2015第3次课 第三章 异质结的能带图解析
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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
2015第4次课第三章异质结的能带图2解析
– heat and oxygen can be used to remove hydrocarbons
? The XPS technique could cause damage to the surface, but it is negligible.
X-Rays and the Electrons
3.2节 异质结的能带偏移
?异质结的形成 ?导带带阶和价带带阶 ?带阶的计算 ?实验确定 ?测量的尺
影响能带偏移的因素： 1.工艺：MBE 2.异质结界面的晶向
极性表面时，界面处存在偶极矩，影响能带偏移 3. IV 和III-V , II-VI 和III-V 时界面处，原子交 换反应．形成原子偶极距．
原理
采用光子作为探针的分析方法 .采用x线或紫外光使放在 超高真空中的固体样品内的电子向外飞出 .通过测量电 子的能量和强度就可以得到物质内固有的电子结合能 .
Sampling depth: 20-100 A
X射线光电子能谱是瑞典Uppsala大学 K.Siegbahn（西格巴恩）及其同事经过近20年 的潜心研究而建立的一种分析方法。 K.Siegbahn给这种谱仪取名为化学分析电子能 谱(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)，简称为“ESCA”，这一称谓仍在 分析领域内广泛使用。
level the neutral solid is in its “ground state.”
Lowest state of energy
Why Does XPS Need UHV?
? Contamination of surface
– XPS is a surface sensitive technique. ? Contaminates will produce an XPS signal and lead to incorrect analysis of the surface of composition.
? The XPS technique could cause damage to the surface, but it is negligible.
X-Rays and the Electrons
3.2节 异质结的能带偏移
?异质结的形成 ?导带带阶和价带带阶 ?带阶的计算 ?实验确定 ?测量的尺
影响能带偏移的因素： 1.工艺：MBE 2.异质结界面的晶向
极性表面时，界面处存在偶极矩，影响能带偏移 3. IV 和III-V , II-VI 和III-V 时界面处，原子交 换反应．形成原子偶极距．
原理
采用光子作为探针的分析方法 .采用x线或紫外光使放在 超高真空中的固体样品内的电子向外飞出 .通过测量电 子的能量和强度就可以得到物质内固有的电子结合能 .
Sampling depth: 20-100 A
X射线光电子能谱是瑞典Uppsala大学 K.Siegbahn（西格巴恩）及其同事经过近20年 的潜心研究而建立的一种分析方法。 K.Siegbahn给这种谱仪取名为化学分析电子能 谱(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)，简称为“ESCA”，这一称谓仍在 分析领域内广泛使用。
level the neutral solid is in its “ground state.”
Lowest state of energy
Why Does XPS Need UHV?
? Contamination of surface
– XPS is a surface sensitive technique. ? Contaminates will produce an XPS signal and lead to incorrect analysis of the surface of composition.
2015第3次课-第三章-异质结的能带图解析
电子亲和势：电子由导带底跃迁到真空能级所需 的能量，=E0-Ec
f
Ec
Ef
Ev
let f be the work function, which is the energy difference between the vacuum level and the Fermi level.
功函数f：电子由费米能级至自 由空间所需的能量，f=E0-F
p0NVexp EF kB TEV
NV22mh * hk3BT3/2
价带有效状态密度
EF1
NC 导带有效状态密度
Ev1
Eg1
EC2
DEc
EF2
Eg2
DEv
eD V [E g 1 D E c (E f1 E v 1 ) (E c 2 E f2 )/] q（ 3 .2)3
突变反型异质结的势垒电容
势垒区内电荷总量相等
Q qN A 1 ( x 0 x 1 ) qN D 2 ( x 2 x 0 )
Q qN A 1
2 1 2 N D 2 (V D V ) qN A 1 ( 1 N A 1 2 N D 2 )
2 q 1 2 N A1 N D 2 (V D V ) 1N A1 2 N D 2
3.1.4）几种异质结的能带图
(1) p-N异质结
(2) n-P异质结
(3) n-N同型异质结
(4) p-P 同型异质结
3.1.5 尖峰的位置与掺杂浓度的关系
尖峰的位置由两 侧的掺杂决定
a) A 宽带掺杂少 b) 相近 c) 窄宽带掺杂少
异质结应用举例
a可以产生热电子b能使电子发生反射的的势垒c提供一定厚度和高度的势垒d能造成一定深度和宽度的势阱能带突变的应用dec007evdev069evdecdev076ev工艺过程生长方法界面态能带弯曲异质结晶面的取向极性半导体组成半导体的两种原子具有不同的负电性例如gaas导体中ga和as对电子的束缚能力不同当组成晶体时电子更多地偏向as原子一方
f
Ec
Ef
Ev
let f be the work function, which is the energy difference between the vacuum level and the Fermi level.
功函数f：电子由费米能级至自 由空间所需的能量，f=E0-F
p0NVexp EF kB TEV
NV22mh * hk3BT3/2
价带有效状态密度
EF1
NC 导带有效状态密度
Ev1
Eg1
EC2
DEc
EF2
Eg2
DEv
eD V [E g 1 D E c (E f1 E v 1 ) (E c 2 E f2 )/] q（ 3 .2)3
突变反型异质结的势垒电容
势垒区内电荷总量相等
Q qN A 1 ( x 0 x 1 ) qN D 2 ( x 2 x 0 )
Q qN A 1
2 1 2 N D 2 (V D V ) qN A 1 ( 1 N A 1 2 N D 2 )
2 q 1 2 N A1 N D 2 (V D V ) 1N A1 2 N D 2
3.1.4）几种异质结的能带图
(1) p-N异质结
(2) n-P异质结
(3) n-N同型异质结
(4) p-P 同型异质结
3.1.5 尖峰的位置与掺杂浓度的关系
尖峰的位置由两 侧的掺杂决定
a) A 宽带掺杂少 b) 相近 c) 窄宽带掺杂少
异质结应用举例
a可以产生热电子b能使电子发生反射的的势垒c提供一定厚度和高度的势垒d能造成一定深度和宽度的势阱能带突变的应用dec007evdev069evdecdev076ev工艺过程生长方法界面态能带弯曲异质结晶面的取向极性半导体组成半导体的两种原子具有不同的负电性例如gaas导体中ga和as对电子的束缚能力不同当组成晶体时电子更多地偏向as原子一方
2015第4次课 第三章 异质结的能带图(2)解析
1制样:在GaAs衬底上生长出一层厚度约为数十埃的AlAs层. 2测量:用已知波长的x光照射样品,分别由GaAs层和AlAs层中激 发出光电子,测量光电子的能量求出Ga3d和Al2p态电子的束缚能 ; 3由公式(3.2.7)式求出DEv.
2
1
2
X光光电子发射谱方法是 一种比较准确的测量能带不连续的方 法，准确度可达到0.02电子伏，它带有基本物理测量的性质。
h3
1 C2
2( 1 N A1 2 N D 2 ) q1 2 N A1 N D 2
(VD V )
C-2
-
p n
+ 0 VD V
Ec qVD 2 (Eg1 1 )
(3.33)
3.2.3 耗尽层法测 band offset
同型异质结
Ec 1 qVD1 qVD 2 2 Ec qVD 2 1
按入射光分类:
X射线: X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), electron spectroscopy for chemical analysis (ESCA).(1-2keV) ( core level electron) 紫外光: Ultravialet photoelectron spectroscopy (UPS) (<50eV) (from valence band)
测量原理
测量装置示意图
Energy Levels
Vacumm Level Ø, which is the work function
Fermi Level
BE
At absolute 0 Kelvin the electrons fill from the lowest energy states up. When the electrons occupy up to this level the neutral solid is in its “ground state.”
第三章 异质结能带图
qVD 2 qV2 qV1 J A exp( ) exp( ) exp( ) kT kT kT
qVD1 EC
（3）第三种情况
1 2 ,1 2 , 1 Eg1 2 Eg 2
qVD1 EC
Eg2
Eg1
qVD1 此种情况伏安特性关系式为： ΔEV qVD2
伏安特性关系式为：
qVD EC qV J B exp( ) exp( ) 1 kT kT
（2）第二种情况
1 2 ,1 2 , 1 Eg1 2 Eg 2
qVD2
qVD1
ΔEC
Eg1
Eg2
伏安特性关系式为：
qV J B exp( ) 1 kT
1 2 ,1 2 , 2 1 Eg1
（1）第一种情况
第一种情况能带图的伏安特性关系式为：
EC qVD 2 qV2 qV1 J Ad exp( ) exp( ) exp( ) kT kT kT
其中，Ad
qND 2
D n1 Ln 2
（4）第四种情况
1 2 ,1 2 , 1 Eg1 2 Eg 2
qVD1 EC
Eg2 Eg1 qVD1
ΔEV
qVD2
此种情况与第三种情况能带图qVD1>ΔEc时的伏安特性关系式相同
（4）第四种情况
1 2 ,1 2 , 1 Eg1 2 Eg 2
kT 1/ 2 ) 2m p
（2）第二种情况
1 2 ,1 2 , 1 Eg1 2 Eg 2
Eg1
qVD1 ΔEV
Eg2
qVD
2
2015第4次课 第三章 异质结的能带图(2)
Three types of samples were grown on Si111 substrates for PES measurements: 1 InN/AlN heterojunctions 2 nm/100 nm in thicknesses, 2 650-nm-thick InN epilayers, 3 130-nm-thick AlN epilayers.
EcGaAs
EvGaAs
GaAs EGa 3d
Ec
EcAlAs
EF
Ev
EvAlAs
E B
AlAs E Al 2p
GaAs GaAs AlAs AlAs EV EB (EV EGa ) ( E E 3d V Al 2 P ) (3.32)
• △EB是GaAs和AlAs中的Ga3d和Al2p芯电子的束缚 能之差,可以用光电子谱测出,
+ （E cl） InN/AlN. 17.04 57.56 71.50 3.10eV
3.2.2 C-V 截距法测 band offset
对于一个突变异质p-n结，内建势可以通 过C-V测量求出，进而求出导带带阶
异型异质结
Ec qVD 2 2 ( Eg1 qVD1 1 ) q(VD 2 VD1 ) 2 ( Eg1 1 ) Ec qVD 2 ( Eg1 1 ) (3.33)
耗尽层近似方法
C
dQ qAN (W ) dW (3.40) dV dV dC ( A dW ), dW A dC dV dV C 2 dV W 2 dV
C A W
(3.41)
C qAN (W ) dW dV (3.42) (3.43)
《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
第三章-能带理论-1PPT优秀课件
i(xxm)*i(xxm)d~xm|mi1
1V121V22J1
反对称，
a
1b
2
反键态， 能量高
2
对称，成 键态，能
量低
7
(r,
p)
1
h3
二、能带的成因
Eieikxmxni*xmxnVVatid
m
ieikxmxnJxmxnieiksJxxs
m
s
8
(r,
p)
1
h3
二、能带的成因
25
(r,
p)
1
h3
三、一维电子：空格子模型
, x0,xL V(x)0, 0xL
一维无限 深势阱
本征波矢：
kl bl 2l2
N Na L
布里渊区：
k
a
,
a
,
2
a
,
a
,
a
,
2
a
,
26
(r,
p)
1
h3
本征能
El
2k2 2m
2m h2 2Ll2
E
特点： E 与 P2 / k2 成正比 不形成能带
2 0 2 k
aa
aa
27
drdp
3.2
弱周期势近似
实际晶格中，势能是周期性变化的， 若势能起伏不太大
取平均势 势的起伏用微扰论处理（周期性微扰）
28
(r,
p)
1
h3
一、模型和微扰计算
V
▪ 周期势： V(x)V(xla )
1.零级近似：
, x0,xL V(x)V, 0xL
2 m 2 d d22tV0(x)E00(x)
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There is nonsymmetry in DEC and DEv values that will tend to make the potential barriers seen by electrons and holes different. This nonsymmetry does not occur in homejunction
什么是Anderson 定则？ 异质结能带有几种突变形式？ 尖峰的位置与掺杂浓度的关系是什么？ 同质结和异质结的电势分布有何异同？ 同型异质结有哪些特点。
第三章 异质结的能带图
3.1节 （3.1.1）能带图 （3.1.2）突变反型异质结的接触电势差及势垒区宽 度 （3.1.3）突变同型异质结 （3.1.4）几种异质结的能带图 （3.1.5) 尖峰的位置与掺杂浓度的关系
能带突变的应用
a) b) c) d)
可以产生热电子 能使电子发生反射的的势垒 提供一定厚度和高度的势垒 能造成一定深度和宽度的势阱
DEc=0.07eV
DEv=0.69eV
DEc+ DEv= =0.76eV
3.1.2突变反型异质结的接触 电势差势垒区宽度
影响能带突变的因素
一 工艺过程 生长方法, 界面态 能带弯曲
电子亲和势：电子由导带底跃迁到真空能级所需 的Biblioteka 量，=E0-EcfEc
Ef Ev
let f be the work function, which is the energy difference between the vacuum level and the Fermi level.
功函数f：电子由费米能级至自 由空间所需的能量，f=E0-F
GaAsSb InGaAs
根据半导体物理理论，这种分离效 应可以有效抑制材料载流子的俄歇 复合。任何光子探测器，随着温度 的升高，最终的效率极限都将是材 料中载流子的俄歇复合。目前最好 的红外探测器材料碲镉汞的最终性 能极限就是载流子的俄歇复合，如 果禁带错位型类超晶格结构如预期 的那样能将电子、空穴物理分离， 实现对俄歇复合的有效抑制。
（3.1.1）能带图
Ec
Ec
A
B
Ev
Ev
Ec A B
Ec
Ev
Ev
什么是能带图？
能带结构 异质结界面两侧的导带极小值和价带最高值随坐标的变化。
vacuum level
Ec Ev
Let x be the electron affinity, which is the energy required to take an electron from the conduction band edge to the vacuum level,
它等于两种材料的费米能级差：
qVD qVD1 qVD 2 E f 2 E f 1 （3.4)
如何画接触后的异质结能带图 接触前
EC EF2
接触后
EC EF2
Eg1
EF1
Eg2
Eg1
EF1
Eg2
1. Align the Fermi level with the two semiconductor bands separated. Leave space for the transition region.
典型的能带突变形式
EC1 EC1 Ev1 EC2 EC1 Ev1 EC2 EC2
Ev1
Ev2
Ev2
Ev2
(a)Straddling
跨立型
(b) Staggered 错开型
(c) Broken gap 破隙型 GaSb
AlGaAs
GaAs
GaAsSb InGaAs
InAs
AlGaAs
GaAs
电子和空穴在空间分离
二 异质结晶面的取向
极性半导体,组成半导体的两种原子具有不同的负电性 例如,GAAs, 半 导体中Ga和As对电子的束缚能力不同,当组成晶体时,电子更多地 偏向As原子一方. (110) : 电中性 (111) 极性- 偶极距 三 组成异质结的半导体特性 偶极距 应变
Anderson's rule
• states that when constructing an energy band diagram, the vacuum levels of the two semiconductors on either side of the heterojunction should be aligned
不考虑界面态时的能带结构
(一）能带图
1
2
A 突变反型
f1
x1 DE c Eg1
x2
f2
EC EF
由电子亲和能、禁 带宽度、导电类型、 掺杂浓度决定
Eg2 DE v
EF Ev
未组成异质结前的能带图
1异质结的带隙差等于导带差同价带差之 和。 2导带差是两种材料的电子亲和势之差。 3而价带差等于带隙差减去导带差。
电子从一种半导体大量流入到另一种 半导体，使一种半导体存在大量电子 ，而另一种存在大量空穴。使它们具 有导电能力，具有半金属性质。
GaSb
InAs
利用分子束外延生长高质量GaAs基GaSb体材料和 InAs/GaSb超晶格材料技术，为下一步制造价格便宜、 性能可靠的N-GaAs/P-GaSb热光伏电池、新一代焦平面 多色红外探测器件等提供了重要的技术基础。
内建电场=》空间电荷区中各点有附加电势能，使 空间电荷区的能带发生弯曲。
Eg1
EF1 EC EF2
Eg2
eVD
Eg1 Eg2
EC
1 能带发生了弯曲：n型半导体 的导带和价带的弯曲量为qVD2, 界面处形成尖峰. p型半导体的导带和价带的弯曲 量为qVD1, 界面处形成凹口(能谷 ）。 2 能带在界面处不连续，有突变 。 Ec , Ev
x1
x2
EC2
Ec1
DEc
Eg1
DEC 1 2 (3.1)
Ev1
DEv
DEv ( Eg 2 Eg1 ) ( 1 2 ) (3.2) DEv DEc ( Eg 2 Eg1 ) (3.3)
Ev2
p
n
P-GaAs
n-GaAs
当两种单晶材料组成在一起构成异质结后，它们处于平衡 态，费米能级应当相同。 为了维持各自原有的功函数 f和电子亲和势不变，就会形 成空间电荷区，在结的两旁出现静电势，相应的势垒高 度为eVD，e为电子电荷，VD为接触电势。