异质结和MIS结构

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8.异质结

异质结
1.突变反型异质结能带图（不考虑界面态）
导带底突变：ΔEc = χ1 − χ 2 价带顶突变：ΔE v = ( E g 2 − E g1 )－（χ1－χ 2） ΔEc + ΔEv = E g 2 − E g1
异质结 EF不一致载流子相对运动介电常数不同形成空间电荷区内建电场在交界面处不连续 D1 D2 能带弯曲，不连续
模型
发射－复合模型：热发射的电子和空穴通过界面态进行复合隧道模型：隧道效应隧道－复合模型：考虑了复合作用
2.突变同型异质结的电流输运结构
① 表面能级密度在1013cm-2以下，有扩散模型、发射模型、隧道模型，其结果与反型异质结类似。 ② 表面能级密度在1013cm-2以上，提出双肖特基二极管模型。
8
异质结
本章内容提要异质结及其能带图异质结的电流输运机构异质结在器件中的应用半导体超晶格
8.1 异质结及其能带图
同质结：由导电类型相反的同一种半导体单晶材料组成的结。（如第5章讨论的p-n结）
异质结：由两种不同的半导体单晶材料组成的结。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（如n-pGe-GaAs）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-Si）
qVD = qV + qV
2.突变同型异质结能带图（不考虑界面态）不考虑两种半导体交界面处的界面态的情况下，任何异质结的能带图都取决于形成异质结的两种半导体的电子亲和能、禁带宽度以及功函数。
n-n
电子流动
电子耗尽层：禁带宽度大的一边
（与反型异质结不同）
费米能级不一致
电子积累层：禁带宽度小的一边
2.双异质结激光器

异质结

异质结百科名片异质结，两种不同的半导体相接触所形成的界面区域。

按照两种材料的导电类型不同，异质结可分为同型异质结（P-p结或N-n结）和异型异质(P-n 或p-N)结，多层异质结称为异质结构。

通常形成异质结的条件是：两种半导体有相似的晶体结构、相近的原子间距和热膨胀系数。

利用界面合金、外延生长、真空淀积等技术，都可以制造异质结。

异质结常具有两种半导体各自的PN结都不能达到的优良的光电特性，使它适宜于制作超高速开关器件、太阳能电池以及半导体激光器等。

目录[隐藏][编辑本段]基本特性所谓半导体异质结构，就是将不同材料的半导体薄膜，依先后异质结次序沉积在同一基座上。

例如图2所描述的就是利用半导体异质结构所作成的雷射之基本架构。

半导体异质结构的基本特性有以下几个方面。

(1) 量子效应：因中间层的能阶较低，电子很容易掉落下来被局限在中间层，而中间层可以只有几十埃（1埃＝10-10米）的厚度，因此在如此小的空间内，电子的特性会受到量子效应的影响而改变。

例如：能阶量子化、基态能量增加、能态密度改变等，其中能态密度与能阶位置，是决定电子特性很重要的因素。

(2) 迁移率(Mobility)变大：半导体的自由电子主要是由于外加杂质的贡献，因此在一般的半导体材料中，自由电子会受到杂质的碰撞而减低其行动能力。

然而在异质结构中，可将杂质加在两边的夹层中，该杂质所贡献的电子会掉到中间层，因其有较低的能量（如图3所示）。

因此在空间上，电子与杂质是分开的，所以电子的行动就不会因杂质的碰撞而受到限制，因此其迁移率就可以大大增加，这是高速组件的基本要素。

(3)奇异的二度空间特性：因为电子被局限在中间层内，其沿夹层的方向是不能自由运动的，因此该电子只剩下二个自由度的空间，半导体异质结构因而提供了一个非常好的物理系统可用于研究低维度的物理特性。

低维度的电子特性相当不同于三维者，如电子束缚能的增加、电子与电洞复合率变大，量子霍尔效应，分数霍尔效应[1]等。

半导体物理名词解释总结

半导体物理名词解释1.有效质量：a 它概括了半导体内部势场的作用，使得在解决导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及半导体内部势场的作用 b 可以由实验测定，因而可以很方便的解决电子的运动规律2.空穴：定义价带中空着的状态看成是带正电荷的粒子，称为空穴意义a 把价带中大量电子对电流的贡献仅用少量的空穴表达出来b金属中仅有电子一种载流子，而半导体中有电子和空穴两种载流子，正是这两种载流子的相互作用，使得半导体表现出许多奇异的特性，可用来制造形形色色的器件3.理想半导体（理想与非理想的区别）：a 原子并不是静止在具有严格周期性的晶格的格点位置上，而是在其平衡位置附近振动b 半导体材料并不是纯净的，而是含有各种杂质即在晶格格点位置上存在着与组成半导体材料的元素不同其他化学元素的原子 c 实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而存在着各种形式的缺陷4.杂质补偿：在半导体中，施主和受主杂质之间有相互抵消的作用通常称为杂质的补偿作用5.深能级杂质：非Ⅲ、Ⅴ族杂质在硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带较远，他们产生的受主能级距离价带也较远，通常称这种能级为深能级，相应的杂质为深能级杂质6.简并半导体：当E-E F》k o T不满足时，即f（E）《1，[1-f（E）]《1的条件不成立时，就必须考虑泡利不相容原理的作用，这时不能再应用玻耳兹曼分布函数，而必须用费米分布函数来分析导带中的电子及价带中的空穴的统计分布问题。

这种情况称为载流子的简并化，发生载流子简并化的半导体被称为简并半导体（当杂质浓度超过一定数量后，载流子开始简并化的现象称为重掺杂，这种半导体即称为简并半导体7.热载流子：在强电场情况下，载流子从电场中获得的能量很多，载流子的平均能量比热平衡状态时的大，因而载流子与晶格系统不再处于热平衡状态。

温度是平均动能的量度，既然载流子的能量大于晶格系统的能量，人们便引入载流子的有效温度T e来描写这种与晶格系统不处于热平衡状态时的载流子，并称这种状态载流子为热载流子8.砷化镓负阻效应：当电场达到一定値时，能谷1中的电子可从电场中获得足够的能量而开始转移到能谷2，发生能谷间的散射，电子的动量有较大的改变，伴随吸收或发射一个声子。

半导体物理异质结和纳米结构

半导体物理异质结和纳米结构半导体物理中的异质结指的是由两种或多种不同的半导体材料组成的界面或界面区域，纳米结构则是指尺寸在纳米级别的结构。

异质结和纳米结构在半导体物理中具有重要的应用和研究价值，以下将详细介绍它们的性质和应用。

异质结的形成通常是通过杂化或外延生长的方法，在不同晶格常数或晶格结构的材料之间形成界面。

这种结构的形成使得电子的输运和能带的结构发生了变化，从而引起了一系列的电学和光学特性的变化。

例如，P-N结就是最常见的异质结之一，由具有不同掺杂类型的半导体材料构成。

P区和N区之间存在一个空间电荷区域，被称为空间电荷区（depletion region），这个区域内的电荷有电场的形成，并且产生一个禁带屏蔽的效应，从而形成一个具有整流特性的结。

异质结由于其独特的特性在半导体器件中得到了广泛的应用，如二极管、晶体管、太阳能电池等。

以二极管为例，当向二极管施加正向偏压时，P区的载流子和N区的载流子会在空间电荷区中重新组合，从而允许电流流过。

而当施加反向偏压时，由于形成的电场堆积，空间电荷区将变得更宽，从而几乎阻止了电流的流动，实现了整流的功能。

纳米结构是指尺寸在纳米级别的结构，相比传统的半导体材料，纳米级别的尺寸效应在物理和化学方面具有显著的变化。

首先，纳米结构的表面积相对于体积非常大，因此表面效应在纳米结构中变得更加明显。

其次，量子尺寸效应的出现使得电子和能带在纳米结构中的行为发生了显著的变化。

例如，在金属纳米颗粒中，电子的自由度受限于颗粒的尺寸和形状，电子能级产生离散化，在电子输运、光学性质和热学特性等方面表现出与宏观材料截然不同的性质。

纳米结构的应用广泛，包括电子学、光学、催化等领域。

在电子学领域，纳米电子学器件的研究是一个热门的研究领域。

由于纳米结构具有较高的载流子浓度和较短的跳跃长度，纳米电子器件能够实现更高的速度和更低的功耗。

在光学方面，金属纳米颗粒的表面等离子体共振效应被广泛应用于传感器、生物医学成像和光催化等领域。

异质结的解释，百科

异质结的解释，百科异质结，两种不同的半导体相接触所形成的界⾯区域。

按照两种材料的导电类型不同，异质结可分为同型异质结（P-p结或N-n结）和异型异质(P-n或p-N)结，多层异质结称为异质结构。

通常形成异质结的条件是：两种半导体有相似的晶体结构、相近的原⼦间距和热膨胀系数。

利⽤界⾯合⾦、外延⽣长、真空淀积等技术，都可以制造异质结。

异质结常具有两种半导体各⾃的PN结都不能达到的优良的光电特性，使它适宜于制作超⾼速开关器件、太阳能电池以及半导体激光器等。

基本特性所谓半导体异质结构，就是将不同材料的半导体薄膜，依先后次序沉积在同⼀基座上。

例如图2所描述的就是利⽤半导体异质结构所作成的雷射之基本架构。

半导体异质结构的基本特性有以下⼏个⽅⾯。

(1) 量⼦效应：因中间层的能阶较低，电⼦很容易掉落下来被局限在中间层，⽽中间层可以只有⼏⼗埃（1埃＝10-10⽶）的厚度，因此在如此⼩的空间内，电⼦的特性会受到量⼦效应的影响⽽改变。

例如：能阶量⼦化、基态能量增加、能态密度改变等，其中能态密度与能阶位置，是决定电⼦特性很重要的因素。

(2) 迁移率(Mobility)变⼤：半导体的⾃由电⼦主要是由于外加杂质的贡献，因此在⼀般的半导体材料中，⾃由电⼦会受到杂质的碰撞⽽减低其⾏动能⼒。

然⽽在异质结构中，可将杂质加在两边的夹层中，该杂质所贡献的电⼦会掉到中间层，因其有较低的能量（如图3所⽰）。

因此在空间上，电⼦与杂质是分开的，所以电⼦的⾏动就不会因杂质的碰撞⽽受到限制，因此其迁移率就可以⼤⼤增加，这是⾼速组件的基本要素。

(3)奇异的⼆度空间特性：因为电⼦被局限在中间层内，其沿夹层的⽅向是不能⾃由运动的，因此该电⼦只剩下⼆个⾃由度的空间，半导体异质结构因⽽提供了⼀个⾮常好的物理系统可⽤于研究低维度的物理特性。

低维度的电⼦特性相当不同于三维者，如电⼦束缚能的增加、电⼦与电洞复合率变⼤，量⼦霍尔效应，分数霍尔效应[1]等。

科学家利⽤低维度的特性，已经已作出各式各样的组件，其中就包含有光纤通讯中的⾼速光电组件，⽽量⼦与分数霍尔效应分别获得诺贝尔物理奖。

半导体mis结构ppt

表面缺陷和吸附原子
除了上述表面态外，在表面处还存在由于晶体缺陷或吸附原子等原因引起的表面态。
这种表面态的特点是，其表面态的大小与表面经过的处理方法有关；而达姆表面态对给定的晶体在“洁净”表面时为一定值大约为1015cm-2(每个表面原子对应禁带中的一个能级)，实际上由于表面被其它原子覆盖，表面态比该值小得多，为1010～ 1015cm-2 。
越接近表面空穴浓度越高，堆积的空穴分布在最靠近表面的薄层内。
MI
S
VG<0
EC
EEi F
EV
2 .平带状态 VG=0
ECI
M
I
S
EFm
EC
Ei EFs EV
EVI
半导体表面能带平直，无弯曲
3．多子耗尽状态金/半间加正电压（金属接正）时，表面势Vs为正，表面处能带向下弯曲，如图示。
EC
Ei EF EV VG>0
堆积平带耗尽少数反型
金属绝缘层
半导体欧姆接触
1．多数载流子堆积状态
金属与半导体间加负电压（金属接负）时，表面势为负，表面处能带上弯，如图示。
MI
S
VG<0
E
EC EEi F EV
多子堆积
热平衡下，费米能级应保持定值。随着向表面接近，价带顶逐渐移近甚至高过
费米能级，价带中空穴浓度随之增加。表面层出现空穴堆积而带正电荷。
M
O
S
表面电场效应
如图装置是MIS结构。
(Metal-Insulator-Semiconductor)
中间以绝缘层隔开的金属板和半导体衬底组成的，在金/半间加电压时即可产生表面电场。
结构简单，影响因素多。（功函数、带电粒子，界面态等）

材料科学中的异质结研究

材料科学中的异质结研究异质结是材料科学中经常研究的一个重要领域。

随着现代科技的发展，我们对于异质结材料的研究和应用也变得越来越深入。

本文将简要介绍异质结的概念、分类、制备方法和应用领域。

一、异质结的概念异质结是由两种或两种以上不同的材料组成的结构，在这些材料的交界面上形成的一种特殊结构。

异质结具有独特的物理、化学和电学特性，具有广泛的应用领域，包括太阳能电池、LED、激光器、高速晶体管等。

二、异质结的分类根据材料的性质和结构，异质结可以分为以下几种：1. 纵向异质结：由两种或两种以上材料按照垂直于器件面的方向交替堆积而成。

2. 横向异质结：由两种或两种以上材料在器件面方向交替堆积而成。

3. 膜层异质结：将多种材料按照一定顺序或周期性地沉积在基板上，形成的多层结构。

4. 核－壳异质结：以一种纳米颗粒为“核”，另一种材料在其表面上沉积，形成核－壳结构。

5. 点阵异质结：两种或两种以上材料按照一定的顺序和空间排列方式交替排布而成。

三、异质结的制备方法现代材料科学中，制备异质结有各种不同的方法，包括物理方法、化学方法和生物方法等。

1. 物理方法物理方法主要包括物理沉积、分子束外延、熔冷法、物理气相沉积等方法。

这些方法具有制备高质量异质结的优点，但是成本较高，需要相对复杂的设备和条件。

2. 化学方法化学方法包括化学气相沉积、溶胶－凝胶法、溶液沉积等方法。

这些方法相对简单、灵活，成本较低，适用范围也更广。

3. 生物方法生物方法主要是利用生物学特性来制备异质结材料，包括生物矿化、生物还原和生物合成等。

这些方法能够在常温下在生物环境中制备高质量的异质结，具有很高的应用潜力。

四、异质结的应用领域异质结的应用领域非常广泛，包括能源、信息、生物医学等方面。

1. 能源随着全球对于清洁能源需求的增加，太阳能电池和LED等器件的发展越来越受到重视。

异质结材料具有很好的光、电、热性质，非常适合制备高效太阳能电池和LED等设备。

chap_8半导体表面与MIS结构

2k 0T E q
2

2
q 2 p p0 2 k T rs 0 0

x qV qV x k T e 0 1 7 k T 0
qV x qV x n p 0 k0T e 1 k 0T p p0
NA k 0T ln 表面反型条件为 Vs VB q n i 因此表面强反型条件为 V 2V 2 k 0 T ln N A s B q ni
开启电压VT：使半导体表面达到强
反型时加在金属电极上的栅电压VG。
§8.1 表面态
硅理想表面示意图
表面能级示意图
硅晶体表面处每个硅原子将有一个未配对电子－－悬挂键，对应的电子能态就是表面态硅晶体表面原子密度～1015cm-2，悬挂键密度也应～1015cm-2 一定条件下，每个表面原子在禁带中对应一个表面能级。由于表面原子很多，这些表面能级组成表面能带。
第八章半导体表面与MIS结构
Semiconductor surface and metal-insulator- semiconductor structure
本章内容提要表面态 § 8.1 理想MIS结构： §8.2 表面电场效应 §8.3 MIS结构的C-V特性 §8.4 硅－二氧化硅系统的性质 §8.5 表面电导
n p0 9 p p0
（3）表面电容Cs
假定Qs 跟得上Байду номын сангаасs的变化
在低频情况的微分电容 Qs Cs Vs
表面空间电荷层的电荷面密度 Qs随表面势Vs而变，这相当于一电容效应。

MIS结构中的隧道过程

M ab －ijab 可以求得隧道电流密
度jab
哈里森从独立粒子近似在上述基础上导出了电流密度表达式
jt
e 2 2h
-
dE（fa
- fb） ds exp（ - ）
其中隧道几率
Pt
exp()
exp
2
x2 k(x)dx
x1
从上式可以得知，为求jt，通常要把k(x)和E(x)联系起来，事实上就是知道粒子在禁带运动中的E-K色散关系。如果例子在禁带边附近通过，可以用众所周知的抛物线关系（E=(hk)2/2m*，若粒子在禁带深部通过，其能量离带边较远，这个近似就不在成立。
D
exp（2ak3）
exp－
2
2m（eV0
-E
1 2
a
对于一般势垒，可用用WKB近似求得，用积分表达
D
exp－2 x2 kdx x1
从图中可以总结半导体隧穿的特点：
1、粒子隧穿经过的区域能带结构不同，因此有效质量不同
2、隧道过程是态的跃迁过程，因此，隧道过程的起点要有被电子占据的状态，终点有能量相同
设绝缘层禁带的矩形势垒宽dI，高为eΦt，即eΦt=eV-E
最终计算结果为
P
exp-
1
tt 2
dI
其中
t
（2
2m*
11
）2e 2
2
可近似计算等于1
1
通过公式可以看出，隧道电 t 2dI
减小而指流数将增随加着，随着费米能级之间能量范围（积分限）的增加
而增加
（c）~（e）的情况是金属一侧加负电压，
的空态，隧道过程中动量守恒。
从半导体到金属或者从金属到半导体的隧穿过程，由于金属费米球比半导体等能面椭球所占的k空

GaN基LED发光原理及参数要点

2.1GaN基LED发光原理大部分LED是利用MOCVD在衬底材料上异质外延而成，目前比较成熟的衬底材料是蓝宝石和碳化硅，硅基和ZnO基等其他衬底材料尚未成熟。

LED外延片的结构主要包括MIS结、P-N结、双异质结和量子阱几种，当前绝大多数LED均是量子阱结构的。

外延片的基本结构如图1-2所示。

目前使用的大部分灯具是白炽钨丝灯或者采取气体放电，而半导体发光二极管(LED)的发光原理则迥然不同。

发光二极管自发性(Spontaneous)的发光是由于电子与空穴的复合而产生的。

假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。

除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。

发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。

由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在近PN结面数μm以内产生。

理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有关，即λ=1240/Eg电子由导带向价带跃迁时以光的形式释放能量，大小为禁带宽度Eg，单位为电子伏特（eV。

由光的量子性可知，hf= Eg [h为普朗克常量,f为频率，据f=c/λ,可得λ=hc/Eg,当λ的单位用um, Eg单位用电子伏特（eV）时，上式为λ=1.24um·ev/Eg ]，若若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间发光效率与材料是否为直接带隙(Direct Bandgap)有关，图 1.1(a)是直接带隙材料。

这些材料的导带最低点与价带的最高点在同一K空间。

所以电子与空穴可以有效地再复合(Recombination)而发光。

而图 1.1(b)的材料均属于间接带隙(IndirectBandgap)，其带隙及导带最低点与价带最高点不在同一K空间，以致电子与空穴复合时除了发光外，还需要产生声子(Phonon)的配合，所以发光效率低[7]。

异质结电池mis

异质结电池mis
异质结电池MIS（Metal-Insulator-Semiconductor，金属-绝缘体-半导体）是一种新型的
太阳能电池结构。

这种电池由金属、绝缘体和半导体三层组成，其中绝缘体层位于金属和半导体之间，起到隔离和调控电荷的作用。

在MIS异质结电池中，金属层作为电池的阳极，半导体层作为电池的阴极，绝缘体层则位
于两者之间。

当太阳光照射到半导体层时，会激发出光生电子和空穴对。

由于绝缘体层的存在，光生电子和空穴对在绝缘体层和半导体层之间的界面处被分离，分别被金属层和半导体层收集，从而产生光生电流。

MIS异质结电池具有高效率、低成本、长寿命等优点，因此在太阳能电池领域具有广阔的应用前景。

此外，MIS异质结电池还可以通过调控绝缘体层的材料和结构，进一步优化电池的性能和稳定性。

mis结构发生多子积累时,表面的导电类型

mis结构发生多子积累时,表面的导电类型当MIS (Metal-Insulator-Semiconductor)结构发生多子积累时，表面的导电类型会发生变化。

在了解多子积累之前，我们先来了解一下MIS结构。

MIS结构是由金属(Metal)、绝缘体(Insulator)和半导体(Semiconductor)组成的器件结构。

金属作为电极，通常是n型或p型掺杂的硅(Si)半导体片，而绝缘体是一层薄膜，通常是二氧化硅(SiO2)。

MIS结构可以用于制造场效应晶体管(FET)、MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)电容器和其他电子器件。

当MIS结构发生多子积累时，表面会出现导电性的变化。

多子积累是指半导体表面上存在多余的电子或正空穴，导致表面电导性增强。

这种现象在某些器件和应用中是非常有用的，例如场效应晶体管和光电二极管。

多子积累的形成主要受到外加电场和杂质掺杂的影响。

当在应用电压下加在MIS结构上时，金属电极会施加一个电场，这导致在绝缘体-半导体界面上的电子和空穴被吸引到表面。

另外，杂质掺杂也可以改变表面导电性。

例如，在n型掺杂的硅片上，m-接近导电层(dot)的p-掺杂材料可以引入正空穴，从而导致多子积累。

当表面发生多子积累时，导电类型取决于半导体的类型以及多余电荷的性质。

在n型掺杂的硅片上，由于表面多子积累导致导电性增强，表面将呈现n型导电。

这意味着表面具有许多多余的电子，可以自由地传导电流。

相反，在p型掺杂的硅片上，由于表面多子积累导致导电性增强，表面将呈现p型导电。

这意味着表面具有许多多余的正空穴，可以自由地传导电流。

多子积累的导电性变化可以通过不同的测量技术来表征。

一种常用的方法是通过霍尔效应进行测量，该方法可以确定材料的电荷载流子类型和浓度。

此外，表面电阻和电导率的测量也可以用来确定导电性变化。

多子积累的导电性变化在电子器件和集成电路的设计和制造中起着重要的作用。

例如，在场效应晶体管中，多子积累可以控制源和漏之间的电流，从而实现电流开关。

半导体物理异质结和纳米结构

(1)同型异质结同型异质结是指由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。例如…… nn-Ge/Si，nn-Si/GaAs，nn-GaAs/ZnSe，pp-Si/GaP， nn-Si/SiC
构成材料的禁带宽度相差很大，同型异质结往往也会产生较高的接触电势差，具有类似于同质pn结的单向导电性
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4
2、异质结材料
依靠合金技术扩大晶格匹配材料的选择范围
AlAs和GaAs， AlSb和GaSb
CdTe和InSb
GaP和Si， GaAs和Ge，
GaN与6H-SiC和 ZnO的晶格匹配度也相当高
禁带宽度 ( eV )
4.0 ZnS
3.5
3.0
AlP 2.5
GaP 2.0
第6章异质结和纳米结构
两种不同半导体单晶材料的结合
2020/9/15
1
§6.1 异质结及其能带图
• 6.1.1异质结的构成与类型
一、异质结的构成
异质结由两种不同的半导体单晶材料结合而成，在结合部保持晶格的连续性，因而这两种材料至少要在结合面上具有相近的晶格结构。
1、晶格匹配
一般将组成材料的晶格常数失配度小于0.5% 的搭配称为晶格匹配，失配度大于0.5% 时则视为晶格失配。
V1 (x)
qN A
2 r 0
(x
xp )2
(x p x 0)
V2 (x)
VD
qN D
2 r 0
(x
xn )2
(0 x xn )
在平衡pn结的势垒区中，电势分布具有抛物线形式.
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2、热平衡状态下的接触电势差和空间电荷区宽度

半导体光电子学第2章异质结

半导体光电子学第2章异质结半导体光电子学是研究半导体材料光电特性及其应用的学科。

其作为现代光电子技术的基础，为光通信、光传感、光信息处理等领域的发展提供了坚实的支持。

在半导体光电子学的学习过程中，我们需要了解异质结的概念、特性及应用。

本章将对异质结进行详细阐述。

1. 异质结的概念异质结是由两种或更多种不同半导体材料相接而形成的结构。

其中，相邻两种材料的晶格常数和禁带宽度不同，导致在结面上形成电子和空穴的能带弯曲。

这种能带弯曲会导致电子和空穴的能级重组，形成“内建电场”。

异质结的概念是实现光电转换、能带调控和电子输运等重要功能的基础。

2. 异质结的特性异质结具有多种特性，下面将对其中几个重要特性进行介绍。

2.1 能带偏移由于异质结两侧材料的禁带宽度不同，电子和空穴在结面上的能带位置会发生偏移。

这种偏移可以通过外加电场和局域界面态等方式进一步调控，从而实现电子和能带的控制和调节。

2.2 冯特效应冯特效应是指异质结中带电粒子受到界面内建电场的作用，导致能带弯曲。

这种弯曲会在异质结区域形成空间电荷区，从而产生高电场效应。

冯特效应不仅可以用于增强材料的光电转换效率，还可以用于光电探测和激光调制等应用中。

2.3 谐振隧穿效应当异质结中的能带弯曲达到一定程度时，电子和空穴可以发生隧穿穿过禁带区，形成谐振隧穿效应。

该效应可以用于制备高速、低噪声的光电二极管和光电输运器件。

3. 异质结的应用异质结由于其独特的特性，被广泛应用于光电子学领域。

3.1 光电转换器件异质结被用于制备光电二极管、光电导等转换器件，用于将光信号转换为电信号或将电信号转换为光信号。

这些器件在光通信、光传感、光信息处理等领域起到重要作用。

3.2 光电检测器基于异质结的光电检测器具有高灵敏度、快速响应和宽波段等特点。

它们可以用于光电通信中的光信号接收、光传感中的光信号检测以及光学成像等领域。

3.3 光电调制器异质结可以通过冯特效应实现光的调制。

光电调制器可以用于光通信中的信号调制、光学成像中的图像增强和光信息处理中的信号调节等应用。

异质结和MIS结构讲解

(C 1 T )2 21 N A 1 1 2 q 2 N A N 1 N 2D (V 2 D V )
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可见， 1(CT与)2外电压V呈线性关系。而直线的斜率(xiélǜ)是
dC T 221N A 12N D 2 dV 12qA N 1N D 2
若已知一种半导体材料中的杂质浓度，则由斜率(xiélǜ)可算出另一种半导体材料中的杂质浓度。突变同型异质结的若干公式对于突变同型异质结，禁带宽度小的半导体一侧是积累层，禁带宽度大的半导体一侧是耗尽层。从电中性条件和泊松方程求得的接触电势差为超越函数。有关公式如下：
V D 2V DV D 1
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突变异质结pn结的电流(diànliú)—电压如特图半性导体异质(yì zhì)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有两
种情况。上图表示势垒尖峰低于p区导带底的情况，称为低势垒尖峰情况，下图表示势垒尖峰高于p 区导带底的情况，称为高势垒尖峰情况。
图2：形成同型异质(yìzhì)结前后的能带图
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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 (hánshù)的不同，能带的交界面附近的变化情况会有所不同。
低势垒尖峰与高势垒尖峰情形
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根据上述，低尖峰势垒情形是异质结的电子流主要有扩散机制决定，可用扩散模型处理，如下图中表示其正偏压(piān yā)时的能带图。p型半导体中少数载流子浓度n10与n型半导体中多数载流子浓度的关系为：
n1 0n2 0ex p qkDV 0 T Ec

第八章MIS结构

(2) 载流子浓度
EcEF
体内：EC，EV n0 NCe KT
EFEV
p0 NVe KT
空间电荷区：
EC(x)EF
n(x)NCe KT
EFEV(x)
p(x)NVe KT
V(x)>0，能带向下弯
EF
空间电荷区：
EC qV (x)EF
n(x) NCe KT
qV (x)
n0e KT
V(x)>0
多子耗尽
电离施主
+++
EF
4) VG<<0
表面处形成了p型材料， + +
即反型层
EF
弱反型：ns<ps<(no)n 强反型：ps>(no)n
Ei
°°
° 空穴
§8.3 MIS结构的C-V特性
一、理想的MIS结构的C-V特性
1．总电容C
在MIS结构上加电压VG后，电压VG的一部分 Vo降在绝缘层上，而另一部分降在半导体表面层中，形成表面势Vs，即
硅表面悬挂键
由于悬挂键的存在，表面可与体内交换电子和空穴。
理想表面实际上不存在
共价半导体的表面再构现象: 近表面几个原子厚度的表面层中, 离子
实所受的势场作用不同于晶体内部, 使得晶体的三维平移对称性在表面层中受到破坏, 表面上形成新的原子排列结构, 这种排列具有沿表面的二维平移对称性.
例如: 对硅(111)面，在超高真空下,可观察到 (7*7)结构，即表面上形成以(7*7)个硅原子为单元的二维平移对称性结构。
设xd为耗尽层的厚度
Vs
qN
A
x
2 d
2 rs 0