异质结和MIS结构

突变反型异质结的接触电势差及势垒区宽度
以突变pn异质结为例，如图所示：
设p型和n型半导体中的杂志都是均匀分布的，则交界面两边的势垒区 中 的电荷密度可以写成
x1 xx0,1(x)qNA1 x0 xx2,2(x)qND2
势垒区总宽度为
X D x 2 x 0 x 0 x 1 d 2 d 1
如p-nGe-GaAs 2.同型异质结：导电类型相同的两种不同的半导体单晶材料所形成，
如n-nGe-GaAs 异质结也可以分为突变型异质结和缓变形异质结两种。 1、突变型异质结：两种半导体的过渡只发生于几个原子范围内； 2、缓变型异质结：发生于几个扩散长度范围内。
（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后的热平衡能带图。 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。
q V1(x)
NA1(xx1)2
21
V2(x)VD qND2(x222x)2
由V1(x0)=V2(x0)，即得接触电势差VD为
VD(x)qA1 N(x2 0 1 V x1) 2qDN2 (x2 2 2 x0) 2
而
VD1
qNA1(x0 x1)2 21
VD2
qND2(x2 x0)2 22
由式 X D x 2 x 0 x 0 x 1 d 2 d 1
图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
EF1Ev11
而n型的半导体的费米能级EF2的位置为
EF2Ec22
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。
势垒区内的正负电荷总量相等，即
qA 1 ( N x 0 x 1 ) qD 2 N (x 2 x 0 ) Q
上式可以化简为
x0 x1 ND2
x2 x0 NA1
设V(x)代表势垒区中x电的电势，则突变反型异质结交界面两边的泊 松方程分别为：
d2V1(x) qNA1
dx2
1
d2V2(x) dx2
qND2
异质结和MIS结 构
成龙
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种类、能带结构、C-V、I-V特性，并简单 介绍一些应用。
半导体异质结结构的种类
根据两种半导体单晶材料的导电类型，异质结可分为以下两类： 1.反型异质结：导电类型相反的两种不同的半导体单晶材料所形成，
qA 1 ( N x 0 x 1 ) qD 2 N (x 2 x 0 ) Q
得：
（x2
x0)
NA1XD NA1 ND2
（x0 x1)NNA1D2XNDD2
将上述两式代入VD(x)得
V D 2q 12 2 N A 1 N N A 1 D 2X N D D 2 21 N A 1 N N A 1 A 1 X N D D 2 2
q D V q D 1 V q D 2 V E F 2 E F 1
显然
VDVD1VD2
处于热平衡状态的pn异质结的能带图如图1右图所示。
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E c
图2：形成同型异质结前后的能带图
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。
如下图所示，pp异质结在热平衡时的能带图。其情况与nn异质结类似。
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
x1xx0 x0xx2
将以上两式积分一次得
x x x dV1(x) dx
qNA1x 1
C1
1 0
dV2(x) dx
qND 22xC2
x0xx2
因势垒区外是电中性的，电场集中在势垒区内，故边界条件为
E1(x1)
ห้องสมุดไป่ตู้dV1 d xxx1
0
E1(x1)
由边界条件得：
dV1 d xxx1
0
C1qN A 11x1,C2qN D 22x2
为
而价带顶的突变E v
Ec 12
为
E v E g 2 E g 1 1 2
而且
E c E vE g2E g2
以上结果对所有突变异质结普遍适用。 如下图所示，突变np异质结能带图，其情况与pn异质结类似。
NP异质结能带图
（2）突变同型异质结的能带图 图2为均是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；右图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。
代入原式为
dV1(x)qNA1(xx1)
dx
1
dV2(x)qND2(x2x)
dx
2
对以上两式继续积分得
V1(x)q2N A11x2qN A1 1x1xD1
V2(x)q2N D 22x2qN D2 2x2xD2
在热平衡条件下，异质结的接触电势差VD为
V DV 2(x2) V 1(x1)
而VD在交界面p型半导体一侧的电势差为
VD1 V1(x0)V1(x1)
而VD在交界面n型半导体一侧的电势差为
V D 2V 2(x2)V 2(x0)
在交界面处，电势连续变化，故
VDVD1VD2
令V1(x1)=0，则VD=V2(x2)，并代入式V1(X) 、V2(X)中得
D1 q2AN11 x1 2,D2 VD q2ND22 x2 2
因此，将D1、D2分别代入原式得
这时两块半导体有统一的费米能级，即
EFEF1EF2
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，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