第九章半导体异质结结构 PPT
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图9.1 形成突变pn异质结之前和之后的平均能带图
如从图中可见，在形成异质结之前，p型半导体的费米能
级EF1的位置为
EF1 Ev1 1
(9-1)
而n型的半导体的费米能级EF2的位置为
EF 2 Ec2 2
(9-2)
当这两块导电类型相反的半导体材料紧密接触形成异质结
时，由于n型半导体的费米能级位置高，电子将从n型半导
第九章 半导体异质结结构
以前讨论的pn结，是由导电类型相反的同一种半导体单晶 体材料组成的，通常也称为同质结。而两种不同的半导体 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。
§9.1 半导体异质结结构及其能带图
从图中看到有两块半导体材料的交界面即附近的能带可反 应出两个特点：1.能带发生了弯曲。2.能带再交界面处不 连续，有一个突变。
两种半导体的导带底在交界面的处突变Ec为
Ec 1 2
(9-4)
而价带顶的突变Ev 为
ຫໍສະໝຸດ Baidu
Ev Eg2 Eg1 1 2
(9-5)
实际上由于形成异质结的两种半导体材料的禁带宽度、电 子亲和能及功函数的不同，能带的交界面附近的变化情况 会有所不同。
2.考虑界面态时的能带图 通常制造突变异质结时，是把一种半导体材料在和它具有 相同的或不同的晶格结构的另一种半导体材料上成长而成 。生长层的晶格结构及晶格完整程度都与这两种半导体材 料的晶格匹配情况有关。表9-2列出若干半导体异质结的 晶格失配的百分数
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。
下图9.2为实际的p-n-Ge-GaAs异质结的能带图
图9.2 p-n-Ge-GaAs异质结的能带图
表9-1为实验测定的p型Ge与n型GaAs的有关常数值。 图9-3为突变np异质结能带图，其情况与pn异质结类似。
如果从一种半导体材料向另一种半导体材料得过渡只发生 于几个原子范围内，则称为突变型异质结。如果发生于几 个扩散长度范围内，则称为缓变形异质结。 1.不考虑界面态时的能带图 （1）突变反型异质结能带图
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 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。
（2）突变同型异质结的能带图 图9-4(a)均是n型的两种不同的半导体材料形成的异质结 之间的平衡能带图；（b）为形成异质结之后的平衡能带 图。当两种半导体材料紧密接触形成异质结时，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 电子将从前者向后者流动。
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，一般必有一变成为积累层。 图9.5为pp异质结在热平衡时的能带图。其情况与nn异质 结类似。
在异质结中，晶格失配是不可避免的由于晶格失配，在两
种半导体材料的交界面处产生了悬挂键，引入了表面态。
图9.6表示产生悬挂键的示意图。突变异质结的交界面处
的悬挂键密度Ns 为两种半导体材料在交界面处的键密度
之差。即 N s N s1 N s2
(9-7)
下面计算具有金刚石型结构的两块半导体所形成的异质结
，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，是空间电荷区中的能带发生弯曲。由
于EF2比EF1高，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
(9-3)
显然 VD VD1 VD2
处于热平衡状态的pn异质结的能带图如图9.1（b）所示。
的悬挂键密度
图9.6 产生悬挂键的示意图
如图9.7所示
因此对于晶格常数分别为a1、 a2的两块半导体形成的异质 结，以（111）晶面为交界 图9.7 金刚石结构（111）面内的键数
面的时悬挂键密度为
Ns
4
3
a22 a12 a12a22
(9-8)
同理（110）晶面，悬挂键密度为
Ns
4
2
a22 a12 a12a22
(9-9)
同理（110）晶面，悬挂键密度为
Ns
4
a22 a12 a12a22
(9-10)
应用以上公式，计算得Ge-GaAs异质结的悬挂键密度如表
9-3所示
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，如图9-8所示。 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。对与异质结来说， 当悬挂键起施主作用时，则pn、np 、pp异质结的能带图如9-9中的（a）、（b）、（c）所示
体流向p半导体，同时空穴在与电子相反的方向流动，直
至两块半导体的费米能级相等为止。
这时两块半导体有统一的费米能级，即
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
9.1.1 半导体异质结的能带图 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： 1.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 2.同型异质结，指有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。 异质结也可以分为突变型异质结和缓变形异质结两种。
当悬挂键起受主作用时，则pn、np、pp异质结的能带图 如图9-9中的（d）（e）（f）图所示。 以上讨论可知，当两种半导体的晶格常数极为接近时，晶 格间匹配较好，一般可以不 考虑界面态的影响。但是在 实际中，即使两种半导体材 料的晶格常数在室温时相同 ，但考虑它们的热膨胀系数 不同，在高温下，也将发生晶格适配从而产生悬挂键，在
如从图中可见，在形成异质结之前，p型半导体的费米能
级EF1的位置为
EF1 Ev1 1
(9-1)
而n型的半导体的费米能级EF2的位置为
EF 2 Ec2 2
(9-2)
当这两块导电类型相反的半导体材料紧密接触形成异质结
时，由于n型半导体的费米能级位置高，电子将从n型半导
第九章 半导体异质结结构
以前讨论的pn结，是由导电类型相反的同一种半导体单晶 体材料组成的，通常也称为同质结。而两种不同的半导体 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。
§9.1 半导体异质结结构及其能带图
从图中看到有两块半导体材料的交界面即附近的能带可反 应出两个特点：1.能带发生了弯曲。2.能带再交界面处不 连续，有一个突变。
两种半导体的导带底在交界面的处突变Ec为
Ec 1 2
(9-4)
而价带顶的突变Ev 为
ຫໍສະໝຸດ Baidu
Ev Eg2 Eg1 1 2
(9-5)
实际上由于形成异质结的两种半导体材料的禁带宽度、电 子亲和能及功函数的不同，能带的交界面附近的变化情况 会有所不同。
2.考虑界面态时的能带图 通常制造突变异质结时，是把一种半导体材料在和它具有 相同的或不同的晶格结构的另一种半导体材料上成长而成 。生长层的晶格结构及晶格完整程度都与这两种半导体材 料的晶格匹配情况有关。表9-2列出若干半导体异质结的 晶格失配的百分数
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。
下图9.2为实际的p-n-Ge-GaAs异质结的能带图
图9.2 p-n-Ge-GaAs异质结的能带图
表9-1为实验测定的p型Ge与n型GaAs的有关常数值。 图9-3为突变np异质结能带图，其情况与pn异质结类似。
如果从一种半导体材料向另一种半导体材料得过渡只发生 于几个原子范围内，则称为突变型异质结。如果发生于几 个扩散长度范围内，则称为缓变形异质结。 1.不考虑界面态时的能带图 （1）突变反型异质结能带图
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 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。
（2）突变同型异质结的能带图 图9-4(a)均是n型的两种不同的半导体材料形成的异质结 之间的平衡能带图；（b）为形成异质结之后的平衡能带 图。当两种半导体材料紧密接触形成异质结时，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 电子将从前者向后者流动。
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，一般必有一变成为积累层。 图9.5为pp异质结在热平衡时的能带图。其情况与nn异质 结类似。
在异质结中，晶格失配是不可避免的由于晶格失配，在两
种半导体材料的交界面处产生了悬挂键，引入了表面态。
图9.6表示产生悬挂键的示意图。突变异质结的交界面处
的悬挂键密度Ns 为两种半导体材料在交界面处的键密度
之差。即 N s N s1 N s2
(9-7)
下面计算具有金刚石型结构的两块半导体所形成的异质结
，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，是空间电荷区中的能带发生弯曲。由
于EF2比EF1高，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
(9-3)
显然 VD VD1 VD2
处于热平衡状态的pn异质结的能带图如图9.1（b）所示。
的悬挂键密度
图9.6 产生悬挂键的示意图
如图9.7所示
因此对于晶格常数分别为a1、 a2的两块半导体形成的异质 结，以（111）晶面为交界 图9.7 金刚石结构（111）面内的键数
面的时悬挂键密度为
Ns
4
3
a22 a12 a12a22
(9-8)
同理（110）晶面，悬挂键密度为
Ns
4
2
a22 a12 a12a22
(9-9)
同理（110）晶面，悬挂键密度为
Ns
4
a22 a12 a12a22
(9-10)
应用以上公式，计算得Ge-GaAs异质结的悬挂键密度如表
9-3所示
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，如图9-8所示。 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。对与异质结来说， 当悬挂键起施主作用时，则pn、np 、pp异质结的能带图如9-9中的（a）、（b）、（c）所示
体流向p半导体，同时空穴在与电子相反的方向流动，直
至两块半导体的费米能级相等为止。
这时两块半导体有统一的费米能级，即
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
9.1.1 半导体异质结的能带图 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： 1.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 2.同型异质结，指有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。 异质结也可以分为突变型异质结和缓变形异质结两种。
当悬挂键起受主作用时，则pn、np、pp异质结的能带图 如图9-9中的（d）（e）（f）图所示。 以上讨论可知，当两种半导体的晶格常数极为接近时，晶 格间匹配较好，一般可以不 考虑界面态的影响。但是在 实际中，即使两种半导体材 料的晶格常数在室温时相同 ，但考虑它们的热膨胀系数 不同，在高温下，也将发生晶格适配从而产生悬挂键，在