半导体光电子学第2章_异质结

x1 φ1
EC1
ΔEC
Eg1
F1
EV1
ΔEV
p
图2.1-1
x2 φ2
真空能级
EC2 F2
Eg2
EV2
N
②两种材料形成异质结后应处于同一平衡系统中，因而各自的费米能 级应相同； ③画出空间电荷区（由内建电势可求空间电荷区宽度），φ值在空间 电荷区以外保持各自的值不变； ④真空能级连续与带边平行（弯曲总量为两边费米能级之差，每侧弯 曲程度由费米能级与本征费米能级之差决定，由掺杂浓度决定）； ⑤而各自的χ、Eg不变。原来两种材料导带、价带位置之间的关系在 交界处不变。(即：ΔEc、ΔEv、Eg、Eg不变)
一、非平衡状态下的pn结 1、外加电压下，pn结势垒的变化及载流子的运动。
正向偏压
P-N结加正向偏压V （即P区接电源正极，N区接负极）
势垒区内载流子浓度很小，电阻很大，势垒区外的P区和N 区中载流子浓度很大，电阻很小，所以外加正向偏压基本 降落在势垒区。
正向偏压在势垒区中产生了与内建电场方向相反的电场，因而 减弱了势垒区中的电场强度，这就表明空间电荷相应减少。故 势垒区的宽度也减小，同时势垒高度从qVD下降为q(VD-V)。
这时，P-N结中有统 一的费米能级EF，P-N结 处于平衡状态，其能带图 如图所示。
能带相对移动的原因 是P-N结空间电荷区中存 在内建电场的结果。
由于整个半导体处于 平衡状态，因此在半 导体内各处的Fermi 能级是一样的。可以 看到，这时由于势垒 的存在，电子和空穴 也没有机会复合
如果一个半导体的两端加一个电压， 由于电场的作用，使得能带整体沿 着电场方向倾斜。电子和空穴的势 能也发生变化，电子势能逆着电场 方向降低，而空穴势能顺着电场方 向降低。所以电子和空穴向两个相 反方向移动。
平衡P-N结的能带图
N型、P型半导体的能带图，图中EFn和EFp分别表示N型 和P型半导体的费米能级。 EFn高于EFp表明两种半导体中的电子填充能带的水平不同。
当两块半导体结合形成P-N结时，按照费米能级的意义 (即电子在不同能态上的填充水平)，电子将从费米能级高的N 区流向费米能级低的P区，空穴则从P区流向N区。因而EFn不 断下移，而EFp不断上移，直至EFn=EFp。
2.1 异质结及其能带图
异质结：两种不同材料之间的界面（广义）。
半导体中是两种不同单晶半导体材料之间的晶体 界面，也可以说是由两种基本物理参数不同的半 导体单晶材料构成的晶体界面，不同的物理参数 包括Eg，功函数（φ），电子亲和势（χ），介电 常数（ε）。
同质结：由同种材料构成的结。
异型异质结：p-N； P，N宽带隙材料；p，n窄带隙材料。
xN
[2 e
1 2 N A1VD
]1/ 2
N D2 (1 N A1 2 N D2 )
dQ dV
Cj
d dVD
(eN A1
xp
) [e
1 2 N A1 N D2
]1/ 2
2 VD ( 1 N A1 2 N D2 )
Cj—— 单位面积势垒电容
上面讲的是平衡结（无外界作用）的情况，当在结
两边加上正向电压Va后，它在结两边空间电荷区上 的压降分别为V1和V2，这时的势垒高度就由原来的 eVD降低到e（VD-Va）=e[（VDp-V1）+（VDN-V2）]， 只要用（VD-Va）、（VDp-V1）、（VDN-V2）分别代替 VD、VDp、VDN，上面讲的公式仍然成立。
当本征半导体的两边分别掺杂不 同类型的杂质时，由于浓度差的 作用，n区的多数载流子电子和p 区的多数载流子空穴分别向p区 和n区扩散。这样在p区和n区的 分界面附近，n区由于电子扩散 到p区而留下不能移动的正离子， p区由于空穴扩散到n区而留下不 能移动的负离子。这些不能移动 的正负离子在分界面附近形成一 个电场E0，称为内置电场。内置 电场的方向是从n区指向p区，阻 碍着电子和空穴的扩散，它使n 区的少数载流子空穴和p区的少 数载流子电子分别向p区和n区作 漂移运动，
如图 9 一 10 所示，半导体异质 pN 结界面导带连接处存在一势垒尖峰， 根据尖峰高低的不同，可以有两种情况。图 9 一 10 ( a ）表示势垒尖峰顶 低于 p 区导带底的情况，称为低势垒尖峰情形。在这种情形，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人 p 区，因此异质 Pn 结的电流主要由扩散机制决定，可以由扩散模型处理。图 9 一 10 ( b ）表 示势垒尖峰顶较 p 区导带底高的情况，称为高势垒尖峰情形。对于这种情 形，如势垒尖峰顶较 p 区导带底高得多，则由 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，故异质结电流主要由 电子发射机制决定，计算异质 pN结电流应采用发射模型；
突变结：在交界面处，杂质浓度由NA（p型）突变为
ND（n型），具有这种杂质分布的p-n 结称为突变结。
缓变结：杂质浓度从p区到n区是逐渐变化的，通常称为缓变结。
突变结、缓变结：按照过度区空间电荷分布情况及 厚度的不同，前者厚度只有几个晶格常数大小，而 后者可达几个载流子扩散长度。
p-n结的形成过程
当半导体激光器正向偏置时，pn+结附近的势垒大大降低， 使得电子能够越过势垒进入p区。同时，p区和p+区分界面 附近的势垒也有一定程度的降低，使得空穴进入p区。但是， 由于p区和两边区域的材料不同，它们的禁带宽度不同，这 就使得在p区和p+区分界处导带是不连续的，p+区的导带高 于中间p区的导带，相当于在p区和p+区分界处存在一个势 垒ΔEc，使p区的电子不能越过势垒流过p+区到达电源正极。 同时，在p区和n+区分界面处价带是不连续的，n+区的价带 低于中间p区的价带，这也相当于在p区和n+区分界处存在 一个势垒ΔEv，使p区的空穴不能越过势垒流过n+区到达电 源负极。这就把电子和空穴都限制在中间的p区，迫使他们 全部地复合产生光子。这就提高了激光器的发光效率。这个 限制电子和空穴的区域称为有源区。
EC1
F1 EV1
δ1
x1 φ1
p
VDP Eg1
ΔEC
VDP ΔEV
N VD 真空能级
x2 φ2 VDN
EC2
δ2
F2
Eg2 VDN
EV2
-Xp 0 XN
x1 φ1 EC1
δ1=Ev1 - F1， δ2 =Ec2 - F2
F1 EV1
δ1
p
ΔEc=χ1-χ2 =Δχ（2.1-1）
VDP Eg1
ΔEC
VDP ΔEV
N VD 真空能级
x2 φ2 VDN
EC2
δ2
F2
Eg2 VDN
EV2
-Xp 0 XN
ΔEv=Ev2-Ev1 =（Eg2+χ2）-（Eg1+χ1） =ΔEg-Δχ =ΔEg-ΔEc ΔEg=ΔEc+ΔEv
eVD=φ1-φ2 =F1-F2=e（VDp+VDN）
可以看到，导带和价带在 异质结界面处是不连续的， 界面两边的导带出现明显 的“尖峰”和“尖谷”
VD —— 接触电势差（或内建电势差、扩散电势）
VDp、 VDN ——交界面两侧p型半导体和p型半导体中的内建电势差
由泊松方程
2V x, t (x)
r 0
E(x) dV / dx
VDp eN A1x p 2 / 21
VDN eND2 xN 2 / 2 2
VDp
/ VDN
2 N A1 x p 2 1ND2 xN 2
势垒区电场减弱，
破坏了载流子的扩散 运动和漂移运动之间 的平衡，削弱了漂移 运动，使扩散电流大 于漂移电流。
所以在加正向偏 压时，产生了电子从N 区向P区以及空穴从P 区到N区的净扩散电流。
由于pn结阻碍多数载流子的定向移动，因此从电路性质看，它 是高阻区。如果在半导体两端有外加电压，那么电压基本上都 施加在pn结上。现在在半导体加一个电压V，p区结电源正极， n区接负极，形成正向偏置。外加电压基本上都施加在pn结上， 这也等于在pn上施加一个外加电场E。外加电场的方向与内置 电场E0的方向相反，总电场E0-E比原来的电场小了。这削弱了 电子和空穴的势垒，由原来的eV0变为e(V0-V)。同时空间电荷 区宽度变窄，由原来的w0变为w。
功函数φ：将一个电子从费米能级EF处转移到真空能级所 需能量。
电子亲和势χ：一个电子从导带底转移到真空能级所需的 能量。
真空能级：真空中静止电子的能量。
功函数φ
真空能级
xφ
EC
F
电子亲和势χ
Eg
真空能级
EV
N
一、p-N异质结
作能带图的步骤是： ①以同一水平线的真空能级为参考能级，根据各自的φ、 χ、Eg值画出两种半导体材料的能带图，如图2.1-1所示
这时，p区有更多的 载流子空穴，n区有 更多的载流子电子。 当半导体正向偏置时， 可以证明：当Efp－ Efn=eV>Eg时，就可 以实现粒子数反转。
在以上介绍的pn结半导体激光器中，p区和n区是同一种材料， 只是掺杂类型不同，因此整个半导体具有相同的禁带宽度。这 种半导体激光器存在一个缺点。当半导体激光器正向偏置时， 除了在pn结附近电子和空穴复合外，还有一部分电子越过pn 结，经过p区扩散到电源正极。同样，还有相等一部分空穴越 过pn结，经过n区扩散到电源负极。这部分电子和空穴没有复 合产生光子，被浪费掉了。这就降低了半导体激光器的发光效 率。 双异质结激光器的两边仍然是相同的材料，只是进行了不同类 型的重掺杂，它们的禁带宽度是相同的。但是在它们之间加了 一个非常薄的不同半导体材料(～0.2mm)，它的禁带宽度要比 两边材料小，一般是非掺杂或轻掺杂的。在这里是p型掺杂。 这样在pn+结形成很大的势垒，使n+区的电子不能越过它到达 中间的p区和左边的p+区。同时在p区和p+区的分界面附近， 由于掺杂浓度的差别，使得p+区的价带顶高于p区的价带顶， 即在p+区的空穴势能低于p区空穴的势能。这时空穴集中在p+ 区。即在p区和p+区的分界面附近也形成一个势垒，但这个势 垒的高度比pn+结势垒高度小得多。