孙常数热电子发射的有效里查孙常数电子向真空发电子向真空发a中将自由电子质量用有效质中将自由电子质量用有效质量来代替量来代替
表面看作一薄层, 在禁带中具有能量连续分布的局域态,由 于表面处电荷的填充,有自己的平衡费米能级EFS0
EF EFS0
若表面态密度Æ∞,体内电
子填充表面能级,且不显著
改变表面费米能级位置,体 内EF下降与EFS平齐,造成 能带弯曲,形成空间电荷区。
在表面态密度很大时, EFS~EFS0, 费米能级定扎。
3。考虑界面复合
在异质结的制备和处理过程中,必然会有悬键存在,还存在各种缺陷 态,这些都可能构成禁带中的界面态,有界面复合电流存在。
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:
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
第3章 金属半导体与异质结PPT课件
eN d
( 1 )2 2(Vbi VR)
C
e x Nd
3
Figure 9.2
反偏与正偏电压下的肖特基势垒的能带图
4
3. 影响肖特基势雷高度的非理想因素 (1) 肖特基效应– 势垒的镜像力降低效应
5
势垒的镜像力导致 肖特基势垒的降低
xm
e 16 s E
eE 4 s
6
(2)其他相关因素的影响:表面态的影响
第三章 金属半导体与半导体异质结
1
3.1 肖特基势垒二极管 1. 性质上的特征
金属元素的功函数和半导体的亲和能
元素 Ag, 银 Al,铝 Au,金 Cr,铬 Mo,钼 Ni,镍 Pd,钯 Pt,铂 Ti,钛 W,钨
功函数,
4.26 4.28 5.1 4.5 4.6 5.15 5.12 5.65 4.33 4.55
Thank You
在别人的演说中思考,在自己的故事里成长
Thinking In Other People‘S Speeches,Growing Up In Your Own Story 讲师:XXXXXX XX年XX月XX日
22
7
4. 电流-电压关系
J s m
e
E
' c
v
x
dn
dn
4
(2
m
* n
)3/2
h3
E E c exp[
( E E F ) ]dE kT
J J s m J m s
[ A *T 2 exp( e n )][exp( eV a ) 1 ]
kT
kT
J sT [exp(
eV a ) 1 ] kT
高掺杂浓度的半导体 依赖于掺杂浓度,隧穿为主
( 1 )2 2(Vbi VR)
C
e x Nd
3
Figure 9.2
反偏与正偏电压下的肖特基势垒的能带图
4
3. 影响肖特基势雷高度的非理想因素 (1) 肖特基效应– 势垒的镜像力降低效应
5
势垒的镜像力导致 肖特基势垒的降低
xm
e 16 s E
eE 4 s
6
(2)其他相关因素的影响:表面态的影响
第三章 金属半导体与半导体异质结
1
3.1 肖特基势垒二极管 1. 性质上的特征
金属元素的功函数和半导体的亲和能
元素 Ag, 银 Al,铝 Au,金 Cr,铬 Mo,钼 Ni,镍 Pd,钯 Pt,铂 Ti,钛 W,钨
功函数,
4.26 4.28 5.1 4.5 4.6 5.15 5.12 5.65 4.33 4.55
Thank You
在别人的演说中思考,在自己的故事里成长
Thinking In Other People‘S Speeches,Growing Up In Your Own Story 讲师:XXXXXX XX年XX月XX日
22
7
4. 电流-电压关系
J s m
e
E
' c
v
x
dn
dn
4
(2
m
* n
)3/2
h3
E E c exp[
( E E F ) ]dE kT
J J s m J m s
[ A *T 2 exp( e n )][exp( eV a ) 1 ]
kT
kT
J sT [exp(
eV a ) 1 ] kT
高掺杂浓度的半导体 依赖于掺杂浓度,隧穿为主
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.”
演示文档半导体异质结.ppt
.精品课件.
24
多量子阱和超晶格中电子的波函数
由于两种构成材料的禁带宽度不同,当窄禁带材料的厚度 小于电子的德布罗意波长时,这种材料即成为载流子的势阱
.精品课件.
25
量子阱效应
一、量子约束效应:量子阱中电子的能级间距与阱宽的平方成反比,对于由 夹在宽禁带材料之间的窄禁带材料薄层构成的量子阱,当薄层狭窄到 足以使电子状态量子化
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
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6
异质结耗尽层宽度的计算
• 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)
• 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
VD VD1 VD2 W1 W2
VD2 NA p VD1 NDn
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。
(x0 x1)
212 ND2VD qNA1(1NA1 2 ND2 )
(x2 x0 )
212 NA1VD qND1(1NA1 2 ND2 )
式中λ为所使用的X
射线波长;L为反射级数;
θ表示衍射角
L=0对应于 布拉格
(Bragg)反射峰,若在较
低角度的第一条伴线取为
L= -1,则在较高角度的第
一条伴线即取L= +1。
上图超晶格的调制
波 长 为 13nm , 而 下 图 超 晶
格 的 调 制 波 长 为 11nm 。 随
着调制波长的增加,伴线变
11
负反向势垒异质结的伏安特性
第三章-能带理论-1PPT优秀课件
i(xxm)*i(xxm)d~xm|mi1
1V121V22J1
反对称,
a
1b
2
反键态, 能量高
2
对称,成 键态,能
量低
7
(r,
p)
1
h3
二、能带的成因
Eieikxmxni*xmxnVVatid
m
ieikxmxnJxmxnieiksJxxs
m
s
8
(r,
p)
1
h3
二、能带的成因
25
(r,
p)
1
h3
三、一维电子:空格子模型
, x0,xL V(x)0, 0xL
一维无限 深势阱
本征波矢:
kl bl 2l2
N Na L
布里渊区:
k
a
,
a
,
2
a
,
a
,
a
,
2
a
,
26
(r,
p)
1
h3
本征能
El
2k2 2m
2m h2 2Ll2
E
特点: E 与 P2 / k2 成正比 不形成能带
2 0 2 k
aa
aa
27
drdp
3.2
弱周期势近似
实际晶格中,势能是周期性变化的, 若势能起伏不太大
取平均势 势的起伏用微扰论处理(周期性微扰)
28
(r,
p)
1
h3
一、模型和微扰计算
V
▪ 周期势: V(x)V(xla )
1.零级近似:
, x0,xL V(x)V, 0xL
2 m 2 d d22tV0(x)E00(x)
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
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.
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.
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
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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。
InGaAs
GaAsSb
电子从一种半导体大量流入到另一种 半导体,使一种半导体存在大量电子 ,而另一种存在大量空穴。使它们具 有导电能力,具有半金属性质。
Inห้องสมุดไป่ตู้s
GaSb
利用分子束外延生长高质量GaAs基GaSb体材料和 InAs/GaSb超晶格材料技术,为下一步制造价格便宜、 性能可靠的N-GaAs/P-GaSb热光伏电池、新一代焦平面
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
什么是Anderson 定则? 异质结能带有几种突变形式? 尖峰的位置与掺杂浓度的关系是什么? 同质结和异质结的电势分布有何异同? 同型异质结有哪些特点。
第三章 异质结的能带图
3.1节 (3.1.1)能带图 (3.1.2)突变反型异质结的接触电势差及势垒区宽
度 (3.1.3)突变同型异质结 (3.1.4)几种异质结的能带图 (3.1.5) 尖峰的位置与掺杂浓度的关系
一 工艺过程
生长方法, 界面态 能带弯曲
影响能带突变的因素
二 异质结晶面的取向
极性半导体,组成半导体的两种原子具有不同的负电性 例如,GAAs, 半 导体中Ga和As对电子的束缚能力不同,当组成晶体时,电子更多地 偏向As原子一方.
(110) : 电中性 (111) 极性- 偶极距
三 组成异质结的半导体特性 偶极距 应变
Ec1
DEc
Eg1
DEC 1 2 (3.1)
Ev1
DEv
DEv (Eg2 Eg1) (1 2 ) (3.2)
DEv DEc (Eg 2 Eg1)
(3.3)
x2
EC2
Ev2
p
n
P-GaAs
n-GaAs
当两种单晶材料组成在一起构成异质结后,它们处于平衡 态,费米能级应当相同。
为了维持各自原有的功函数f和电子亲和势不变,就会形 成空间电荷区,在结的两旁出现静电势,相应的势垒高 度为eVD,e为电子电荷,VD为接触电势。 它等于两种材料的费米能级差:
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
Anderson's rule
• states that when constructing an energy band diagram, the vacuum levels of the two semiconductors on either side of the heterojunction should be aligned
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
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。
内建电场=》空间电荷区中各点有附加电势能,使 空间电荷区的能带发生弯曲。
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
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;
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
qVD qVD1 qVD2 E f 2 E f 1 (3.4)
如何画接触后的异质结能带图
接触前
接触后
EEFC2
Eg1
Eg2
EF1
EECF2
Eg1
Eg2
EF1
1. Align the Fermi level with the two semiconductor bands separated. Leave space for the transition region.
(3.1.1)能带图
Ec
Ec
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,