第3次课第三章异质结能带图
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异质结的能带图剖析PPT课件
(4.17)
4.1.3 隧穿机制
J Js (T)exp(AV )
隧道电流表现出来的特点是lnJ-V 的曲线斜率和温度无关。
(4.18)
Lg(J)
T1 T2 T3
V 第22页/共34页
4.2 异质结的注入比
电子面临的势垒下降：VD-EC
空穴面临的势垒上4升. 2: V异D+质E结v 的 注 入 比
第8页/共34页
4.1突变异质结的伏安特性
ΔEC
(a) 低尖峰势垒 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入 p区.因此异质pn 结的电流主要有 扩散机制决定-扩散模型.
qVD1 ΔEV
qVD2
( b) 高尖峰势垒
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
qVD2
qV k0T
)
1]exp(
x1 Ln1
)
exp(
x Ln1
)
电子扩散电流密度
Jn qD | [exp( ) 1] d[n1(x)n10 ]
qDn1n10
qV
n1
dx
x x1 第1L5n页1 /共34页 k0T
(4.5)
p2从0 p型区p1价0 带ex底p到(n型(q区VDk价0T带E底v )的势垒高度(为4.6)
式中D为常数。 同质结：Eg=0，r=D。 异质结：r 随着Eg呈指数上升。 例如了E，七g=在十0.p3四-3Ge万VaA，倍s/结。N果在-A注同l0.3入样Ga比的0.7r正A高s向异达电质7.4压结×下中10，，5，可它因以们而获的注得入更比高提的高
注入电子浓度。
对于晶体管和半导体激光器等器件来说, “注人比” 是个很重要的物理量, 它决定晶体管的放大倍数 、激光器的注人效率和阐值电流密度, 因为总电流中 只有注人到基区或有源区中的少数载流子, 才对器件的 功能发挥真正的作用所以, 用异质结宽带隙材料作发射 极, 效率会很高, 这是异质结的特性之一
半导体pn结异质结和异质结构ppt课件
“雪亮工程"是以区（县）、乡（镇） 、村（ 社区） 三级综 治中心 为指挥 平台、 以综治 信息化 为支撑 、以网 格化管 理为基 础、以 公共安 全视频 监控联 网应用 为重点 的“群 众性治 安防控 工程” 。
PN结的正向导电性
在PN结上外加一电压 ，如果P 型一边接正极 ，N型一边接负极，电流便 从P型一边流向N型一边，空穴和电子都向 界面运动，使空间电荷区变窄，甚至消失，
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若干半导体杂质掺杂的一些考虑
杂质半导体ni,电子浓度n,空穴浓度p 之间的关系
n = ni e^(Ef-Ei)/kT, P = ni e^(Ei-Ef)/kT, ni^2 = n p Ei本征费米能级 Ef杂质费米能, 在n型半导体中,n＞p,因此, Ef＞Ei 在p型半导体中, p＞n,因此, Ei＞Ef
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几个重要参数和概念 • 接触电位差:
由于空间电荷区存在电场,方向由N到P,因 此N区电位比P区高,用V表示,称作接触电位 差,它与半导体的类型(禁带宽度),杂质掺杂 浓度,环境温度等密切相关,一般为0.几V到 1.几V • 势垒高度:
2015第4次课 第三章 异质结的能带图(2)
（ Ecl） InN /A lN =（ EIIn nN 4d-EA A llN 2p） InN /A lN=57.56eV
EIvnN-EIInnN 4d=17.040.02eV EA vlN-EA AllN 2p=71.500.04eV
E v= （ E I v n N -E I In n N 4 d） In N -（ E A v lN -E A A llN 2 p ） A lN + （ E c l） In N /A lN . 1 7 .0 4 5 7 .5 6 7 1 .5 0 3 .1 0 e V
Al： 1S2 2S2 2P6 3S2 3P1
1. 利用差值计算 2. 参考能级
能量的尺
E GaAs c
E GaAs v
E GaAs Ga3d
Ec Ev
EB
测量能带的方法:XPS, C-V,I-V，光学方法
E AlAs c
EF
E AlAs v
E AlAs Al 2 p
3.2.1 X射线光电子谱法测能 带带阶
样品架与谱仪相连 接且接地，费米能 级一致。 但样品功函数FS与 分析器材料的功函 数FA不同
E k E K S ( s A )3 .3 0
hn:Mg 靶：1253.6eV
Al 靶： 1486.6 eV
FA: 4eV
测出EK 就可求出某一壳层电子的结合能
• 价带能级 • 导带能级 • 内层电子能级
2
1
1
2
X光光电子发射谱方法是 一种比较准确的测量能带不连续的方 法，准确度可达到0.02电子伏，它带有基本物理测量的性质。
Valence band offset of wurtzite InN/AlN heterojunction determined by photoelectron spectroscopy
异质结
N AND pn n ≈ k BT ln 1 2 = k BT ln 2 ni2 n1 p1 n1
即内建电势取决于两种半导体载流子浓度的比值。具体到pN结，取 决于N型半导体中的多子（电子）与p型中的少子（电子）浓度比。
§2.3 半导体异质结
根据《半导体物理》的结论，p区和N区各自的内建电势分别是 2 eN A x 2 eN N x N p , VDN = VDp = 2ε p 2ε N 若近似认为，正负电荷在耗尽层是均匀分布的，则电中性条件为
Space charge region
Vo
(f)
x
nno ni
npo
(c)
PE(x) eVo Hole PE(x)
pno
ρnet
x=0 M x
x Electron PE(x)
(g)
eNd
W 杴p Wn
x
(d)
eV 杴o
-eNa
Properties of the junction. pn
§2.3 半导体异质结
由两种性质带隙宽度不同的半导体材料通过一定的生长方法所形成一突变异质结pn1pn结的形成与能带图窄带隙的p型半导体与宽带隙的n型半导体生长一起时界面处出现了载流子的浓度差于是n中的电子向p中扩散相反p中的空穴也会向n中扩散在界面形成空间电荷内建电场e扩散迁移23半导体异质结1960年anderson用能带论分析了pn结的形成与有关问题直观而深刻并得到一些十分有用的结论称为anderson模型
3、载流子的输运 Anderson模型：零偏压时，由N向p越过势垒VDN的电子流应与从p到 N越过势垒∆Ec-VDp的电子流相等，即
∆E − eVDp eV = B2 exp − DN B1 exp − c k T k BT B D N D N B1 = e ⋅ n 2 10 , B2 = e ⋅ n1 20 Ln 2 Ln1 Ln1 = Dn1τ e1 , Ln 2 = Dn 2τ e 2
【精品】异质结和MIS结构.教学资料
（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。
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
n 1 x 1 n 2e 0 x q p V D k 0 V T E c n 1e 0 x k q 0 T p V
在稳定情况下，p型半导体中注入少数载流子运动的连续性方程为
Dnd2 dn12 xxn1xnn1 0
其通解为
n1xn1Aex pL xn1BexL p xn1
由上述Jn、Jp可得外加电压，通过异质pn结的总电流为
JJpJnq D L n n 1 1n 1 0D L p p 2 2p 2 0 e x k q 0 T p V 1
上式证明正向电压时电流随电压按指数关系增加。
对于高尖峰势垒情形，如图所示，通过异质结的电流是由发射
VD1
2ND2VD 1NA1 2ND2
VD2
2NAV1D 1NA1 2ND2
得 VD1与VD2之比为
VD1 2ND2 VD2 1NA1
以上是在没有外加电压的情况下，突变反型异质结处于热平衡状态时 得到的一些公式。若在异质结上施加外加电压V。可以得到异质结处于非 平衡状态时的一系列公式：
V D V 2q 12 2 N A 1 N N A 1 D 2 X N D D 2 21 N D 2 N N A 1 A 1 X N D D 2
qA 1 ( N x 0 x 1 ) qD 2 N (x 2 x 0 ) Q
得：
（x2
x0)
NA1XD NA1 ND2
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。
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
n 1 x 1 n 2e 0 x q p V D k 0 V T E c n 1e 0 x k q 0 T p V
在稳定情况下，p型半导体中注入少数载流子运动的连续性方程为
Dnd2 dn12 xxn1xnn1 0
其通解为
n1xn1Aex pL xn1BexL p xn1
由上述Jn、Jp可得外加电压，通过异质pn结的总电流为
JJpJnq D L n n 1 1n 1 0D L p p 2 2p 2 0 e x k q 0 T p V 1
上式证明正向电压时电流随电压按指数关系增加。
对于高尖峰势垒情形，如图所示，通过异质结的电流是由发射
VD1
2ND2VD 1NA1 2ND2
VD2
2NAV1D 1NA1 2ND2
得 VD1与VD2之比为
VD1 2ND2 VD2 1NA1
以上是在没有外加电压的情况下，突变反型异质结处于热平衡状态时 得到的一些公式。若在异质结上施加外加电压V。可以得到异质结处于非 平衡状态时的一系列公式：
V D V 2q 12 2 N A 1 N N A 1 D 2 X N D D 2 21 N D 2 N N A 1 A 1 X N D D 2
qA 1 ( N x 0 x 1 ) qD 2 N (x 2 x 0 ) Q
得：
（x2
x0)
NA1XD NA1 ND2
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:
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:
异质结
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.2 异质结的电学特性
3.2.1 突变异质结的I-V特性
突变异质结I-V模型：扩散模型、发射模型、发射-复合模 型、隧道模型、隧道复合模型。 同质结I-V模型：扩散和发射模型
两种势垒尖峰： （a）低势垒尖峰负反向势垒 （b）高势垒尖峰正反向势垒
Dai Xianying
3.11 突变同型nn异质结平衡能带图
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.1 异质结及其能带图
3.1.2 异质结的能带图
2)突变同型异质结能带图
3.12 突变同型pp异质结平衡能带图
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.1 异质结及其能带图
3.1.2 异质结的能带图
2、考虑界面态时的能带图
Dai Xianying (a)单量子阱
(b)多量子阱
(c)超晶格 化合物半导体器件
3.4 多量子阱与超晶格
多量子阱（a）和超晶格（b）中电子的波函数
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.4 多量子阱与超晶格
3.4.1 复合超晶格
1、Ⅰ型超晶格
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.4 多量子阱与超晶格
化合物半导体器件
3.1 异质结及其能带图
3.1.2 异质结的能带图
3、渐变异质结能带图
1）渐变的物理含义 2）渐变异质结的近似分析：能带的叠加 3）渐变能级
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.1 异质结及其能带图
3.1.3 突变反型异质结的接触势垒差及势垒区宽度
推导过程参考刘恩科等著 《半导体物理》第9章
异质结
金属-半导体接触的能带图
间隙为零 ΔÆ0
qφBn0达到极限 空间电荷区W
qVbi半导体内 建势
对n型半导体，势垒高度的 极限值为金属功函数和半导
qφ Bn = q (φ m − χ )
体电子亲合势之差：
对P型半导体，势垒高度的 q φ Bp = E g − q (φ m − χ )
极限值: 肖特基模型
假设导带中电子能量全部为动能假设导带中电子能量全部为动能电流由能量足以克服势垒的电子浓度和它在电流由能量足以克服势垒的电子浓度和它在xx方向的运动速度给出方向的运动速度给出42设输运沿设输运沿xx方向积分范围方向积分范围零偏压下的内建势零偏压下的内建势为克服势垒在为克服势垒在输运方向需要输运方向需要的最低速度的最低速度这是速度在这是速度在之间分布在所有方向上的单位体积中的电子数之间分布在所有方向上的单位体积中的电子数x方向速度对应的动方向速度对应的动能必须大于势垒高度能必须大于势垒高度其中其中为速率若考虑到不同运动方向可用三个速度分量来表示并且为速率若考虑到不同运动方向可用三个速度分量来表示并且ktqvktktqvkt势垒高度势垒高度bibi热电子发射的有效里查孙常数热电子发射的有效里查孙常数电子向真空发电子向真空发a中将自由电子质量用有效质中将自由电子质量用有效质量来代替量来代替
表面看作一薄层, 在禁带中具有能量连续分布的局域态，由 于表面处电荷的填充，有自己的平衡费米能级EFS0
EF EFS0
若表面态密度Æ∞，体内电
子填充表面能级，且不显著
改变表面费米能级位置，体 内EF下降与EFS平齐，造成 能带弯曲，形成空间电荷区。
在表面态密度很大时， EFS~EFS0, 费米能级定扎。
3。考虑界面复合
在异质结的制备和处理过程中，必然会有悬键存在，还存在各种缺陷 态，这些都可能构成禁带中的界面态，有界面复合电流存在。
半导体物理异质结解析PPT课件
第13页/共30页
界面量子阱中二维电子气的势阱和状态密度
第14页/共30页
电子的能量：
二维电子气的状态密度
k空间原胞的面积：
k空间k-k+dk圆环的面积： E-k关系： 状态密度：
第15页/共30页
低维半导体材料及其状态密度
Bulk
QW
QD
3D
2D
0D
DD((EE))
DD((EE))
D(E)
E
• qVD = qVD1 + qVD2 = EF2 - EF1 = W1 - W2
半导体物理学
第7章 金第属4页和/半共导30体页的接触
SCNU 光电学院
4
突变反型异质结的能带特征
• n型半导体的能带弯曲量为qV2，且导带底在交界面处形成一个向
上的“尖峰”。
• p型半导体的能带弯曲量为qV1，且导带底在交界面处形成一个向
第2页/共30页
pn结的能带图
qVD E Fn EFp
第3页/共30页
突变反型异质结的能带图
• 形成异质结时电子从n型半导体流向p型半导体，空穴的流动方向相反。
• 达到平衡时，两块半导体具有统一的费米能级。
• 在异质结界面的两边形成空间电荷区，产生内建电场和附加电势能，使 空间电荷区中的能带发生弯曲。
EE
EE
Modification of density of states by confining carriers
第16页/共30页
双异质结间的单量子阱结构
第17页/共30页
双异质结间的单量子阱结构
势阱形状： 波函数分离变量： 波函数分离变量： 薛定谔方程：
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界面量子阱中二维电子气的势阱和状态密度
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电子的能量：
二维电子气的状态密度
k空间原胞的面积：
k空间k-k+dk圆环的面积： E-k关系： 状态密度：
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低维半导体材料及其状态密度
Bulk
QW
QD
3D
2D
0D
DD((EE))
DD((EE))
D(E)
E
• qVD = qVD1 + qVD2 = EF2 - EF1 = W1 - W2
半导体物理学
第7章 金第属4页和/半共导30体页的接触
SCNU 光电学院
4
突变反型异质结的能带特征
• n型半导体的能带弯曲量为qV2，且导带底在交界面处形成一个向
上的“尖峰”。
• p型半导体的能带弯曲量为qV1，且导带底在交界面处形成一个向
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pn结的能带图
qVD E Fn EFp
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突变反型异质结的能带图
• 形成异质结时电子从n型半导体流向p型半导体，空穴的流动方向相反。
• 达到平衡时，两块半导体具有统一的费米能级。
• 在异质结界面的两边形成空间电荷区，产生内建电场和附加电势能，使 空间电荷区中的能带发生弯曲。
EE
EE
Modification of density of states by confining carriers
第16页/共30页
双异质结间的单量子阱结构
第17页/共30页
双异质结间的单量子阱结构
势阱形状： 波函数分离变量： 波函数分离变量： 薛定谔方程：
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第三章 异质结能带图
qVD 2 qV2 qV1 J A exp( ) exp( ) exp( ) kT kT kT
qVD1 EC
（3）第三种情况
1 2 ,1 2 , 1 Eg1 2 Eg 2
qVD1 EC
Eg2
Eg1
qVD1 此种情况伏安特性关系式为： ΔEV qVD2
伏安特性关系式为：
qVD EC qV J B exp( ) exp( ) 1 kT kT
（2）第二种情况
1 2 ,1 2 , 1 Eg1 2 Eg 2
qVD2
qVD1
ΔEC
Eg1
Eg2
伏安特性关系式为：
qV J B exp( ) 1 kT
1 2 ,1 2 , 2 1 Eg1
（1）第一种情况
第一种情况能带图的伏安特性关系式为：
EC qVD 2 qV2 qV1 J Ad exp( ) exp( ) exp( ) kT kT kT
其中，Ad
qND 2
D n1 Ln 2
（4）第四种情况
1 2 ,1 2 , 1 Eg1 2 Eg 2
qVD1 EC
Eg2 Eg1 qVD1
ΔEV
qVD2
此种情况与第三种情况能带图qVD1>ΔEc时的伏安特性关系式相同
（4）第四种情况
1 2 ,1 2 , 1 Eg1 2 Eg 2
kT 1/ 2 ) 2m p
（2）第二种情况
1 2 ,1 2 , 1 Eg1 2 Eg 2
Eg1
qVD1 ΔEV
Eg2
qVD
2
孙会元固体物理基础第三章能带论课件3.5 能带结构的图示和空晶格模型
2 2 n
其他曲线我们不再分析,有兴趣的同学可参考 可参考黄昆的书PP178-184 。 总之,沿 轴时,找出倒空间和 轴()平行的线 段上的最近邻、次近邻…等倒格点，并计算出相 应的 , 依抛物线形式画出即可。 沿其它轴的画法一样，注意平移线段的长度应 为倒格矢. 由上面的分析可知,在空晶格近似中,由于对称 性,许多状态是高度简并的,在计入周期场起伏的 微扰作用后,某些简并性要消失(不会全部消失), 详细情况可参阅谢希德等人编著的《固体物理学 中的群论》。
的解为：
nk (r ) e
ik r
unk (r ) 且
unk (r ) e
iGh r
2 2 相应的能量本征值为： n (k ) (k Gh ) 2m
面心立方格子的倒格子为体心立方。第一布 里渊区为倒格子空间中的WS原胞，由于共有8个 近邻，所以，形状为截角八面体。
轴
如 2 (k ) 曲线：
Fcc的倒格子为bcc, 所以原点 在体心.
M
kz
N
2 2 2 n (k ) / ( ) 2m a
ky
kx 2 (k ) 曲线对应最近邻倒格点M： 2 2 2 M 点： k ( , , ) a a a 移入第一布里渊区后对应点 ; 2 2 N点： k ( , 0, ) a a
在讨论金属和 半导体的能带 结构时，常以 空晶格近似作 为参照。如图 所示为面心立 方金属铝的能 带计算结果(实 线),虚线为空晶 格近似的能带 结构，可见， 两者非常接近。 除布里渊边界 处以及晶格 周期场使某些简并解除导致偏离以外。
つづき
图的得到可参考黄昆的书PP178-184
其他曲线我们不再分析,有兴趣的同学可参考 可参考黄昆的书PP178-184 。 总之,沿 轴时,找出倒空间和 轴()平行的线 段上的最近邻、次近邻…等倒格点，并计算出相 应的 , 依抛物线形式画出即可。 沿其它轴的画法一样，注意平移线段的长度应 为倒格矢. 由上面的分析可知,在空晶格近似中,由于对称 性,许多状态是高度简并的,在计入周期场起伏的 微扰作用后,某些简并性要消失(不会全部消失), 详细情况可参阅谢希德等人编著的《固体物理学 中的群论》。
的解为：
nk (r ) e
ik r
unk (r ) 且
unk (r ) e
iGh r
2 2 相应的能量本征值为： n (k ) (k Gh ) 2m
面心立方格子的倒格子为体心立方。第一布 里渊区为倒格子空间中的WS原胞，由于共有8个 近邻，所以，形状为截角八面体。
轴
如 2 (k ) 曲线：
Fcc的倒格子为bcc, 所以原点 在体心.
M
kz
N
2 2 2 n (k ) / ( ) 2m a
ky
kx 2 (k ) 曲线对应最近邻倒格点M： 2 2 2 M 点： k ( , , ) a a a 移入第一布里渊区后对应点 ; 2 2 N点： k ( , 0, ) a a
在讨论金属和 半导体的能带 结构时，常以 空晶格近似作 为参照。如图 所示为面心立 方金属铝的能 带计算结果(实 线),虚线为空晶 格近似的能带 结构，可见， 两者非常接近。 除布里渊边界 处以及晶格 周期场使某些简并解除导致偏离以外。
つづき
图的得到可参考黄昆的书PP178-184
异质结的电学特性课件
应用中的广泛应用提供了有力支持。
REPORT
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
05
异质结的未来展望
提高光电转换效率
01
02
03
优化材料组合
通过精心选择和优化不同 材料之间的组合，以实现 更高的光电转换效率。
界面工程
优化异质结的界面结构， 减少界面损耗，提高光生 载流子的分离效率和传输 效率。
脉冲激光沉积法
总结词
高沉积速率、高生产效率、大面积成膜
详细描述
脉冲激光沉积法是一种利用高能脉冲激光将靶材加热至熔融状态，并在衬底上快速冷却形成异质结的 方法。该方法具有高沉积速率、高生产效率、大面积成膜等优点，但生长出的异质结质量略低于分子 束外延法和液相外延法。
REPORT
CATALOG
DATE
分子束外延法是一种在单晶衬底上生长单层或数层相同晶体取向的薄膜材料的方 法。它能够精确控制薄膜的厚度和组分，生长出的异质结具有高精度、高纯度、 高单晶质量等优点。
液相外延法
总结词
设备简单、操作方便、成本低
详细描述
液相外延法是一种在液态溶剂中通过控制温度和浓度等条件，使原材料在衬底上结晶形成异质结的方法。该方法 设备简单、操作方便、成本低，但生长出的异质结质量相对较低。
异质结具有不同的能带间隙，这决定 了其光电转换效率。能带间隙越大， 吸收光的能量范围越广，但同时也会 增加激子结合能，降低开路电压。
界面态
异质结的界面态会影响载流子的传输 和复合过程，从而影响其电学特性。 界面态密度越高，载流子传输受到的 散射越强，导致迁移率降低。
异质结的载流子分布
热平衡状态
在热平衡状态下，异质结中的载流子分布遵循玻尔兹曼分布。载流子浓度随能 级高低而变化，高能级处的载流子浓度较低能级处低。
REPORT
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
05
异质结的未来展望
提高光电转换效率
01
02
03
优化材料组合
通过精心选择和优化不同 材料之间的组合，以实现 更高的光电转换效率。
界面工程
优化异质结的界面结构， 减少界面损耗，提高光生 载流子的分离效率和传输 效率。
脉冲激光沉积法
总结词
高沉积速率、高生产效率、大面积成膜
详细描述
脉冲激光沉积法是一种利用高能脉冲激光将靶材加热至熔融状态，并在衬底上快速冷却形成异质结的 方法。该方法具有高沉积速率、高生产效率、大面积成膜等优点，但生长出的异质结质量略低于分子 束外延法和液相外延法。
REPORT
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分子束外延法是一种在单晶衬底上生长单层或数层相同晶体取向的薄膜材料的方 法。它能够精确控制薄膜的厚度和组分，生长出的异质结具有高精度、高纯度、 高单晶质量等优点。
液相外延法
总结词
设备简单、操作方便、成本低
详细描述
液相外延法是一种在液态溶剂中通过控制温度和浓度等条件，使原材料在衬底上结晶形成异质结的方法。该方法 设备简单、操作方便、成本低，但生长出的异质结质量相对较低。
异质结具有不同的能带间隙，这决定 了其光电转换效率。能带间隙越大， 吸收光的能量范围越广，但同时也会 增加激子结合能，降低开路电压。
界面态
异质结的界面态会影响载流子的传输 和复合过程，从而影响其电学特性。 界面态密度越高，载流子传输受到的 散射越强，导致迁移率降低。
异质结的载流子分布
热平衡状态
在热平衡状态下，异质结中的载流子分布遵循玻尔兹曼分布。载流子浓度随能 级高低而变化，高能级处的载流子浓度较低能级处低。
半导体异质结构
半导体异质结构1半导体异质结及其能带图异质结由两种不同的半导体单晶材料组成的结，称为异质结。
半导体异质结的能带图反型异质结指由导电类型相反的两种不同的半导体单晶材料所形成的异质结。
例如p型Ge与n型GaAs所形成的结——p-nGe-GaAs（或(p)Ge-(n)GaAs）——一般把禁带宽度较小的半导体材料写在前面。
同型异质结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n型Ge与n型GaAs所形成的结——p-pGe-GaAs（或(p)Ge-(p)GaAs）突变型异质结一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡只发生于几个原子距离范围内不考虑界面态时的能带图突变反型异质结能带图由于n型半导体的费米能级较高，电子将从n型半导体流向p型半导体，同时空穴在与电子相反方向流动，直至Ef=Ef1=Ef2——热平衡状态。
此时，材料交界面的两边形成了空间电荷区（即势垒区或耗尽层）。
n型半导体一侧为正空间电荷区，p型半导体一侧为负空间电荷区，且电荷数相等（由于不考虑界面态），空间电荷区间产生电场，也称为内建电场，所以电子在空间电荷区中各点有附加电势能，使空间电荷区中的能带发生了弯曲。
尖峰与凹口能带突变突变同型异质结能带图形成异质结时，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，所以电子将从前者流向后者。
结果在禁带宽度小的n型半导体一边形成了电子的积累层，而另一边形成了耗尽层。
对于反型异质结，两种半导体材料的交界面两边都成为了耗尽层；而在同型异质结中，一般必有一边成为积累层。
尖峰与凹口能带突变考虑界面态时的能带图1.形成异质结的两种半导体材料的晶格失配，需要引入界面态。
2.由于晶格失配，在两种半导体材料的交界面处产生了悬挂键，引入界面态。
3.当具有金刚石结构的晶体的表面能级密度在10¹³cm－²以上时，在表面处的费米能级位于禁带宽度的越1/3处——巴丁极限。
4.对于n型半导体，悬挂键起受主作用，因此表面处的能带向上弯曲。
半导体器件原理-第三章
净电流I，I随VA的增加而增加。 反偏：势垒升高，阻止电子从半导体向金属流动，金
属中的一些电子能越过势垒向半导体运动，但这一反 向电流很小。 结论： φM>φS时，理想的MS接触类似于pn结二极 管，具有整流特性。
理想结特性
用与处理pn结类似的方法来确定肖特基结的静电特性
dE x 空间电荷密度
肖特基二极管是近年来问世的低功耗、大电流、超高速半 导体器件。其反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正 向导通压降仅0.4V左右，而整流电流却可达到几千毫安。 这些优良特性是快恢复二极管（简称FRD）所无法比拟 的。
5
全球知名半导体制造商ROHM开 发出非常适用于服务器和高端计 算机等的电源PFC电路的、第3 代SiC（Silicon Carbide:碳化硅） 肖特基势垒二极管
➢ 若能级被电子占据时呈电中性，释放电子后呈正电，称为 施主型表面态。
➢ 若能级空着时呈电中性，而接受电子后呈负电，称为受主 型表面态。
3.1肖特基势垒二极管 非理想因素
施主型表面态：能 级释放电子后显正 电性。
受主型表面态：能 级接受电子后显负 电性。
界面态的 影响
表面态的电中性能级
23
3.1肖特基势垒二极管 非理想因素
半导体导带中得电子向金属 中移动存在势垒Vbi，就是半 导体的内建电势差：
7
外加电压后，金属和半导体的费米能级不再相同，二者之 差等于外加电压引起的电势能之差
反偏情况下，半导体-金属势垒高度增大，金属一边的势垒
不随外加电压而改变，即：φB0不变。
反偏势垒变高为： Vbi + VR
半导体一边，加正偏，势垒降低为Vbi - Va 。 φB0仍然不
电中性条件
Qm Qs 0 Qm Qs Qss 0
属中的一些电子能越过势垒向半导体运动，但这一反 向电流很小。 结论： φM>φS时，理想的MS接触类似于pn结二极 管，具有整流特性。
理想结特性
用与处理pn结类似的方法来确定肖特基结的静电特性
dE x 空间电荷密度
肖特基二极管是近年来问世的低功耗、大电流、超高速半 导体器件。其反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正 向导通压降仅0.4V左右，而整流电流却可达到几千毫安。 这些优良特性是快恢复二极管（简称FRD）所无法比拟 的。
5
全球知名半导体制造商ROHM开 发出非常适用于服务器和高端计 算机等的电源PFC电路的、第3 代SiC（Silicon Carbide:碳化硅） 肖特基势垒二极管
➢ 若能级被电子占据时呈电中性，释放电子后呈正电，称为 施主型表面态。
➢ 若能级空着时呈电中性，而接受电子后呈负电，称为受主 型表面态。
3.1肖特基势垒二极管 非理想因素
施主型表面态：能 级释放电子后显正 电性。
受主型表面态：能 级接受电子后显负 电性。
界面态的 影响
表面态的电中性能级
23
3.1肖特基势垒二极管 非理想因素
半导体导带中得电子向金属 中移动存在势垒Vbi，就是半 导体的内建电势差：
7
外加电压后，金属和半导体的费米能级不再相同，二者之 差等于外加电压引起的电势能之差
反偏情况下，半导体-金属势垒高度增大，金属一边的势垒
不随外加电压而改变，即：φB0不变。
反偏势垒变高为： Vbi + VR
半导体一边，加正偏，势垒降低为Vbi - Va 。 φB0仍然不
电中性条件
Qm Qs 0 Qm Qs Qss 0
2015第3次课第三章异质结的能带图详解
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
f
Ec
Ef Ev
let f be the work function, which is the energy difference between the vacuum level and the Fermi level.
功函数f：电子由费米能级至自 由空间所需的能量，f=E0-F
GaAsSb InGaAs
根据半导体物理理论，这种分离效 应可以有效抑制材料载流子的俄歇 复合。任何光子探测器，随着温度 的升高，最终的效率极限都将是材 料中载流子的俄歇复合。目前最好 的红外探测器材料碲镉汞的最终性 能极限就是载流子的俄歇复合，如 果禁带错位型类超晶格结构如预期 的那样能将电子、空穴物理分离， 实现对俄歇复合的有效抑制。
它等于两种材料的费米能级差：
qVD qVD1 qVD 2 E f 2 E f 1 （3.4)
如何画接触后的异质结能带图 接触前
EC EF2
接触后
EC EF2
Eg1
EF1
Eg2
Eg1
EF1
Eg2
1. Align the Fermi level with the two semiconductor bands separated. Leave space for the transition region.
x1
x2
EC2
Ec1
DEc
Eg1
DEC 1 2 (3.1)
Ev1
DEv
DEv ( Eg 2 Eg1 ) ( 1 2 ) (3.2) DEv DEc ( Eg 2 Eg1 ) (3.3)
Ev2
半导体光电子学§2.1 异质结及其能带图
质，Ec 、Ev 和 Eg有一定的关系
加正向偏压 vf 时，外加电场与内建电场方
向相反，空间电荷相应减少，势垒区宽度减少， 扩散运动超过了漂移运动 qvD q(vD vf ) ， 载流子扩散运动超过了漂移运动→成为正向电流。
→n 区电子进入p区成为p区非平衡少数载流子。 →非平衡少数载流子的电注入。
扩散过程中与多子相遇而不断复合→一个扩散长度 后复合完毕。
x1
Ec1
1
VDP
F
Ev1
xp
内建电场
VD VDP VDN
Ec
Ev xn
Eg1 Eg2
VDN
x1 x2
Ec2 1 2
Ev 2
x1 Eg1 x2 Eg 2
④ p-n结 p- n: n型和p型样占接触在一起p- n结。 n区电子向p区扩散→n区剩下电离施主，形成带 正电荷区。 p区孔穴向n区扩散→p区剩下电离受主，形成带 负电荷区。
第二章 异质结
§2 – 1 异质结及其能带图
①异质结:两种禁带宽度不同的半导体材料，通过一定 的生长方法所形成的结。
②分 类
按电荷分布 按掺杂类型
突变结
缓变结 同型异质结 p-P,n-N
异型异质结 p-N,n-P
③ 能带图 界面上静电场是不连续的；功函数Φ；电子
亲和势X 电子势能增加方向
真空能级
3.同型异质结材料费米能级有差别 → 扩散
4. Eg: X: Φ:
不同， 能带不同
F:
x1
Ec1
Ev1
1
Ec Eg1
Ev
-+
x1 x2 1 2 x1 Eg1 x2 Eg 2
1
2 Ec2
-+
加正向偏压 vf 时，外加电场与内建电场方
向相反，空间电荷相应减少，势垒区宽度减少， 扩散运动超过了漂移运动 qvD q(vD vf ) ， 载流子扩散运动超过了漂移运动→成为正向电流。
→n 区电子进入p区成为p区非平衡少数载流子。 →非平衡少数载流子的电注入。
扩散过程中与多子相遇而不断复合→一个扩散长度 后复合完毕。
x1
Ec1
1
VDP
F
Ev1
xp
内建电场
VD VDP VDN
Ec
Ev xn
Eg1 Eg2
VDN
x1 x2
Ec2 1 2
Ev 2
x1 Eg1 x2 Eg 2
④ p-n结 p- n: n型和p型样占接触在一起p- n结。 n区电子向p区扩散→n区剩下电离施主，形成带 正电荷区。 p区孔穴向n区扩散→p区剩下电离受主，形成带 负电荷区。
第二章 异质结
§2 – 1 异质结及其能带图
①异质结:两种禁带宽度不同的半导体材料，通过一定 的生长方法所形成的结。
②分 类
按电荷分布 按掺杂类型
突变结
缓变结 同型异质结 p-P,n-N
异型异质结 p-N,n-P
③ 能带图 界面上静电场是不连续的；功函数Φ；电子
亲和势X 电子势能增加方向
真空能级
3.同型异质结材料费米能级有差别 → 扩散
4. Eg: X: Φ:
不同， 能带不同
F:
x1
Ec1
Ev1
1
Ec Eg1
Ev
-+
x1 x2 1 2 x1 Eg1 x2 Eg 2
1
2 Ec2
-+
能带图画法
电势能
Ee分布
ΔEe=‒qΔV
能带图
移带
定界
补齐费米
快速画法
想象能带是一块长方形粘土并运用以下法则。和传统画法口诀有重复，纯粹为押韵。
扭带定端
像扭动粘土一样扭动能带，保持能带深处（远端）平直、禁带宽度不变和能带接触端面（近端）落差不变。
浓窄浅宽
载流子浓度大的地方能带扭曲区( =势垒/阱区=空间电荷区)窄，且曲率大（根据泊松方程）。反之宽且曲率小。因为浓度大处电阻小承担压降小，反之同理。金属永远几乎不弯。
可崩可穿
雪崩和隧穿都会产生破坏正常→电场E分布→电压V分布→电势能Ee分布→结构能带图
依据原理
P-N结
异质结（某例）
金半接触（某例）
半导体-绝缘体
材料能带图
费米能级高流低
净电荷密度ρ
分布
电中性，
掺杂/载流子浓度
电场E
分布
高斯定律
dE/dx=ρ/ε
（一维）
泊松方程
电压V
分布
电压定义
E=‒dV/dx
（一维）
费米齐全
扭动结果是两边费米能级齐平。根据费米能级与导/价带关系，补全电子和空穴在能带图上的浓度分布图，形成可直接用来分析结构行为的热平衡能带图。
画到这一步时，达到与传统画法相同的结果。接下来是快速定性分析。
阻直通弯
在异质材料互连时，定端原则会形成两种端面形状，直角端面和弯角端面。在端面两侧允能带上都有多数载流子且形成肖特基势垒接触形态时，直角侧载流子向对面的注入电流几乎为零且不随结电压变化而变化，弯角侧载流子注入电流随结电压指数变化。都弯就都指数。
Ee分布
ΔEe=‒qΔV
能带图
移带
定界
补齐费米
快速画法
想象能带是一块长方形粘土并运用以下法则。和传统画法口诀有重复，纯粹为押韵。
扭带定端
像扭动粘土一样扭动能带，保持能带深处（远端）平直、禁带宽度不变和能带接触端面（近端）落差不变。
浓窄浅宽
载流子浓度大的地方能带扭曲区( =势垒/阱区=空间电荷区)窄，且曲率大（根据泊松方程）。反之宽且曲率小。因为浓度大处电阻小承担压降小，反之同理。金属永远几乎不弯。
可崩可穿
雪崩和隧穿都会产生破坏正常→电场E分布→电压V分布→电势能Ee分布→结构能带图
依据原理
P-N结
异质结（某例）
金半接触（某例）
半导体-绝缘体
材料能带图
费米能级高流低
净电荷密度ρ
分布
电中性，
掺杂/载流子浓度
电场E
分布
高斯定律
dE/dx=ρ/ε
（一维）
泊松方程
电压V
分布
电压定义
E=‒dV/dx
（一维）
费米齐全
扭动结果是两边费米能级齐平。根据费米能级与导/价带关系，补全电子和空穴在能带图上的浓度分布图，形成可直接用来分析结构行为的热平衡能带图。
画到这一步时，达到与传统画法相同的结果。接下来是快速定性分析。
阻直通弯
在异质材料互连时，定端原则会形成两种端面形状，直角端面和弯角端面。在端面两侧允能带上都有多数载流子且形成肖特基势垒接触形态时，直角侧载流子向对面的注入电流几乎为零且不随结电压变化而变化，弯角侧载流子注入电流随结电压指数变化。都弯就都指数。
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第3次课第三章异质结能带图
AlGaAs
GaAs
第3次课第三章异质结能带图
电子和空穴在空间分离
根据半导体物理理论，这种分离效 应可以有效抑制材料载流子的俄歇 复合。任何光子探测器，随着温度 的升高，最终的效率极限都将是材 料中载流子的俄歇复合。目前最好 的红外探测器材料碲镉汞的最终性 能极限就是载流子的俄歇复合，如 果禁带错位型类超晶格结构如预期 的那样能将电子、空穴物理分离， 实现对俄歇复合的有效抑制。
Eg1
EF1
EECF2
Eg2
第3次课第三章异质结能带图
eVD
Eg1 EC
Eg2
第3次课第三章异质结能带图
1 能带发生了弯曲：n型半导体 的导带和价带的弯曲量为qVD2, 界面处形成尖峰. p型半导体的导带和价带的弯曲 量为qVD1, 界面处形成凹口(能谷 ）。 2 能带在界面处不连续，有突变 。 Ec , Ev
电子亲和势：电子由导带底跃迁到真空能级所需
的能量 =E -E ，
0 c 第3次课第三章异质结能带图
f
Ec
Ef
Ev
let f be the work function, which is the energy difference between the vacuum level and the Fermi level.
第3次课第三章异质结能带图
典型的能带突变形式
EC1
EC2
EC1
Ev1
Ev1
Ev2
EC1
Ev1 EC2
EC2
Ev2
Ev2
(a)Straddling
跨立型
(b) Staggered (c) Broken gap
错开型
破隙型
AlGaAs GaAs
InGaAs
GaAsSb
GaSb
InAs
第3次课第三章异质结能带图
第3次课第三章异质结能带图
不考虑界面态时的能带结构 (一）能带图
2 1
A 突变反型
f1
x1
Eg1
EF Ev
x2
f2
由电子亲和能、禁带宽 度、导电类型、掺杂浓 度决定
DEc
EECF
Eg2
未组成异质结前的能带图
DEv
第3次课第三章异质结能带图
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。
什么是Anderson 定则？ 异质结能带有几种突变形式？ 尖峰的位置与掺杂浓度的关系是什么？ 同质结和异质结的电势分布有何异同？ 同型异质结有哪些特点。
第3次课第三章异质结能带图
第三章 异质结的能带图
3.1节 （3.1.1）能带图 （3.1.2）突变反型异质结的接触电势差及势垒区宽
度 （3.1.3）突变同型异质结 （3.1.4）几种异质结的能带图 （3.1.5) 尖峰的位置与掺杂浓度的关系
There is nonsymmetry in DEC and DEv values that will tend to make the potential barriers seen by electrons and holes different. This nonsymmetry does not occur in homejunction
Eg1
Eg2
EF1
EECF2
Eg1
Eg2
EF1
1. Align the Fermi level with the two semiconductor bands separated. Leave space for the transition region.
第3次课第三章异质结能带图
内建电场=》空间电荷区中各点有附加电势能，使空间电荷区的能带 发生弯曲。
为了维持各自原有的功函数f和电子亲和势不变，就会形 成空间电荷区，在结的两旁出现静电势，相应的势垒高 度为eVD，e为电子电荷，VD为接触电势。 它等于两种材料的费米能级差：
qVD qVD1qVD2 Ef 2 Ef1 （3.4) 第3次课第三章异质结能带图
如何画接触后的异质结能带图 接触前
接触后
EEFC2
x1
x2
3而价带差等于带隙差减去导带差。
EC2
Ec1v1
DEv
DEv(Eg2Eg1)(12) (3.2) Ev2
DEvDEc(Eg2Eg1)
(3.3)
第3次课第三章异质结能带图
p
n
P-GaAs
n-GaAs
当两种单晶材料组成在一起构成异质结后，它们处于平衡 态，费米能级应当相同。
功函数f：电子由费米能级至自 由空间所需第3次的课第能三章异量质结，能带f图=E0-F
Anderson's rule
states that when constructing an energy band diagram, the vacuum levels of the two semiconductors on either side of the heterojunction should be aligned
第3次课第三章异质结能带图
能带突变的应用
a) 可以产生热电子 b) 能使电子发生反射的的势垒 c) 提供一定厚度和高度的势垒 d) 能造成一定深度和宽度的势阱
第3次课第三章异质结能带图
DEc=0.07eV DEv=0.69eV DEc+ DEv= =0.76eV
第3次课第三章异质结能带图
（3.1.1）能带图
Ec
Ec
A
B
Ev
Ec A
Ev Ec B
Ev
Ev
第3次课第三章异质结能带图
什么是能带图？
能带结构 异质结界面两侧的导带极小值和价带最高值随坐标的变化。
第3次课第三章异质结能带图
vacuum level
Ec
Ev
Let x be the electron affinity, which is the energy required to take an electron from the conduction band edge to the vacuum level,
InGaAs
第3次课第三章异质结能带图
GaAsSb
电子从一种半导体大量流入到另一种半导体，使一 种半导体存在大量电子，而另一种存在大量空穴。 使它们具有导电能力，具有半金属性质。
GaSb
InAs
利用分子束外延生长高质量GaAs基GaSb体材料和InAs/GaSb超晶格材料技 术，为下一步制造价格便宜、性能可靠的N-GaAs/P-GaSb热光伏电池、新 一代焦平面多色红外探测器件等提供了重要的技术基础。