《半导体光电子学课件》下集2.1 异质结及其能带图
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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
非本征半导体:是掺杂的半导体。由于在价带和导 带分别加入的空穴和自由的电子，使半导体的导电性能 发生改变。
如：五价的杂质原子（P,As）掺入四价Si后必 有一个电子成为自由电子运动在导带中，形成电子导电 类型的n型半导体。由于有较高能量的自由电子的进入导 致原来在带隙中的费米能级逐渐向上移。如果在半导体 中加入 三价的杂质原子（B），与硅的结合将有一个键 悬空，形成空穴，此空穴可以在价带中自由移动，形成 了空穴导电类型的p型半导体，由于有空穴的进入导致原 来在带隙中的费米能级逐渐向下移。
本征半导体载流子浓度ni, p i
本征半导体:
ni = pi = n =p = Eg/2KT) = A T^3/2
4.9 E15 (me mh/mo）^3/4
e^(-Eg/2KT)
T^3/2 exp(-
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
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
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。
如：五价的杂质原子（P,As）掺入四价Si后必 有一个电子成为自由电子运动在导带中，形成电子导电 类型的n型半导体。由于有较高能量的自由电子的进入导 致原来在带隙中的费米能级逐渐向上移。如果在半导体 中加入 三价的杂质原子（B），与硅的结合将有一个键 悬空，形成空穴，此空穴可以在价带中自由移动，形成 了空穴导电类型的p型半导体，由于有空穴的进入导致原 来在带隙中的费米能级逐渐向下移。
本征半导体载流子浓度ni, p i
本征半导体:
ni = pi = n =p = Eg/2KT) = A T^3/2
4.9 E15 (me mh/mo）^3/4
e^(-Eg/2KT)
T^3/2 exp(-
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
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
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。
半导体光电子学第二章第四章解析
j
q
n
p0 Dn Ln
pn0 Dp Lp
e
qV kT
1
真空能级 x2
EC F2
φ2
Eg2
EV
n
x3 EC
φ3
Eg3
F3 EV
P
n
真空能级
x2
φ2
F Eg2
x3
φ3
Eg3
P
二、突变同型异质结
真空能级
x1 EC
F1
φ1
Eg1
EV
N
x2
EC F2
φ2
Eg2
EV
n
N
真空能级
x1 EC
φ1
F
Eg1
n
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。 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Eg，功函数（φ），电子亲和势（χ），介电 常数（ε）。
同质结：由两种禁带宽度相同的半导体材料构成的
同质结：由两种禁带宽度相同的半导体材料构成
的结。
p
n
突变结：在交界面处，杂质浓度由NA（p型）突变为
ND（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。
空间电荷区－耗尽层
空间电荷 空间电荷区 内建电场 电势差VD
XN
XP
N
P
2.1 异质结及其能带图
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
《半导体光电子学课件》下集2.1异质结及其能带图
将异质结泡在溶液中，在合适的条件下生长形成异质结材料。
异质结效应
拉克特效应
异质结的巨拉克特效应提供了 高灵敏度和高速度的光电转换。
异பைடு நூலகம்结电阻效应
由于材料性质差异带来的电阻 变化，用于电子器件中的控制 和调节。
热电效应
利用异质结在温度梯度下产生 的热电势差实现能量转换。
异质结失效机制
惯性效应
当异质结材料无法快速响应外界变化时，会产 生失效。
通过施加电场，改变异质结的 材料电位差，形成能带结构的 变化。
外界压力作用下的形 成
外界压力对异质结材料的物理 和结构性质的影响，使能带发 生变化。
掺杂作用下的形成
通过对材料进行掺杂，引入杂 质能级，改变能带结构。
异质结应用
1 光伏电池
异质结是光伏电池的关键构件，转换太阳能 为电能。
2 激光器
异质结的能带结构和电子能级分布是激光器 实现激光输出的基础。
损耗效应
由于能带结构和电子能级的变化，异质结材料 会发生能量损耗。
串扰效应
异质结中的电场和电子状态相互影响，导致器 件性能下降。
失效测试方法
通过对异质结性能的测试和分析，判断异质结 是否失效。
总结
异质结的重要性
异质结在半导体器件中起着重要的作用，广泛应用 于光电子学领域。
展望其未来的应用
随着技术的不断发展，异质结将在能源、通信和信 息等领域有更广泛的应用。
能带结构
能带简介
能带描述了材料中电子的能量分 布情况，直接影响半导体的导电 性能。
能带在异质结中的分布
异质结中的能带分布受到材料性 质差异的影响，形成能带弯曲或 偏移。
常见异质结的能带图
《半导体光电子学》课件
探测器性能测试
演示光电探测器的响应度、速度和线性范围 等测试方法。
实验四：光子集成回路的制备与性能测试
总结词
掌握光子集成回路的基本原理、制备工艺和性能测试方法
光子集成回路基本原理
介绍光子晶体、光波导和光子器件等基本概念。
光子集成回路制备工艺
介绍微纳加工、耦合和封装等关键工艺流程。
回路性能测试
演示光子集成回路的传输损耗、器件特性和系统性能等测试方法。
发展历程与现状
发展历程
从20世纪初的初步研究到现在的广 泛应用，经历了基础研究、技术突破 和应用拓展等阶段。
现状
随着光电子器件的快速发展，半导体 光电子学在通信、能源、医疗等领域 发挥着越来越重要的作用。
半导体光电子学的应用领域
通信领域
利用半导体光电子器件实现高 速、大容量的信息传输，如光 纤通信系统中的激光器、调制
太阳能电池
提高太阳能电池的光电转换效率和稳 定性，降低成本，推动其在可再生能 源领域的应用。
光子集成回路的研究
光子晶体
研究新型光子晶体结构和材料，实现光 子器件的小型化、集技术，制作高性能的光子器 件，推动光子集成回路的发展。
半导体光电子学的未来展望
新材料、新结构的研究
导带是电子填充的能级， 价带是空穴填充的能级， 禁带是导带和价带之间的 能量间隙。
不同类型和性质的半导体 具有不同的能带结构。
半导体的光学性质
半导体的光学性质与材料的能带结构和光学常 数有关。
光电效应是太阳能电池等光电器件工作的基础。
半导体对光的吸收、反射、折射和散射等行为 具有特定的规律。
半导体的光电效应是指光子照射在半导体表面时 ，半导体吸收光子能量并产生电子-空穴对的现 象。
半导体的能带结构-PPT
一、布喇菲的空间点阵学说
晶体内部结构概括为是由一些相同点子在空间 有规则作周期性无限分布，这些点子的总体称 为点阵。
（该学说正确地反映了晶体内部结构长程有序特征，后来 被空间群理论充实发展为空间点阵学说，形成近代关于晶 体几何结构的完备理论。）
1 . 点子
空间点阵学说中所称的点子，代表着结构中相同的位 置，也为结点，也可以代表原子周围相应点的位置。
ρGe=0.2Ωcm 绝缘体：ρ＞109Ωcm
●电阻温度系数 绝 缘 体 R
半导体
T
半导体材料的分类
按功能和应用分
微电子半导体 光电半导体
热电半导体 微波半导体
气敏半导体 ∶ ∶
按组成分： 按结构分:
无机半导体：元素、化合物
有机半导体 晶体：单晶体、多晶体
非晶、无定形
*无机半导体晶体材料
无机半导体晶体材料
Ⅳ-Ⅳ族
Ⅴ-Ⅵ族
化合物 半导体
Ⅲ-Ⅴ族 Ⅱ-Ⅵ族
CdS、CdTe、 CdSe、
ZnS
GeS、SnTe、 GeSe、PbS、
PbTe
Ⅳ-Ⅵ族
金 属氧化物
CuO2、ZnO、 SnO2
★ 过 渡 金 属 氧 化 物 半 导 体 ： 有 ZnO 、 SnO2 、 V2O5 、 Cr2O3 、 Mn2O3 、 FeO 、 CoO 、 NiO 等 。
原胞边长总是一个周期，并各沿三个晶轴方向；
原胞体积为物理学原胞体积的整数倍数。
4 .结点的总结------布喇菲点阵或布喇菲格子
布喇菲点阵的特点：
每点周围情况都一样。是由一个结点沿三维空间周 期性平移形成，为了直观，可以取一些特殊的重复 单元（结晶学原胞）。
• 完全由相同的一种原子组成，则这种原子组成的 网格为布喇菲格子，和结点所组成的网格相同。
晶体内部结构概括为是由一些相同点子在空间 有规则作周期性无限分布，这些点子的总体称 为点阵。
（该学说正确地反映了晶体内部结构长程有序特征，后来 被空间群理论充实发展为空间点阵学说，形成近代关于晶 体几何结构的完备理论。）
1 . 点子
空间点阵学说中所称的点子，代表着结构中相同的位 置，也为结点，也可以代表原子周围相应点的位置。
ρGe=0.2Ωcm 绝缘体：ρ＞109Ωcm
●电阻温度系数 绝 缘 体 R
半导体
T
半导体材料的分类
按功能和应用分
微电子半导体 光电半导体
热电半导体 微波半导体
气敏半导体 ∶ ∶
按组成分： 按结构分:
无机半导体：元素、化合物
有机半导体 晶体：单晶体、多晶体
非晶、无定形
*无机半导体晶体材料
无机半导体晶体材料
Ⅳ-Ⅳ族
Ⅴ-Ⅵ族
化合物 半导体
Ⅲ-Ⅴ族 Ⅱ-Ⅵ族
CdS、CdTe、 CdSe、
ZnS
GeS、SnTe、 GeSe、PbS、
PbTe
Ⅳ-Ⅵ族
金 属氧化物
CuO2、ZnO、 SnO2
★ 过 渡 金 属 氧 化 物 半 导 体 ： 有 ZnO 、 SnO2 、 V2O5 、 Cr2O3 、 Mn2O3 、 FeO 、 CoO 、 NiO 等 。
原胞边长总是一个周期，并各沿三个晶轴方向；
原胞体积为物理学原胞体积的整数倍数。
4 .结点的总结------布喇菲点阵或布喇菲格子
布喇菲点阵的特点：
每点周围情况都一样。是由一个结点沿三维空间周 期性平移形成，为了直观，可以取一些特殊的重复 单元（结晶学原胞）。
• 完全由相同的一种原子组成，则这种原子组成的 网格为布喇菲格子，和结点所组成的网格相同。
半导体光电子器课件
《半导体光电子器》PPT课件
内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N 区的Ef 相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾 斜，见图4.5(b)。
能量
p
Ec
P区
p
E
v
n
E
c
势垒
E
f
N区
n
E
v
(b) 零偏压时P - N结的能带倾斜图；
《半导体光电子器》PPT课件
PN结:
耗 尽区
扩散电子
-
+
-
+
-
+
pn结
内建电场
电势
U
Ef
n
p
1. 浓度的差别导致载流子的扩散运动 2. 内建电场的驱动导致《半载导体流光电子子做器》反PP向T课漂件 移运动
P-N结施加反向电压
VCC
当PN结两端加上反向偏置电压时，耗尽区加宽，势垒加强。
《半导体光电子器》PPT课件
(a) 反向偏压使耗尽区加宽
少数载流子漂移
特点： - 同质结两边具有相同的带隙结构和光学性能 - pn结区的完全由载流子的扩散形成
存在的问题： • 增益区太厚(1~10 mm)，很难把载流子约束在相对小的区域，
无法形成较高的载流子密度 1. 无法对产生的光进行有效约束
n
p
《半导体光电子器》PPT课件
典型的GaAlAs双异质结
异质结：
为提高辐射功率，需 要对载流子和辐射光 产生有效约束
注入电子 －－－
电子能量 空穴势垒
电子势垒 电子-空穴复合
++
注入空穴
1. 不连续的带隙结构 2. 折射率不连续分布
内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N 区的Ef 相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾 斜，见图4.5(b)。
能量
p
Ec
P区
p
E
v
n
E
c
势垒
E
f
N区
n
E
v
(b) 零偏压时P - N结的能带倾斜图；
《半导体光电子器》PPT课件
PN结:
耗 尽区
扩散电子
-
+
-
+
-
+
pn结
内建电场
电势
U
Ef
n
p
1. 浓度的差别导致载流子的扩散运动 2. 内建电场的驱动导致《半载导体流光电子子做器》反PP向T课漂件 移运动
P-N结施加反向电压
VCC
当PN结两端加上反向偏置电压时，耗尽区加宽，势垒加强。
《半导体光电子器》PPT课件
(a) 反向偏压使耗尽区加宽
少数载流子漂移
特点： - 同质结两边具有相同的带隙结构和光学性能 - pn结区的完全由载流子的扩散形成
存在的问题： • 增益区太厚(1~10 mm)，很难把载流子约束在相对小的区域，
无法形成较高的载流子密度 1. 无法对产生的光进行有效约束
n
p
《半导体光电子器》PPT课件
典型的GaAlAs双异质结
异质结：
为提高辐射功率，需 要对载流子和辐射光 产生有效约束
注入电子 －－－
电子能量 空穴势垒
电子势垒 电子-空穴复合
++
注入空穴
1. 不连续的带隙结构 2. 折射率不连续分布
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
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p
n
+
-+
-
-+
势扩中 垒散性
区区区
一.pN异型异质结
由电子型半导体中电离施主和空穴型半 导体受主组成。
Ec x1 x2
Ev
(E g2
x2 ) (Eg1
x1 )
Eg x Eg Ec
二.突变同型异质结
❖ nN , pP
1.同型异质结由多数载流子相互扩散形成空间电荷区
2.同型异质结性质由多数载流子决定
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
-+
F
+
Ev
Ev 2
形成结后能带
三.缓变异质结
1.能带不连续性小时，尖峰、尖谷淡化
2.在外加电场作用下，缓变结与突变结有相同的性
质，Ec
、Ev
和
E
有一定的关系
g
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。
加正向偏压 v f 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 v f ) ， 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。