异质结

热离子发射-界面态模型



1.界面态模型：最早由Tersoff提出。界面上产生界面能级，分为两类： 类施主能级和类受主能级。 2.根据界面态模型得到的一些结果(1) 界面总电荷态密度 QIT=QITL+QITR=-q2DIT(φSL+Vp-EBL/q+V) (2)根据电中性条件 QSC+QIT=0 →φSL, φSR=φ(V,DIT),函数形式如图所示。界面态密度会 影响表面势φSL 和φSR 3.电流输运：(1)电流密度J= JE+JH =AE*T2exp(-qVN/kT)exp(qφSR/kt)+AH*T2exp(-qVp/kt)exp[(-q φSL+Δ EV)/kT],界面态密度要影 响I-V曲线；(2)电导G=dJ/dV=GE+GH 。(3) 二极管理想因子 N=β /(dlnJ/dV)(4）总电容C为CL与CR的串联结果。 4.串联电阻的影响：异质结的串联电阻会有分压作用，结果流经pn结 的电压变为V-JR，上面的结论中的V都要用V-JR代替。可以看到，高压 下串联电阻影响较大，会掩盖I-V的非线性关系。 以上结果与Ge-GaAs,Ge-AlGeAs等一些异质结的结果一致。

题目：半导体异质结的发展 及其性质的讨论
pn结是在一块半导体中用掺杂的办法 做成两个导电类型不同的部分。一般pn 结的两边是用同一种材料做成的，也称 为“同质结”。广义上说，如果结两边 是用不同的材料制成，就称为“异质 结”，但一般所说的指两种不同半导体 材料的接触构成的半导体异质结。根据 结两边的半导体材料的导电类型，异质 结可分为两类：反型异质结(p-n，n-p) 和同型异质结(n-n，p-p)。另外，异质 结又可分为突变型异质结和缓变型异质 结，当前人们研究较多的是突变型异质 结。

热电子发射模型：对于高势垒尖峰情况 （图2），通过异质结的电流主要是由发 射机制控制的，它的J-V曲线与扩散模型 相似。
隧道-复合模型：

模型：如图(1)在交界面存在界面态(2)载流子 的流动过程包括：隧道电子流，复合的电子 流和空穴流，越过势垒的空穴扩散流和发射 流等。 主要结论： (1)J=Jp+Jr,D=Aexp(aV)+Bexp(qV/mkT),在高 电压区，Jp起主要作用，lnJ-V直线的斜率与 温度T无关；在低电压区，Jr,D起主要作用， 温度影响lnJ-V直线的斜率。 (2).这个结果如很多实验现象一致。如图
主要内容：



异质结器件的发展过程 异质结结构的物理性质 当前的一些研究进展
pn结是组成集成电路的主要细胞，50年代pn结晶体管的发明及其后的发 展奠定了现代电子技术和信息革命的基础。 1947年12月，巴丁﹐J.﹑W.H.布喇頓和W.肖克萊发明点接触晶体管。 1949年肖克莱提出pn结理论 ，也称为理想pn结的肖克莱方程： j=js(eqv/kt-1) 其中j=q(np0Dn/Ln+pnDp/Lp). 1957年，克罗默指出有导电类型相反的两种半导体材料制成 异质结，比同质结具有更高的注入效率。 1962年，Anderson提出了异质结的理论模型，他理想的假定 两种半导体材料具有相同的晶体结构，晶格常数和热膨胀系数，基本说明 了电流输运过程。 1968年美国的贝尔实验室和苏联的约飞研究所都宣布做成了GaAsAlxGa1-xAs双异质结激光器。 在70年代里，液向外延(LPE)，汽相外延(VPE)，金属有机化学 气相沉积(MO-CVD)和分子束外延(MBE)等先进的材料成长方法相 继出现，使异质结的生长日趋完善。

理想异质结的I-V曲线
异质结的结构：
空间电荷区－耗尽层
N
XN
空间电荷区XM
XP
P
空间电荷区为高阻区，因为缺 少载流子
异质结的能带图：（不考虑界 面态）
理想突变反型异质结的物理性质：


1.在零偏压下，接触界面上的费米能级要相等，发生 载流子扩散运动，界面附近留下一个空间电荷区（耗 尽区或者势垒区）。在热平衡下，即载流子的扩散运 动和漂移运动达到平衡时，产生了一个内建电场，电 势差满足：qVD=EF2-EF1;， 势场分布为VD1/VD2=ε1NA/ε2ND， 势垒电容 CT=dQ/dT=A[ 1 2 qN A1 N D 2 / 2(1 N A1 2 N D 2 ) ] 0.5 2.平衡时能带的两个特点：(1)能带发生了弯曲，出 现了尖峰和凹口(2)能呆在交界面上不连续，导带底 上的突变Δ EC=Χ 1-Χ 2,价带顶的突变Δ EV=(Eg2-Eg1)(Χ 1-Χ 2)
理想因子：
异质结的一些特性：




1.高注入比。高注入比可以用来提高晶 体管的频率特性，利用这种性质制成的 HBT有广泛的应用，例如雷达，无线通 讯(GaAs-HBT放大器)等。 2.超注入现象，实现粒子数反转。 3.窗口效应，可以提高光生伏特效率。 4.高频特性
总结：

相比同质结， (1)异质结两侧的材料具 有不同的禁带宽度(2)由于介电常数的 不同，会使界面处出现能带的凸起和凹 口，结果能带出现不连续。(3)在异质 结界面处存在比较复杂的界面态。
பைடு நூலகம்
关于电流输运机制的几个模型：

1.扩散模型 2.热电子发射模型 3.隧道-复合模型 4.热离子发射-界面 态模型
扩散模型（Andeson模型）：


最早由Anderson提出 对象：(1)理想突变异质结（边界上突变，界面上没有界面电子态）(2) 导带势垒尖峰低于另一导带底(3)忽略势垒区载流子的产生和复合 模型：载流子输运过程主要是多子由一端能够越过势垒的电子扩散到 另一端过程，即电流输运主要有扩散理论决定。如图1 主要结论：(1)Jn=qDn1n10/Ln1[exp(qV/K0T)-1] Jp=-qDp2p20/Lp2[exp(qV/K0T)-1] 注入比：Jn/Jp=(Dn1ND2Lp2/Dp2NA1Ln1)exp(Δ E/kT) ∞ND2/NA1*exp(Δ E/Kt),在宽紧带和窄禁带材料组成的异质结中可以 实现高注入。 (2)如果用多数载流子浓度代替，那么得到Jn ∞exp(qΔ Ec/K0T), Jp ∞exp(-qΔ Ev/K0T),可以看出由于势垒高度的不同 一般只有一种载流子其主要作用，这里是Je起主要作用。
考虑界面态时异质结的能带图：

1.异质结的界面态主要来自组成成异质结的 晶格失配，定义晶格失配为 2(a2-a1)/(a1+a2) 。晶格失配会在交界面 上产生悬挂建，引入界面态。界面态密度DIT 会直接影响异质结的各个物理性质。另外， 两种材料的热膨胀系数不同和化合物半导体 中的成分元素的互扩散都会引入界面态。当 两种材料的晶格常数极为接近时，晶格匹配 较好，可以不考界面态的影响；实际上都要 考虑这个影响。有时候可加入少量杂质元素 改变晶格匹配效果，例如在Si1-xGex/Si异质结 中加入C原子，1%的C 可以补偿91.4% 的Ge 所带来的压应变。 2.增加了界面态能级，他们将成为载流子的 非辐射复合中心。 3.影响界面附近的电荷分布。
目前异质结制备的一些常用方法：


1.分子束外延技术。 2.MO-CVD 3.液相外延 4.化学池沉积。 5.物理气相沉积法。 6.辅助化学法 7.sol-gel
目前的一些研究对象：



1.制备电子器件：(1)开关器件(2)整流器件SiC基异质材料(3)场 效应晶体管(4)异质结双极晶体管(HBT)主要应用材料为 GaAs/AlGaAs/GaInP,InGaAs/InP/InAlAs,Si/SiGe等 (5)HEMT(High electron mobility transistor) 2.制备发光二极管：(1)异质结发光二极管，异质结构为 CdTe/PS，ZnS/ps等 (2)制备新型的发光设备取代传统光源，白 光LED是继白炽灯和日光灯之后的第三代电光源 ，主要集中在 GaN基pn结研究上，例如AlGaInN/GaN。 3. GaAs或InP基半导体激光器，这主要用于通信技术。在 1.25—1.65 μm范围内，现在主要的异质结激光器是GaInAsP or AlGaInAs/InP，而对于GaInNAs/GaAs,发射频率已做到1.52μm, 用改进的GaInNAsSb/GaAs异质结激光器发射频率达到1.49 μm， 发射功率为0.2mA/ μm 2。 4.制备太阳能电池，例如ZnO/n-Si,ps/c-Si

加偏压时的一些物理现象：
1.加偏压时，结两边的 电势要变化VD1’ =VD1V1 VD2’ =VD2-V2 VD’ =(VD1-V1)-(VD2V2)=VD-V 2.结两边费米能级间隔变 为qV；结势垒发生变 化，载流子发生重新分 配，其输运机制根据势 垒的不同形式发生变化。

I-V曲线
1.异质结的J-V曲线与pn结相 似，一般为非线性关系，(加 正向电压时 J∞[exp(βV)-1] 存在一个导通电压，导通时 以指数形式变化且与温度关 系紧密， 反向电压时 J=j0 [1-exp(-βV)], 这个电流也称为反向抽取电 流，存在一个反向饱和电流 j0=q(nφ0Ln/гn+pn0Dp/гp) ,当电压增大到某一值V b 时会发生击穿现象,这个电压 称为击穿电压