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:
3.5 异质结的电学性质 3.5.1 异质结的伏‐安特性 3.5.2 异质结的C‐V电压特性 3.5.3 异质结对载流子的限制 作用
3.5.4 异质结的高注入比 3.5.5 异质结的超注入现象
3.6 异质结的光学特性 3.6.1异质结对光的限制作用 3.6.2窗口效应
1
3.1 半导体异质结概念
同质结 (Homojection)：禁带宽度相同但
常数的乘积成反比。
22
11
在p区和N区的耗尽层内价带边的大小为：
EV1 VDN VDp EV
EV1
EV 2
VDN VDN
VDp
eN 2
D 2
EV xN 2
eNA 21 (xN
(
xp x)
2
x)2
EV 2 VDN VDp EV
在p边和N边四个区域中导带的表达式：
EC1 EV1 Eg1 VDN VDp Eg2 EC
26
13
3.4.4 同型突变异质结
27
3.4.5 双异质结
N Al0.3Ga0.7As‐p‐ GaAs‐P‐Al0.3Ga0.7As 双异质结的能带图
(a)零偏压， (b)加1.43V 正偏压
28
14
3.5 异质结的电学性质
3.5.1 异质结的伏‐安特性
电子和空穴在能级E上的占有几率满足费米‐狄拉克分布：
能带结构的变化：1，出现了空间电荷区。 2，空间电荷区中能带发生弯曲。 34，，出导现带了差导是带以和“价尖带峰的”不的连形续式性出现EC的和，E而V 价。带差 是 以 断开的形式出现的。
12
6
价带不连续性
如果两种材料相接组成异质结，它们就将处于平衡态，整 个异质结构的费米能级处处相同。为了维持各自原有的 电子亲合势和功函数不变，就会形成空间电荷区，异 质电别结子：的电两荷边，出VD为现接自触建电电势场，，e相V应D的的大势小垒等高于度费为米能eV级D，的e差为
中)，空间电荷的符号相反、大小相等； 3，异质结界面两边的介电常数分别为1和2,
12,界面处的电场不连续： 1E1=2E2 E1 E2。
9
功函数 电子亲和势
功函数：电子由费米能级至自由空间所需的 能量，=E0‐F
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
当两种单晶材料组成在一起构成异质结后，
第三章 半导体异质结构
3.1 半导体异质结概念
3.2 能带的形成
3.3 半导体异质结构的能带图 3.3.1 半导体的能带图 3.3.2 安德逊能带模型
3.4 几种异质结的能带图 3.4.1 异型异质结的能带图 3.4.2 异型突变异质结 3.4.3 缓变异质结 3.4.4 同型突变异质结 3.4.5 双异质结
4
2
当原子相互接近形成晶体时，不同原子的电子轨道 发生交叠，晶体中原子的外层电子不再局限于一 定的原子，而是能够从一个原子转移到邻近的原 子上去，电子可以在整个晶体中运动，这一重要 的特性叫做电子的共有化运动。
原子结合成晶体时原子将周期性地排列，它们的原 子核构成周期性的势场。每个原子的外层电子， 除了受其所属的原子核的势场的吸引外，还会受 整个周期势场的作用。最外层的价电子受束缚最 弱，它同时受到原来所属原子和其他原子的共同 作用，已很难区分究竟属于哪个原子，实际上是 被晶体中所有原子所共有，这就是共有化。
异型异质结：导电类型不同的异质结
如：N‐AlxGa1‐xAs/p‐GaAs, p‐GexSi1‐x/n‐Si 异质结构 (Heterostructures): 含有异质结的二 层以上的器件结构。
3
3.2 能带的形成
(a)能带的形成，(b)金刚石结构中s态和p台的重新组合
孤立原子的外层电子呈分立形式的能级。气体中各 个原子的外层电子只受它本身的原子的作用，不 同原子的外层电子处在同一能级上，因此外层电 子的能级是简并的。
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和电子亲和势
不变，就会形成空间电荷区，在结的两旁
料出电的子现费电静米荷电能，势级V，D差为相：接应e触的VD电势=F2势垒‐F1。高它度等为于eV两D，种e
为 材
10
5
未此无形关成联异。质以结真之空前中,它的们能有级各为自基不准同绘制的出费它米们能分级立F1的和能F2，带图彼。 它们形成异质结构时，它们的费米能级处处相同。以费米能 级为基准，重新绘制的能带图
15
3.4.2 异型突变异质结
p‐GaAs‐N‐AlxGa1‐xAs突变结 (a)能带图 (b)耗尽层中的电荷分布 (c)电场分布 (d)自建势垒 组成异质结后费米能级应该 处处相同。为了维持各自原 有的电子亲合势和功函数 不变，就会形成空间电荷 区，出现自建电场，相应的 势垒高度为：
eV D F1 F2 F
13
3.4 几种异质结的能带图
3.4.1 异型异质结的能带图
四 种 异 型 异 质 结 的 能 带 图
14
7
上图(a)中，窄带隙材料的电子亲合势1同其带隙宽度Eg1之 和大于宽带隙材料的电子亲合势，更大于窄带隙材料的 电子亲合势，+ Eg111，而窄带隙材料的功函数1大 于宽带隙材料的功函数2，12。在这种情况下，它 们共同构成半导体光子器件中常用的pN异型异质结。
因掺杂型号不同或虽型号相同但掺杂浓度 不同组成界体界面。
如：n‐GaAs/p‐GaAs, n‐GaAs/n+‐GaAs
异质结 (Heterojunction): 由两种禁带宽
不同的单晶材料组成的晶体界面。 如: AlxGa1‐xAs/GaAs, GexSi1‐x/Si 材料1：Eg1,材料2：Eg2, Eg1 ≠ Eg2
d 2V (x) dx2
19
求解泊松Poisoon方程可得异质结的自建电压的大小为：
自VV建Np ((势xx))垒V等(2De于1 )(总N2eA的2()xN自p（D建xxN)势2垒x)2减去N边的自0xp建≤x势≤x 垒xN0：
总V自D建(0)电势VD可p 以(2表e1达)N为AxVp2DVVDDpV(2DeN 。2 )N可D以xN推2 导得：
p‐GaAs‐N‐ Al0.4Ga0.6As渐变 异质结的带边尖 峰变化图 有人提出用双曲正切函数来描述导带差的这种渐变： 如果的渐变主EC要(x发) 生在2EC宽[1带区tan，h(则x上l x式0 )可] 以简化为： 缓变异质结的Ec能(x带) 图也Ec变 t成an缓h(变xl )的。常用III‐V族半导体异 质结材料的这种变化主要发生在导带中。其界面对导带 的影响比对价带的影响更大一些。
6
3
3.3半导体异质结构的能带图 3.3.1半导体的E‐关系能带图
三种III‐V族半导体的能带结构： (a)GaAs (b)GaP 和(c)InP。
7
GaAs的能带图
8
4
3.3.2 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
exp
(Ec kT
Fc
)
Ec和Fc分别为导带底能级和费米能级。将上式代入
前一式,推导得出内建电场同位置x的关系为: E(x) 1 dEc e dx
代入‫׏‬D =‫׏‬(E)=可以将上式化简得
dE(x)
dx
众所周知，电场同电压之间的关系为：
E(x) dV(x)
将上式代入前一式就dx可得：
大小相等，由此电中性条件可以推导出：
p
2 e
N
A
N ( 1
D1 V2 D NA 2
N
D
)
12
N
2
e
N
P
N
A
1
2
Vp D
(1N A 2 N
D
)
12
空间电荷区的总宽度为：
d = p
N
2 1 2 (N eN A N D (