半导体pn结异质结和异质结构
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
本征半导体载流子浓度ni, p i
本征半导体:
ni = pi = n =p = 4.9 E15 (me mh/mo）^3/4 T^3/2 exp(-Eg/2KT)
= A T^3/2 e^(-Eg/2KT)
是温度T,禁带宽度Eg的函数,温度越高, ni越大, Eg越宽, ni越小 T为3OOK时, Si: ni = p i=1.4 E10/cm*-3
ni pi = 1.96 E20/cm^-3
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
PN结加反向电压时,空间电荷区中的正负电荷 构成一个电容性的器件。它的电容量随外加电压 改变,反向时电容减小正向时电容增大.
半导体同质p-n结,异质结的形成
采用不同的掺杂工艺,将P型半导体与N型半导体制 作在同一块半导体上,在它们的交界面就形成空间电 荷区称PN结。
一块单晶半导体中 ，一部分掺有受主杂质是P型 半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时 ，P 型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称PN结。
n型p型半导体的能带结构
Xs Wn Wp
Eg Es
Eo
Ec E fn Ei , Efi E fp Ev
p-n结形成的内部机理
• 施主和受主,电子和空穴(载流子,移动电荷), 空间电荷(固定离子)
• 多数载流子和少数载流子,(载流子的扩散运 动,空间电荷区的形成,内建电场的建立),
• 内建电场阻止多数载流子的进一步扩散,增 强了少数载流子在反方向的漂移运动,最后 达到动态平衡(热平衡,电中性),随温度变化 时,平衡被破坏)
1. 用PN结单向导电性可以制作整流二极管、检波二极管和开关二 极管，
2. 利用击穿特性制作稳压二极管和雪崩二极管； 3. 利用高掺杂PN结隧道效应制作隧道二极管； 4. 利用结电容随外电压变化效应制作变容二极管; 5. 将半导体的光电效应与PN结相结合还可以制作多种光电器件。
如利用前向偏置异质结的载流子注入与复合可以制造半导体激光二极 管与半导体发光二极管；
PN结的反向电压特性及电容特性
PN结加反向电压时,空间电荷区变宽, 电场增 强, 阻止了多数载流子的扩散,而P区和N区的少数 载流子电子和空穴沿反向电场运动,产生反向漏电 流,由于少子是本征激发,它决定于温度而不决定于 反向电压,当反向电压增大到一定程度足以把少子 全部吸引过来时,电流达到恒定,称作反向饱和漏电 流, 当反向电压再增大电流突然增大时,称作PN结 击穿。如果外电路不能限制电流，则电流会大到 将PN结烧毁.
6. 利用光辐射对PN结反向电流的调制作用可以制成光电探测器； 7. 利用光生伏特效应可制成太阳电池; 8. 利用两个PN结之间的相互作用可以产生放大，振荡等多种电子 功能; PN结是构成双极型晶体管和场效应晶体管的核心，是现代微电子 技术、光电子技术的基础。
半导体异质结
基本概念：
异质结就是一种半导体材料生长在另一种 半导体材料上所形成的接触过渡区。依照两种 材料的导电类型分同型异质结（P-p结或N-n结） 和异型异质(P-n或p-N)结。按照两种材料晶格常 数的失配程度，异质结可分为两类，即匹配型 异质结和失配型异质结，由于两种异质材料具 有不同的物理化学参数（如电子亲和势、 能带 结构、介电常数、晶格常数等）, 接触界面处产 生各种物理化学属性的失配，使异质结具有许 多不同于同质PN结的新特性。源自PN结的伏安(I-V)特性：
I为流过PN结的电流；Is为PN结的反向饱和电流，与温度和材料有关的参数， V为外加电压； Vt=kT/q,为温度的电压当量（Vt=26mV.），当外加正向电压V为 正值且比Vt大几倍时, 正向电流随正向电压的增加按指数规律增大,PN结为正向 导通状态.外加反向电压即v为负值，且|v|比Vt大几倍时，PN结只流过很小的反 向饱和电流，且数值上基本不随外加电压而变，PN结呈反向截止状态。由PN结 的I/V特性曲线得到：PN结具有单向导电性和非线性伏安特性.
PN结有同质结和异质结两种。用同一种半导体材 料制成的 PN 结叫同质结 ，由禁带宽度不同的两种半 导体材料制成的PN结叫异质结。
制造同质PN结的方法有合金法、扩散法、离子注 入法、外延生长法等。
制造异质结通常采用外延生长法。
PN结的应用
根据PN结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同，利 用其基本特性可以制造多种功能的晶体二极管。
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，多数载流 子在电场的作用下可以顺利通过。如果N型 一边接外加电压的正极，P型一边接负极， 则空穴和电子都向远离界面的方向运动， 使空间电荷区变宽，电流不能流过。这就 是PN结的单向导电性。
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:
在空间电荷区内电子势能为-qV,因此电 子从N区到P区必须越过这个势能高度,该高 度称作势垒高度
延淀积在同一衬底上。如图所述的是利用半导体异质结构所作成的 半导体激光器
基本特性： 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nm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。
异质结的能带结构
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。研究较多的是GaAs 化合物、SiGe之类的 半导体合金,目前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 的能带结构如图所示。
半导体异质结构的基本特性 半导体异质结构，是将不同材料的半导体薄膜，依先后次序外
本征半导体:
ni = pi = n =p = 4.9 E15 (me mh/mo）^3/4 T^3/2 exp(-Eg/2KT)
= A T^3/2 e^(-Eg/2KT)
是温度T,禁带宽度Eg的函数,温度越高, ni越大, Eg越宽, ni越小 T为3OOK时, Si: ni = p i=1.4 E10/cm*-3
ni pi = 1.96 E20/cm^-3
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
PN结加反向电压时,空间电荷区中的正负电荷 构成一个电容性的器件。它的电容量随外加电压 改变,反向时电容减小正向时电容增大.
半导体同质p-n结,异质结的形成
采用不同的掺杂工艺,将P型半导体与N型半导体制 作在同一块半导体上,在它们的交界面就形成空间电 荷区称PN结。
一块单晶半导体中 ，一部分掺有受主杂质是P型 半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时 ，P 型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称PN结。
n型p型半导体的能带结构
Xs Wn Wp
Eg Es
Eo
Ec E fn Ei , Efi E fp Ev
p-n结形成的内部机理
• 施主和受主,电子和空穴(载流子,移动电荷), 空间电荷(固定离子)
• 多数载流子和少数载流子,(载流子的扩散运 动,空间电荷区的形成,内建电场的建立),
• 内建电场阻止多数载流子的进一步扩散,增 强了少数载流子在反方向的漂移运动,最后 达到动态平衡(热平衡,电中性),随温度变化 时,平衡被破坏)
1. 用PN结单向导电性可以制作整流二极管、检波二极管和开关二 极管，
2. 利用击穿特性制作稳压二极管和雪崩二极管； 3. 利用高掺杂PN结隧道效应制作隧道二极管； 4. 利用结电容随外电压变化效应制作变容二极管; 5. 将半导体的光电效应与PN结相结合还可以制作多种光电器件。
如利用前向偏置异质结的载流子注入与复合可以制造半导体激光二极 管与半导体发光二极管；
PN结的反向电压特性及电容特性
PN结加反向电压时,空间电荷区变宽, 电场增 强, 阻止了多数载流子的扩散,而P区和N区的少数 载流子电子和空穴沿反向电场运动,产生反向漏电 流,由于少子是本征激发,它决定于温度而不决定于 反向电压,当反向电压增大到一定程度足以把少子 全部吸引过来时,电流达到恒定,称作反向饱和漏电 流, 当反向电压再增大电流突然增大时,称作PN结 击穿。如果外电路不能限制电流，则电流会大到 将PN结烧毁.
6. 利用光辐射对PN结反向电流的调制作用可以制成光电探测器； 7. 利用光生伏特效应可制成太阳电池; 8. 利用两个PN结之间的相互作用可以产生放大，振荡等多种电子 功能; PN结是构成双极型晶体管和场效应晶体管的核心，是现代微电子 技术、光电子技术的基础。
半导体异质结
基本概念：
异质结就是一种半导体材料生长在另一种 半导体材料上所形成的接触过渡区。依照两种 材料的导电类型分同型异质结（P-p结或N-n结） 和异型异质(P-n或p-N)结。按照两种材料晶格常 数的失配程度，异质结可分为两类，即匹配型 异质结和失配型异质结，由于两种异质材料具 有不同的物理化学参数（如电子亲和势、 能带 结构、介电常数、晶格常数等）, 接触界面处产 生各种物理化学属性的失配，使异质结具有许 多不同于同质PN结的新特性。源自PN结的伏安(I-V)特性：
I为流过PN结的电流；Is为PN结的反向饱和电流，与温度和材料有关的参数， V为外加电压； Vt=kT/q,为温度的电压当量（Vt=26mV.），当外加正向电压V为 正值且比Vt大几倍时, 正向电流随正向电压的增加按指数规律增大,PN结为正向 导通状态.外加反向电压即v为负值，且|v|比Vt大几倍时，PN结只流过很小的反 向饱和电流，且数值上基本不随外加电压而变，PN结呈反向截止状态。由PN结 的I/V特性曲线得到：PN结具有单向导电性和非线性伏安特性.
PN结有同质结和异质结两种。用同一种半导体材 料制成的 PN 结叫同质结 ，由禁带宽度不同的两种半 导体材料制成的PN结叫异质结。
制造同质PN结的方法有合金法、扩散法、离子注 入法、外延生长法等。
制造异质结通常采用外延生长法。
PN结的应用
根据PN结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同，利 用其基本特性可以制造多种功能的晶体二极管。
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，多数载流 子在电场的作用下可以顺利通过。如果N型 一边接外加电压的正极，P型一边接负极， 则空穴和电子都向远离界面的方向运动， 使空间电荷区变宽，电流不能流过。这就 是PN结的单向导电性。
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:
在空间电荷区内电子势能为-qV,因此电 子从N区到P区必须越过这个势能高度,该高 度称作势垒高度
延淀积在同一衬底上。如图所述的是利用半导体异质结构所作成的 半导体激光器
基本特性： 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nm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。
异质结的能带结构
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。研究较多的是GaAs 化合物、SiGe之类的 半导体合金,目前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 的能带结构如图所示。
半导体异质结构的基本特性 半导体异质结构，是将不同材料的半导体薄膜，依先后次序外