异质结的电学特性

目前提出的 pN异质结可能存在的电流输运机构 共有五种：
（1）扩散（发射）模型 （2）简单隧道模型 （3）界面复合模型 （4）隧道复合模型 （5）界面-隧道复合模型
Ec1
Ec2
Ev1 Ev2
（1）扩散（发射）模型：在电场的作用下，
具有足够能量的载流子越过势垒，形成通过异 质结的扩散（发射）流。
由于两个区域载流子所面对的势垒高度通常有 明显的差别，往往一种载流子的扩散流显著的 超过另一种载流子的扩散（发射）流。
Ec1
Ec2
Ev1
Ev2 （a）隧穿势垒的空穴和越过势
垒的电子在界面态上复合
Ec1
Ec2
Ev1
Ev2 （b）隧穿势垒的电子和越过势
垒的空穴在界面态上复合
（5）界面-隧道复合模型：隧穿势垒的载
流子和相反型号越过势垒的载流子在界面态 上复合，从而实现了载流子的输运。
注意：一般来说，异质结中往往同
时存在多种电流输运机构，究竟何 种机构是主要的，这取决于能带的 带阶和界面态参数情况。
半导体光伏与发光器件
第二章 异质结电学特性
[知 识 点]
突变反型和同型异质结的电流输运机构、突变异质 结的电容和电压特性、反型异质结的注入特性。
[重 点]
突变反型和同型异质结的电流输运机构、影响尖峰 势垒的因素、突变异质结的电容和电压特性。
[难 点]
反型异质结的超注入特性、电流输运机构中的扩散 模型、发射模型。
Ec1
Ec2
Ev1 Ev2
（2）简单隧道模型：n区电子在电场作用
下穿过了导带尖峰在p区内复合，形成隧道电 子流。
Ec1
Ec2
Ev1
Ev2
（3）界面复合模型：越过势垒的载流子
在界面态上，和相反型号载流子复合。
Ec1 Ec2
Ev1 Ev2
（4）隧道复合模型：通过界面态隧穿到
对方区域的载流子，和相反型号载流子复合。
引言
在形成异质结的两种半导体材料的交界面 处，能带是不连续的，界面处能带的带阶导致 势垒和势阱。并且在交界面处必然引入界面态 及缺陷（如晶格结构、晶格常数、热膨胀系数 和工艺技术），所以异质结的电流输运结构必 须根据交界面处的情况分别加以讨论，没有统 一的理论。
2.1 突变反型异质结的几种电流输运机构
Ec
ΔEc
qVp> 0
Ev
EF
1NA1 2 ND1
ΔEV
(b) 正尖峰势垒
当窄带材料的掺杂浓度比宽带材料的掺杂浓度高的 多时，势垒主要落在宽带空间电荷区，宽带界面处 的尖峰势垒高于窄带空间电荷区外的导带底，尖峰 势垒为正。
（2）外加电压：
当pN结施加电压时，尖峰势垒高度也会随之变化：
正向偏压增大
反向偏压增大
尖峰势垒高度变高
尖峰势垒高度变低
负尖峰势垒变为正尖峰势垒 正尖峰势垒变为负尖峰势垒
2.1.2 扩散模型
运用扩散模型须满足以下4个条件：
（1）突变耗尽条件：电势集中在空间电荷区，注入的少 数载流子在空间电荷区之外是纯扩散运动；
（2）波尔兹曼边界条件：载流子分布在空间电荷区之外 满足波尔兹曼统计分布；
[基本要求]
1、识 记：异质结中存在的几种电流输运机构； 2、领 会：几种电流输运机构的物理机制；扩散模型须 满足的四个条件；
3、简单应用：能画出不同电流输运机构的示意图； 4、综合应用：能判别不同类型异质结电流输运机构中的IV曲线特点。
[考核要求]
1、记住异质结中存在的几种电流输运机构； 2、影响尖峰势垒的因素、突变异质结的电容和电压特性； 3、作出不同类型异质结的平衡能带图； 4、判别不同类型异质结电流输运机构中的I-V曲线特点。
Ln1
Lp2
kT
（2.1）
其中，n10和p20是平衡时少数载流子浓度，Dn1和Dn2 是少数载流子的扩散系数，Ln1和Lp2是少数载流子的 扩散长度。
异质结常用多数载流子浓度描述电流和电压之间的关系， 注意到对于负尖峰势垒突变pN结，平衡时材料2中的多数载 流子（电子）n20输运到材料1转换为少数载流子（电子）n10 所要克服的势垒为qVD-ΔEC，得：
n10
n 20 exp(
qVD
EC kt
)
在外加电压下，电子电流为：
（2.2）
J qDn1n20 exp( qVD EC )[exp( qV ) 1] （2.3）
Ln1
kt
kT
平衡时材料1中的多数载流子（空穴）p0输运到材料2转换为 少数载流子（空穴）p20所要克服的势垒为qVD+ΔEV，得：
（3）小注入条件：注入的少数载流子浓度比平衡多数载 流子浓度小得多；
（4）忽略载流子在空间电荷区的产生和复合。
1.负尖峰势垒突变pN结电流和电压特性
负尖峰势垒突变pN结电流密度和外加电压的关 系可以用Shockley方程描述，即：
J ( qDn1n10 qDp2 p20 )[exp(qV ) 1]
式2.7所描述的电流和电压关系是不对称的， 如图实线所示，说明负尖峰势垒突变pN结 J 具有单向导电性。
在实际问题中，正向偏压下总有qV>>kT, 即exp（qV/kT）>>1,式2.7变为：
J
Adexp（-
qVD - EC kT
）exp(qV kT
2.1.1 影响尖峰势垒高度的因素
异质结尖峰势垒高度产生的因素：掺杂浓度和外加 电压。
（1）掺杂浓度：
Ec
ΔEc
qVp< 0
Ev
1NA1 2 ND1 ΔEV
(a) 负尖峰势垒
当窄带材料的掺杂浓度比 宽带材料的掺杂浓度低的 多时，势垒主要落在窄带
EF 空间电荷区，宽带界面处
的尖峰势垒低于窄带空间 电荷区外的导带底，尖峰 势垒为负。
p20
p10exp(
qVD
EC kt
)
（2.4）
在外加电压下，空穴电流为：
J qDp2 p10 exp( qVD EC )[exp(qV ) 1] （2.5）
L
kt
kT
p2
由于空穴电流所克服的势垒qVD+ΔEv要比电子电流所要克 服的势垒大得多，所以有Jp << Jn，即空穴电流可以忽略， 于是用多数载流子浓度描述电流和电压之间的关系为：
J
Jn
qDn1n20 Ln1
exp(
qVD
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
EC kt
)[exp(
qV kT
) 1]
（2.6）
当杂质全部电离时，取n20=ND2，于是负尖峰势垒突变pN 结电流和电压特性最终表示为：
J
Ad
qDn1n20 Ln1
exp(
qVD
EC kt
)[exp(
qV kT
)
1]
（2.7）
其中：
Ad
qND2
D n1 Ln2