半导体异质结
金属半导体和半导体异质结高级课件.ppt
xn eNd dx
E
x s
E
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
eN d
s
( xn
x)
(x)
x 0
eN d
s
( xn
x)dx
eN d
s
(
xn
x
1 2
x2
)
B0
取金属的电势为0势能点
W
xn
[
2
sVbi
]
1 2
eN d
类比p精+编n课件单边突变结得出
17
结电容：
C 0 s [ e s Nd
1
]2
W 2(Vbi VR )
( 1 )2 2(Vbi VR )
主要取决于多数载流子。肖
特基二极管的基本过程是电
子运动通过势垒。这种现象
可以通过热电子发射理论来
解释。热电子发射现象基于
势垒高度远大于kT这一假定。
精编课件
29
Js m是电子从半 导体扩散到金属 中的电流密度，
Jm s是电子从金 属扩散到半导体 中的电流密度。
精编课件
30
假定x坐标垂直于MS界面并指向半导体方向。
结论：M<s形成欧姆接触 实际要形成欧姆接触时，要求半导体重掺杂，使空间电荷层 很薄，发生隧道穿透。
精编课件
43
9.2 金属半导体的欧姆接触
精编课件
44
9.2 金属半导体的欧姆接触
金属与P型半导体接触：m> s
精编课件
45
9.2 金属半导体的欧姆接触
• 由于半导体表面态的存在，假定半导体能带隙的 上半部分存在受主表面态，那么所有受主态都位 于EF之下，如图9.11b.这些表面态带负电荷， 将使能带图发生变化。
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:
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
异质结原理及对应的半导体发光机制
异质结原理及对应的半导体发光机制异质结原理是指由两种或多种材料组成的不同半导体构成的结构。
它可以利用两种半导体之间能带结构的差异，实现电子和空穴的注入、传输和复合，从而实现发光。
异质结发光是一种重要的光电子器件，具有广泛的应用前景，如发光二极管（LED）、半导体激光器（LD）等。
异质结发光机制主要包括共价键发光、能带发光和电子-空穴复合发光。
共价键发光是最早被发现和研究的半导体发光机制。
在共价键发光中，异质结的两侧半导体材料的禁带宽度不同，电子从宽禁带一侧通过隧穿效应传输到窄禁带一侧，与窄禁带一侧的空穴复合，从而释放能量并发射光子。
共价键发光的发射光谱范围较窄，通常在近红外到红外区域。
能带发光是将发光材料能带结构的差异转化为发光的机制。
在能带发光中，异质结的两侧半导体材料的导带和价带的位置不同，能带之间存在能隙。
当电子从宽能隙一侧的导带跃迁到窄能隙一侧的价带时，释放的能量将以光子的形式辐射出去。
能带发光的发射光谱范围通常较宽，可以覆盖可见光和近红外区域。
电子-空穴复合发光是异质结最常见的发光机制。
在这种机制下，电子从宽禁带一侧注入到窄禁带一侧的导带，与窄禁带一侧的空穴发生复合，并释放能量。
复合可以通过辐射发光、非辐射发光或热失活等方式进行。
其中，辐射发光是最常见的发光方式，同样也是半导体激光器工作的基本原理。
电子-空穴复合发光具有发射光谱宽、效率高等特点，可用于制备高效的发光器件。
总之，异质结原理和相应的半导体发光机制在材料和器件的设计中具有重要作用。
研究和应用这些原理和机制，可以开发出更高效、更稳定的发光材料和器件，推动光电子技术的发展。
第九章半导体异质结课件
概述
由于电势的不连续以及禁带宽度的不一致，使得异质结界面附近的能 带产生突变，即产生了“尖峰” 、“凹口” (或下陷)一些与同质结不同的情 况，这些将严重地影响载流子的运动，使得异质结具有一些同质结所没有
的特性。
一、不考虑界面态
1、突变反型异质结
一个P型A材料和一个n型B材料形成的异质结。 A 、B两材料在未形成异质结前的热平衡能带图如下图所示：
Ⅲ- Ⅴ族氮化物： BN、GaN、InN、AlN 等六方晶系； 3、 Ⅱ- Ⅵ族半导体： CdTe、HgTe、ZnTe、ZnSe、CdS、ZnS、 CdS 等闪锌矿； 4、 Ⅱ- Ⅵ族半导体： PbTe、SnTe等NaCl结构(离子晶体)； 5、氧化物半导体： ZnO。
三、异质结的生长技术
1.液相外延技术(LPE) 2.汽相外延技术(VPE) 3.金属有机化学汽相沉积技术(MOCVD) 4.分子束外延技术(MBE)
一、 异质PN结的高注入比特性
人们针对不同的异质结构，提出了多种异质结伏安特性的模型，如： 扩散模型、热电子发射模型、隧道模型、发射-复合模型、隧道-复合模型、 扩散-发射模型等等。
利用扩散模型可以获得异质PN结的电子电流密度Jn和空穴电流密度Jp 的表达式，将Jn和Jp取比值得到异质结的注入比。
(a1 ，a2分别为两种半导体晶体的晶格常数)
突变异质结交界面处的悬挂键密度△Ns为两种材料在交界面处的悬挂键密度 之差。即 △Ns = NS1 - NS2
二、 计入界面态的影响
以金刚石结构为例：
以(111)晶面为交界面时，其悬挂键密度为：
以(110)晶面为交界面时，其悬挂键密度为：
以(100)晶面为交界面时，其悬挂键密度为：
二、 计入界面态的影响
第九章半导体异质结结构
汇报人：XX
目录
• 异质结基本概念与特性 • 异质结制备技术与方法 • 异质结器件物理基础 • 异质结在光电器件中应用 • 异质结在微纳电子器件中应用 • 异质结性能优化与未来发展趋势
01
异质结基本概念与特性
异质结定义及分类
定义
由两种或两种以上不同半导体材料组 成的结，称为异质结。
异质结界面态与缺陷
界面态
异质结界面处存在悬挂键、界面电荷等界面态，对异质结的电学性能和稳定性 产生重要影响。
缺陷
异质结在制备过程中可能引入位错、层错等缺陷，影响异质结的晶体质量和电 学性能。
典型异质结材料及性质
Si-Ge异质结
具有高迁移率、低噪声等优点，广泛应用于高速 、高频电子器件。
GaAs-AlGaAs异质结
异质结发光二极管原理
通过异质结的能带结构和载流子限制作用，实现电子 和空穴的复合发光。
常见异质结发光二极管结构
如GaN基异质结发光二极管、量子点/有机物异质结发 光二极管等，具有高亮度、高色纯度等优点。
光电探测器中的异质结结构
异质结光电探测器原理
利用异质结的能带结构和内建电场，实现光 信号到电信号的转换。
和选择性。
MEMS器件
03
将异质结结构与MEMS技术相结合，实现微型化、集成化的生
物传感器件。
其他微纳电子器件中的异质结应用
光电探测器
利用异质结的能带结构和光电效应，实现高性能的光电转换。
太阳能电池
通过设计异质结的能级匹配和光吸收特性，提高太阳能电池的转 换效率。
热电转换器件
利用异质结的热电效应，实现热能和电能之间的转换。
04
异质结在光电器件中应用
半导体异质结
异质结半导体异质结构一般是由两层以上不同材料所组成，它们各具不同的能带隙。
这些材料可以是GaAs 之类的化合物，也可以是Si-Ge之类的半导体合金。
按异质结中两种材料导带和价带的对准情况可以把异质结分为Ⅰ型异质结和Ⅱ型异质结两种，两种异质结的能带结构如图1所示。
如图1(a)所示，I型异质结的能带结构是嵌套式对准的,窄带材料的导带底和价带顶都位于宽带材料的禁带中，ΔEc和ΔEv的符号相反，GaAlAs/GaAs和InGaAsP/InP都属于这一种。
在Ⅱ型异质结中，ΔEc和ΔEv的符号相同。
具体又可以分为两种:一种如图1(b)所示的交错式对准，窄带材料的导带底位于宽带材料的禁带中，窄带材料的价带顶位于宽带材料的价带中。
另一种如图1(c)所示窄带材料的导带底和价带顶都位于宽带材料的价带中［14］。
Ⅱ型异质结的基本特性是在交界面附近电子和空穴空间的分隔和在自洽量子阱中的局域化。
由于在界面附近波函数的交叠，导致光学矩阵元的减少，从而使辐射寿命加长，激子束缚能减少。
由于光强和外加电场会强烈影响Ⅱ型异质结的特性，使得与Ⅰ型异质结相比，Ⅱ型异质结表现出不寻常的载流子的动力学和复合特性，从而影响其电学、光学和光电特性及其器件的参数。
在Ⅰ型异质结中能级的偏差量具有不同的符号，电子和空穴是在界面的同一侧（窄带材料一侧）由受热离化而产生的。
这种情况下只有一种载流子被束缚在量子阱中（n-N结构中的电子，p-P结构中的空穴）。
Ⅱ型异质结能级的偏差量具有相同的符号，电子和空穴是在界面的不同侧由受热离化而产生的。
两种载流子被束缚在自洽的量子阱中，因此在Ⅰ型异质结中载流子复合发生在窄带材料一侧，Ⅱ型异质结中载流子复合主要是借助界面的隧道而不是窄带材料一侧。
不同半导体的能隙宽度可根据使用的要求做适当调整，办法可以是取代半导体元素(例如，用In或者Al代替Ga，用P、Sb或N代替As)，也可以通过改变合金的成分。
有多种方法可用于形成不同半导体层之间的突变界面，例如分子束外延法(MBE)和金属有机化学沉积法(MOCVD)。
异质结_精品文档
异质结引言异质结，指的是由两种或更多不同材料组成的半导体结构。
它在半导体器件中起着至关重要的作用，如二极管、太阳能电池等。
异质结具有许多独特的性质和应用，本文将对其结构、工作原理以及应用进行详细讨论。
一、异质结的结构异质结一般由两种半导体材料组成，其中一种材料被称为n型半导体，另一种被称为p型半导体。
n型半导体中含有多余的电子，因此带负电荷；p型半导体中则含有缺电子造成的空位，带正电荷。
当n型和p型半导体通过一定方式连接时，就形成了异质结。
在异质结中，n型半导体与p型半导体的接触形成了P-N结。
P-N 结处的电子会由n型半导体流向p型半导体，同时，空穴则会由p 型半导体流向n型半导体。
这种电子和空穴的力量平衡使得异质结具有许多独特性质。
二、异质结的工作原理异质结的工作原理涉及到P-N结处的电子和空穴运动，在这个过程中，它具有一些非常重要的特性。
首先，异质结具有整流特性。
当外加电压作用在异质结上时，如果该电压为正值，电子将向正电压的一侧移动，而空穴将向负电压的一侧移动。
这样，电子和空穴在异质结中被分离，使得电流只能在一侧通过，形成了电流的单向流动，这也使得异质结可以作为二极管使用。
其次，异质结具有发光特性。
当在异质结中注入电流时，电子和空穴会发生复合，释放出能量并产生光子。
这就是我们常见的发光二极管（LED）所利用的原理。
通过控制不同材料的选择和注入不同的电流，可以实现不同颜色的发光。
另外，异质结还具有太阳能电池特性。
当光照射到异质结上时，光子会激发电子和空穴的产生，从而产生电流。
这种光电效应使得异质结在太阳能电池中得到了广泛应用，可以将太阳能直接转化为电能。
三、异质结的应用异质结由于其独特的特性，在半导体器件中有着广泛的应用。
首先，异质结被广泛应用于二极管。
通过合适的材料选择和结构设计，异质结可以实现高效的整流功能。
它广泛应用于电源、通信、光电子器件等领域。
其次，异质结在光电器件中有着重要的地位。
第九章半导体异质结结构-PPT
VD1 V1(x0 ) V1(x1)
(9-23) (9-24) (9-25) (9-26)
而VD在交界面n型半导体一侧得电势差为
VD2 V2 (x2 ) V2 (x0 )
(9-27)
在交界面处,电势连续变化,故
VD VD1 VD2
令V1(x)=0,则VD=V2(x),并代入式(9-23)、式(9-24)中得
因此,将DD11、qDN22分A11别x12代, D入2式(V9-D23)及qN式2D(229x-2224)得
V1 ( x)
qN A1(x
21
x1 ) 2
V2
(x)
VD
qN D2 (x2
2 2
x)2
由V1(x0)=V2(x0),即得接触电势差VD为
VD (x)
qN
A1
(
x
V
x1
)
2
21
qND2 (x2
dx
2
(9-19) (9-20)
(9-21) (9-22)
对式(9-21)、式(9-22)积分得
V1 ( x)
qN A1x2
21
qN A1x1x
1
D1
V2 (x)
qN D2 x2
2 2
qN D2 x2 x
2
D2
在热平衡条件下,异质结得接触电势差VD为
VD V2 (x2 ) V1(x1)
而VD在交界面p型半导体一侧得电势差为
将上述两式代入(9-30)得
VD
q
21 2
2 N A1
ND2X D N A1 N D2
2
1N A1
N A1 X D N A1 N D2
2
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。
半导体光电子学第2章_异质结
空间电荷 空间电荷区
当扩散的载流子数等于 漂移的载流子数时，达 到了动态平衡。这时在 分界面附近形成了稳定 的正负离子区，即p-n结， 也称为空间电荷区(space charge region)，或耗散 区(depletion region)。
内建电场 电势差 在整个V半D导体中，在耗散区存在
由正离子区指向负离子区的电场， 这就使得耗散区出现电势的变化， 形成p区和n区之间的电势差V0。 n区的电势大于p区的电势。因此， 对空穴来说，n区的势能大于p区 的势能，形成了一个势垒eV0，这 使得空穴只能在p区，不能到达n 区。对电子来说，p区的势能大于 n区的势能，也形成了一个势垒 eV0，使得电子只能在n区，不能 到达p区。 整个半导体的能带结构如图所示。 这个能带图是以电子能量为参照 的。
功函数φ：将一个电子从费米能级EF处转移到真空能级所 需能量。
电子亲和势χ：一个电子从导带底转移到真空能级所需的 能量。
真空能级：真空中静止电子的能量。
功函数φ
真空能级
xφ
EC
F
电子亲和势χ
Eg
真空能级Βιβλιοθήκη EVN一、p-N异质结
作能带图的步骤是： ①以同一水平线的真空能级为参考能级，根据各自的φ、 χ、Eg值画出两种半导体材料的能带图，如图2.1-1所示
当本征半导体的两边分别掺杂不 同类型的杂质时，由于浓度差的 作用，n区的多数载流子电子和p 区的多数载流子空穴分别向p区 和n区扩散。这样在p区和n区的 分界面附近，n区由于电子扩散 到p区而留下不能移动的正离子， p区由于空穴扩散到n区而留下不 能移动的负离子。这些不能移动 的正负离子在分界面附近形成一 个电场E0，称为内置电场。内置 电场的方向是从n区指向p区，阻 碍着电子和空穴的扩散，它使n 区的少数载流子空穴和p区的少 数载流子电子分别向p区和n区作 漂移运动，
半导体异质结
半导体异质结的 研究进展与展望
半导体异质结的制备技术 半导体异质结的性能优化 半导体异质结的应用领域 半导体异质结的未来发展趋势
半导体异质结的 研究进展：在材 料、结构、工艺 等方面取得了重 要进展
半导体异质结的 突破：在光电转 换效率、稳定性、 可靠性等方面取 得了重要突破
半导体异质结的 应用前景：在太 阳能电池、光电 探测器、LED等 领域具有广泛的 应用前景
太阳能电池：利用半导体异质结的 光电效应将太阳能转化为电能
发光二极管（LED）：利用半导体 异质结的电致发光效应将电能转化 为光能
添加标题
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添加标题
添加标题
光电探测器：利用半导体异质结的 光电效应将光信号转化为电信号
激光器：利用半导体异质结的光电 效应产生激光束用于通信、医疗等 领域
温度传感器：用于测量温度变化 压力传感器：用于测量压力变化 湿度传感器：用于测量湿度变化 气体传感器：用于检测气体浓度变化 生物传感器：用于检测生物信号变化 光学传感器：用于检测光学信号变化
半导体异质结： 由两种或两种 以上不同性质 的半导体材料
组成的结构
异质结类型： 包括异质结、 异质结、异质
结等
异质结特点： 具有独特的电 学、光学和热
学性质
异质结应用： 广泛应用于电 子、光电子、 微电子等领域
半导体异质结的形成是通过将两种 不同的半导体材料结合在一起形成 一种新的半导体结构。
半导体异质结的形成还可以通过在 半导体材料中引入杂质来实现例如 通过掺杂、离子注入等方法。
市场需求：随着5G、物联网、人工智能等技术的发展半导体异质结市场前景广阔 技术挑战：半导体异质结技术难度大需要攻克材料、工艺、设备等多方面的难题 竞争压力：全球半导体市场竞争激烈需要不断提高技术水平和产品质量 政策支持：政府对半导体产业的支持力度加大为半导体异质结的发展提供了有利条件
半导体激光器中双异质结的作用和优势
半导体激光器中双异质结的作用和优势
作用：
1.载流子限制：双异质结由两种不同带隙的半导体材料层交替堆叠而成。
这种结构使得注入到结区的电子和空穴受到有效的侧向限制，不会轻易扩散出去。
在P-N或N-P-N等结构中，载流子被局限在有源区（量子阱层），极大地提高了载流子的密度。
2.光场限制：由于异质结界面两侧材料折射率的不同，形成了一个光学谐振腔的效果，有效地约束光波在有源区来回传播，增强光子与载流子的相互作用。
3.超注入效应：双异质结能够实现高效泵浦，即使在较小的电压下也能使大量载流子反转，有利于形成激光振荡所需的粒子数反转状态。
优势：
1.阈值电流低：由于双异质结的良好载流子和光场限制效果，半导体激光器只需较低的注入电流就能达到激光阈值，降低了功耗。
2.高效率：提高内部量子效率，减少无辐射复合损失，从而提升了激光器的整体电光转换效率。
3.稳定性好：良好的侧向不均匀性抑制了模式跳变和其他不稳定现象，提高了激光器的运行稳定性和可靠性。
4.波长可调：通过改变双异质结的材料组合和厚度，可以灵活地调整激光器的工作波长，使其更易与其他光学系统如光纤进行耦合。
5.尺寸小、集成度高：双异质结激光器具有小型化特点，易于与其他微电子和光电子元件集成，应用于光通信、光存储、激光打印等领域。
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A层厚度dA远小于B层厚度dB,,势垒层的厚度dB必须足够大，以保证一个势阱中的 电子不能穿透势垒层进入另一个势阱 超晶格中电子的运动就不仅要受材料晶格周期势的影响，同时受到一个沿薄层 生长方向z展开的人工附加周期势场的影响 ,周期
d dA dB
多量子阱和超晶格中电子的波函数 由于两种构成材料的禁带宽度不同，当窄禁带材料的厚度 小于电子的德布罗意波长时，这种材料即成为载流子的势阱
量子阱效应
一、量子约束效应:量子阱中电子的能级间距与阱宽的平方成反比,对于由 夹在宽禁带材料之间的窄禁带材料薄层构成的量子阱，当薄层狭窄到 足以使电子状态量子化 二、共振隧穿效应:当入射电子的能量与中间量子阱中的分立能级一致时， 其隧穿概率可接近于1，而能量不一致时，其隧穿概率则几乎为零 三、声子约束效应:在量子阱或超晶格中，声子态也有类似于电子态的量 子约束效应 四、微带效应:超晶格中各量子阱之问的势垒较薄，各量子阱中的束缚能
ZnO掺杂能带示意图
第3章 半导体异质结
• pn结的两边是采用同一种材料，称为同质结 • 由两种不同的半导体单晶材料组成的结，则称为异质结 N和P表示宽带半导体，n和p表示窄带半导体 p型GaAs与P型AlGaAs ，同型异质结 p型GaAs与N型AlGaAs，异型异质结
3.1 异质结及其能带图
加正向偏压时, p型半导体势垒区边界处的少子浓度
n1 ( x1 ) n 2 0 (qVD qV Ec ) qV exp n1 0 e x p kT kT
电子电流密度
Jn
q D n 1 n1 0 qV exp 1 L n1 kT
dQ dVa
q 1 2 N A 1 N D 2 2 ( 1 N A 1 2 N D 2 )(V D V
2 )
（1/C2）和V呈线性关系， 可以从直线在电压轴上的截距求得势垒高度VD
考虑界面态时的能带图
（a）p-n异质 （b）n-p异质结
（c）p-p异质结 （d）n-n异质结
渐变异质结的能带图
3.2 异型异质结的电学特性
半导体异质结的电流电压关系比同质结复杂 突变异质结的伏安特性和注入特性
（a）负反向势垒（b）正反向势垒
负反向势垒异质结的伏安特性
p型半导体中少数载流子的浓度n10 n型半导体中多数载流子的浓度n20
n1 0 n 2 0 e x p (qVD Ec ) kT
E in qV J exp 1 exp kT kT
Ein代表界面态的能级深度，V是外加电压
异质结的超注入现象
超注入现象:指在异质结中由宽带半导体注入到窄带半导体中 的少数载流子浓度可以超过宽带半导体中多数载流子浓度
加正向电压后的p-GaAs-N-AlxGal-xAs异质结 当异质结上施加的正向电压足够大时, p区电子为少数载流子， 其准费米能级随电子浓度的上升很快 ,结两边的电子准费米能级可达一致。 由于P区导带底比N区导带底更接近费米能级，故P区导带的电子浓度高于N区
图3.11半导体量子阱示意图
对处于无限深方势阱中的粒子 ，假定势阱的宽度为Lz，求解 薛定谔方程，则波函数的解为 在z方向上
( x , y , z ) ( x , y ) ( z )
( z ) A z sin( k z z )( k z n / L z ; n 1, 2, 3 )
s Lx Ly
k空间的等能曲线是一个圆，对于圆环状面积对应的状态数等于
2 k d k / s kdk 2 Lx Ly
单位实空间中对应的状态数为
kdk / 2
倒空间中的面积元
2DEG中电子的状态密度与能量的关系
3.4 多量子阱与超晶格
（a） 半导体量子阱
（b） 多量子阱
（c） 超晶格
2
同质结注入比
Jn J
p
DnLp N D D p Ln N
A
决定同质结注入比的是掺杂浓度
• 异质结注入比：
由于能带断续的存在，由左向右的空穴注入除了要 克服势垒之外，还要克服一个附加台阶，因而空穴流
J p exp[ ( qV D E v )]
而由右向左的电子注入只需克服势垒
J n exp[ q (V D V D 1 )]
( x2 x0 )
2 1 2 N A 1V D q N D 1 ( 1 N
A1
2N D2)
当外加偏压时，用（VD–V）替换VD 内建电势的大部分降落在杂质浓度较低的一侧，其耗尽层宽度也较宽
同质结中势垒高度VD的计算
耗尽层宽度随着结电压的变化而变化，微分电容C=dQ/dV，
1
C
异质结的形成条件
满足禁带宽度的要求，选择晶格失配小的材料
晶格失配形成位错缺陷 单位面积的悬挂键数目为
N ss 1 LS L S ( a 2 a 1 )( a 2 a 1 ) 2 2 2 2 L S a1 a2 a1 a 2
异质结的能带图
Ec 1 2
Ev ( E g1 E g 2 ) ( 1 2 )
（a）异质结形成之前平衡能带图（b）形成之后的平衡能带图 特点：在界面处就会出现能带的弯曲，发生导带及价带的不连续
异质结耗尽层宽度的计算
• 假设条件：在热平衡下，界面两端的费米能级相同 禁带宽度Eg和电子亲和能皆非杂质浓度的函（非简并） • 导带边缘的不连续和价带边缘的不连续不会受杂质浓度影响 • 能带的弯曲量VD（扩散电势）为两种半导体功函数之差
以n1和n2分别表示P区和N区的电子浓度 Ec1和Ec2分别表示p区和N区的导带底能值 Nc1和Nc2分别表示两种半导体导带底有效态密度
n1 N c 1 ( E c1 E F n ) exp kT ( E c 2 E Fn exp kT
• 空穴的电流密度
J
p
q D p 2 p 20 qV 1 exp Lp2 kT
Lp2为空穴扩散长度，Dp2为空穴扩散系数
D n D p 2 p 20 n1 10 q L Lp2 n1
总电流
J n J
p
exp( E v qV D1 ) exp E v
价带断续Ev大，异质结就能产生较大的注入比 异质结是渐变时
Jn J
p
e x p [ ( q V D E c )] e x p [ ( q V D E v )]
exp E g
正反向势垒异质结的伏安特性
p
qV 1 exp kT
注入比: 是指pn结加正向电压时，n区向p区注入的电子流与
p区向n区注入的空穴流之比
Jn J
p
q D n 1 L p 1 n1 0 q D p 2 L n1 p 20
D n 1 L p 2 n 12i n 2 0 D p 2 L n1 n 2 i p10
Ln1为电子扩散长度，Dn1为电子扩散系数
n型半导体中少数载流子的浓度p20 加正向电压时
p 2 ( x 2 ) p1 0 e x p
p 2 0 p1 0 e x p
(qVD Ev kT
(qVD V Ev qV p 20 e x p kT kT
V D V D 1 V D 2 W1 W 2
VD2 V D1 N A
p
N D n
NA是p型半导体的受主浓度，ND是n型半导体的施主浓度。 n与p分别是n型和p型半导体的相对介电常数。
2 1 2 N D 2V D qN
A1
( x 0 x1 )
( 1 N
A1
2N D2)
2 *
2m Lz
2m //
( k x k y )( n 1, 2 , 3 )
2 2
m
*
m//
*
分别为垂直于和平行于z方向的有效质量
图3.12量子阱中电子的能量
图3.13三角形势阱的示意图 MOS结构反型层、金属一半 导体接触，以及异质结界面
二维电子气的态密度
态密度：单位能量间隔内允许存在的状态数 在三维情况下，态密度和能量呈抛物线关系，通过k空间来求 能量空间的状态密度， 二维电子气只需要把三维求解中的体积转化为二维的面积 设势阱平面在x, y方向的长度分别为Lx和Ly， 2 每个状态所占的面积为 2
n2 N c2
Nc1~Nc2
n1 n2
E c 2 E c1 exp kT
由于Ec1<Ec2，故n1>n2
实现激光器所要求的粒子数反转条件
3.3 量子阱与二维电子气
量子阱：在量子力学中，能够对电子的运动产生某种约束并
使其能量量子化的势场 二维电子气（2DEG）：一般是指在两个方向上可以自由运动， 而在第三个方向上的运动受到限制的电子群。
满足边界条件的波函数（z=0及z=Lz处恒为零）的能量 Ez是量子化的
Ez En
2 * 2
2m Lz
2
n
2
( n 1, 2 , 3, )
m
*
为z方向的有效质量；n为量子数，能量本征值与量子数n的平方成正比
E E z E ( x, y)
* 2 2
n
2
级互相耦合，形成微带
蓝光 InGaN/GaN 多层量子阱LED结构
Active Layer
P electrode
P-type GaN:Mg 0.5µm