半导体光电子学第二章第四章

第二章异质结

☞前言：半导体同质结

☞2.1异质结及其能带图

☞2.2异质结在半导体光电子学器件中的作用☞2.3异质结中的晶格匹配

☞2.4 对注入激光器异质结材料的要求

☞2.5 异质结对载流子的限制

☞小结

前言：半导体同质结

p-n结：把一块p型半导体和一块n型半导体结合在一起，在二者的交界面初就形成了所谓的p-n结。

p n

突变结：在交界面处，杂质浓度由N A （p 型）突变为

N D （n 型），具有这种杂质分布的p-n 结称为突变结。

缓变结：杂质浓度从p 区到n 区是逐渐变化的，通常称为缓变结

。

空间电荷空间电荷区内建电场电势差V D

N

P

空间电荷区－耗尽层

X N X P

2.1 异质结及其能带图

异质结：两种不同材料之间的界面（广义）。半导体中是两种不同单晶半导体材料之间的晶体界面，也可以说是由两种基本物理参数不同的半导体单晶材料构成的晶体界面，不同的物理参数

包括E

g ，功函数（φ），电子亲和势（χ），介电

常数（ε）。

同质结：由同种材料构成的结。

异型异质结：P-n ，p-N ；同型异质结：n-N ，p-P 。

P ，N 宽带隙材料；p ，n 窄带隙材料。

突变结、缓变结：按照过度区空间电荷分布情况及厚度的不同，前者厚度只有几个晶格常数大小，而后者可达几个载流子扩散长度。

功函数φ：将一个电子从费米能级E F 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

。

真空能级

x

φ

E g

E C

E V

F

N

功函数φ 电子亲和势χ 真空能级

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、E g 值画出两种半导体材料的能带图，如图2.1-1所示②两种材料形成异质结后应处于同一平衡系统中，因而各自的费米能级应相同；③画出空间电荷区（由内建电势可求空间电荷区宽度），φ值在空间电荷区以外保持各自的值不变；④真空能级连续与带边平行（弯曲总量为两边费米能级之差，每侧弯曲程度由费米能级与本征费米能级之差决定，由掺杂浓度决定）；⑤而各自的χ、E g 不变。原来两种材料导带、价带位置之间的关系在交界处不变。

真空能级

x1φ

1

E g1 E C1

E V1

F1

p

x2φ2

E g2

E C2

E V2

F2

N

ΔE V

ΔE C

真空能级

x 1 φ

1

E g1

E C1

E V1

F 1

p

x 2 φ

2

E g2

E C2 E V2

F 2

N

ΔE V

ΔE C

-X p

X N

0 V DN

V DP V D

V DP

V DN

δ1

δ2

δ1=E v1-F 1，δ2=E c2-F 2

ΔE c =χ1-χ2=Δχ（2.1-1）

ΔE v =E v2-E v1=（E g2+χ2）-（Eg1+χ1）=ΔE g -Δχ=ΔE g -ΔE c ΔE g =ΔE c +ΔE v

eV D =φ1-φ2=F 1-F 2=e （V Dp +V DN ）

由泊松方程

()0

2

)

(x,εερr x t V -

=∇dx

dV x E /)(-=1

2

12/εp A Dp x eN V =2

2

22/εN D D N x eN V =2

21212/N

D p A DN Dp x N x N V V εε=

N

D p A x N x N 21=N

p A D x x N N =12

1

212/A D DN

Dp N N V V εε=

)

1(2

21

1D A Dp DN

Dp D N N V V V V εε+=+=2

/122111221]

)

(2[D A A D D p N N N V N e x εεεε+=-2

/122112121]

)

(2[D A D D A N N N N V N e x εεεε+=2

/1221121211])

(2[)(D A D D A p A D j N N V N N e x eN dV d C dV dQ εεεε+===

上面讲的是平衡结（无外界作用）的情况，当在结两边加上正向电压V a 后，它在结两边空间电荷区上的压降分别为V 1和V 2，这时的势垒高度就由原来的eV D 降低到e （V D -V a ）=e[（V Dp -V 1）+（V DN -V 2）]，只要用（V D -V a ）、（V Dp -V 1）、（V DN -V 2）分别代替V D 、V Dp 、V DN ，上面讲的公式仍然成立。