半导体异质结 ppt课件
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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
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s
( xn
x)dx
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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
“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” 。
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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:
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
《半导体光电子学课件》下集2.1 异质结及其能带图
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 内建电场
Ec1
F
Ev1
x1
VD VDP VDN
E g1 E g 2
1
VDP
Ec
VDN
Ec 2
Ev
x1 x2
1 2
x1 E g1 x2 E g 2
Ev 2
xp
xn
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。
Ev ( Eg 2 x2 ) ( Eg1 x1 )
E g x E g E c
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 3.同型异质结材料费米能级有差别 → 扩散 4. Eg: X: 不同， 能带不同 Φ: F:
x1 x2
x1
Ec1
Ev1
E g1
1
Ec
-
+
1 2
x1 E g1 x2 E g 2
1
Ev
2
+ +
Ec 2
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， Ev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区电子进入p区成为p区非平衡少数载流子
半导体物理异质结解析PPT课件
第13页/共30页
界面量子阱中二维电子气的势阱和状态密度
第14页/共30页
电子的能量：
二维电子气的状态密度
k空间原胞的面积：
k空间k-k+dk圆环的面积： E-k关系： 状态密度：
第15页/共30页
低维半导体材料及其状态密度
Bulk
QW
QD
3D
2D
0D
DD((EE))
DD((EE))
D(E)
E
• qVD = qVD1 + qVD2 = EF2 - EF1 = W1 - W2
半导体物理学
第7章 金第属4页和/半共导30体页的接触
SCNU 光电学院
4
突变反型异质结的能带特征
• n型半导体的能带弯曲量为qV2，且导带底在交界面处形成一个向
上的“尖峰”。
• p型半导体的能带弯曲量为qV1，且导带底在交界面处形成一个向
第2页/共30页
pn结的能带图
qVD E Fn EFp
第3页/共30页
突变反型异质结的能带图
• 形成异质结时电子从n型半导体流向p型半导体，空穴的流动方向相反。
• 达到平衡时，两块半导体具有统一的费米能级。
• 在异质结界面的两边形成空间电荷区，产生内建电场和附加电势能，使 空间电荷区中的能带发生弯曲。
EE
EE
Modification of density of states by confining carriers
第16页/共30页
双异质结间的单量子阱结构
第17页/共30页
双异质结间的单量子阱结构
势阱形状： 波函数分离变量： 波函数分离变量： 薛定谔方程：
第18页/共30页
界面量子阱中二维电子气的势阱和状态密度
第14页/共30页
电子的能量：
二维电子气的状态密度
k空间原胞的面积：
k空间k-k+dk圆环的面积： E-k关系： 状态密度：
第15页/共30页
低维半导体材料及其状态密度
Bulk
QW
QD
3D
2D
0D
DD((EE))
DD((EE))
D(E)
E
• qVD = qVD1 + qVD2 = EF2 - EF1 = W1 - W2
半导体物理学
第7章 金第属4页和/半共导30体页的接触
SCNU 光电学院
4
突变反型异质结的能带特征
• n型半导体的能带弯曲量为qV2，且导带底在交界面处形成一个向
上的“尖峰”。
• p型半导体的能带弯曲量为qV1，且导带底在交界面处形成一个向
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pn结的能带图
qVD E Fn EFp
第3页/共30页
突变反型异质结的能带图
• 形成异质结时电子从n型半导体流向p型半导体，空穴的流动方向相反。
• 达到平衡时，两块半导体具有统一的费米能级。
• 在异质结界面的两边形成空间电荷区，产生内建电场和附加电势能，使 空间电荷区中的能带发生弯曲。
EE
EE
Modification of density of states by confining carriers
第16页/共30页
双异质结间的单量子阱结构
第17页/共30页
双异质结间的单量子阱结构
势阱形状： 波函数分离变量： 波函数分离变量： 薛定谔方程：
第18页/共30页
第3章 金属半导体与异质结PPT课件
eN d
( 1 )2 2(Vbi VR)
C
e x Nd
3
Figure 9.2
反偏与正偏电压下的肖特基势垒的能带图
4
3. 影响肖特基势雷高度的非理想因素 (1) 肖特基效应– 势垒的镜像力降低效应
5
势垒的镜像力导致 肖特基势垒的降低
xm
e 16 s E
eE 4 s
6
(2)其他相关因素的影响：表面态的影响
第三章 金属半导体与半导体异质结
1
3.1 肖特基势垒二极管 1. 性质上的特征
金属元素的功函数和半导体的亲和能
元素 Ag, 银 Al，铝 Au，金 Cr，铬 Mo，钼 Ni，镍 Pd，钯 Pt，铂 Ti，钛 W，钨
功函数，
4.26 4.28 5.1 4.5 4.6 5.15 5.12 5.65 4.33 4.55
Thank You
在别人的演说中思考，在自己的故事里成长
Thinking In Other People‘S Speeches，Growing Up In Your Own Story 讲师：XXXXXX XX年XX月XX日
22
7
4. 电流-电压关系
J s m
e
E
' c
v
x
dn
dn
4
(2
m
* n
)3/2
h3
E E c exp[
( E E F ) ]dE kT
J J s m J m s
[ A *T 2 exp( e n )][exp( eV a ) 1 ]
kT
kT
J sT [exp(
eV a ) 1 ] kT
高掺杂浓度的半导体 依赖于掺杂浓度，隧穿为主
( 1 )2 2(Vbi VR)
C
e x Nd
3
Figure 9.2
反偏与正偏电压下的肖特基势垒的能带图
4
3. 影响肖特基势雷高度的非理想因素 (1) 肖特基效应– 势垒的镜像力降低效应
5
势垒的镜像力导致 肖特基势垒的降低
xm
e 16 s E
eE 4 s
6
(2)其他相关因素的影响：表面态的影响
第三章 金属半导体与半导体异质结
1
3.1 肖特基势垒二极管 1. 性质上的特征
金属元素的功函数和半导体的亲和能
元素 Ag, 银 Al，铝 Au，金 Cr，铬 Mo，钼 Ni，镍 Pd，钯 Pt，铂 Ti，钛 W，钨
功函数，
4.26 4.28 5.1 4.5 4.6 5.15 5.12 5.65 4.33 4.55
Thank You
在别人的演说中思考，在自己的故事里成长
Thinking In Other People‘S Speeches，Growing Up In Your Own Story 讲师：XXXXXX XX年XX月XX日
22
7
4. 电流-电压关系
J s m
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E
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dn
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4
(2
m
* n
)3/2
h3
E E c exp[
( E E F ) ]dE kT
J J s m J m s
[ A *T 2 exp( e n )][exp( eV a ) 1 ]
kT
kT
J sT [exp(
eV a ) 1 ] kT
高掺杂浓度的半导体 依赖于掺杂浓度，隧穿为主
半导体异质结构讲解课件
p10：p区多子浓度
n20：n区多子浓度
若n20和p10在同一数量级，则
EC J n exp kT
,
EV J p exp kT
对窄禁带p型和宽禁带n型的异质结
EC, EV>0, 且>>kT
Jn >> Jp
高势垒尖峰情形异质pn结 正向偏压时 由n区注入p区的电子电流密度
2Eg/3 Eg/ 3
EF
2Eg/3 Eg/ 3
N型
P型
表面能级密度大的半导体能带图
巴丁极限：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约1/3处。 N型半导体，悬挂键起受主作用， 表面处的能带向上弯曲 p型半导体，悬挂键起施主作用， 表面处的能带向下弯曲
2 N D 2VD VD1 1 N A1 2 N D 2
VD 2
1 N A1VD 1 N A1 2 N D 2
VD1 2 N D 2 VD 2 1 N A1
若在异质结上加外电压V, 将上述公式中的 VD, VD1, VD2 分别用(VD-V), (VD1-V1) 及 (VD2-V2) 代替即可。
1/ 2
若m1*=m2*, 则总电子电流密度
kT J J 2 J1 qn20 * 2m
1/ 2
qVD 2 qV2 qV1 exp exp exp kT kT kT
V V1 V2
X D d1 d 2
d1: 势垒区负空间电荷区的宽度 d2: 势垒区正空间电荷区的宽度
异质结的接触电势差为
VD VD1 VD 2
n20：n区多子浓度
若n20和p10在同一数量级，则
EC J n exp kT
,
EV J p exp kT
对窄禁带p型和宽禁带n型的异质结
EC, EV>0, 且>>kT
Jn >> Jp
高势垒尖峰情形异质pn结 正向偏压时 由n区注入p区的电子电流密度
2Eg/3 Eg/ 3
EF
2Eg/3 Eg/ 3
N型
P型
表面能级密度大的半导体能带图
巴丁极限：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约1/3处。 N型半导体，悬挂键起受主作用， 表面处的能带向上弯曲 p型半导体，悬挂键起施主作用， 表面处的能带向下弯曲
2 N D 2VD VD1 1 N A1 2 N D 2
VD 2
1 N A1VD 1 N A1 2 N D 2
VD1 2 N D 2 VD 2 1 N A1
若在异质结上加外电压V, 将上述公式中的 VD, VD1, VD2 分别用(VD-V), (VD1-V1) 及 (VD2-V2) 代替即可。
1/ 2
若m1*=m2*, 则总电子电流密度
kT J J 2 J1 qn20 * 2m
1/ 2
qVD 2 qV2 qV1 exp exp exp kT kT kT
V V1 V2
X D d1 d 2
d1: 势垒区负空间电荷区的宽度 d2: 势垒区正空间电荷区的宽度
异质结的接触电势差为
VD VD1 VD 2
《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
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• 空穴的电流密度
Jp
qDp2p20 Lp2
expqkV T1
Lp2为空穴扩散长度，Dp2为空穴扩散系数
总电流
JJnJpq D L n 1 n n 1 1 0D L p2 p p 22 0 ex p q kT V 1
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 Jp
qDn1Lp1n10 qDp2Ln1p20
D Dnp12L Lpn2 1nn2 1 22iinp2100
同质结注入比
J n Dn Lp N D J p Dp 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
Jp exp[(qV DE v)]
而由右向左的电子注入只需克服势垒
Jn exp[q(V DV D 1)]
JJn pexp(EvqVD1)expEv
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 J Jn pe ex xp p[[ ((q qV VD D E Ec v))]]expEg
半导体异质结
• 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
V DV D 1V D 2W 1W 2
VD2 N A p VD1 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。
(x0x1)
JexpE kT inexpqkV T1
Ein代表界面态的能级深度，V是外加电压
半导体异质结
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
半导体异质结
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。
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 (x ,y ,z) (x ,y )(z)
（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
半导体异质结
（a）p-n异质 （b）n-p异质结 （c）p-p异质结 （d）n-n异质结
半导体异质结
半导体异质结
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
半导体异质结
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
n1Nc1exp(Ec1kT EFn)
n2Nc2exp(Eck2TEFn
Nc1~Nc2
n1 n2
exp
Ec2 Ec1 kT
由于Ec1<Ec2，故n1>n2 实现激光器所要求的粒子数反转条件
• 势阱中的电子要往右边输运，需要克服高度为Ec–qVD1的 势垒
• 右边n型区导带中的电子要往左边输运，需要克服的势垒 高度为qVD2
• 但左边的空穴要通过异质结所需越过的势垒却很高，为 qVD1+qVD2–Ev
• 这种异质结几乎不存在整流特性
半导体异质结
如果考虑界面态，载流子将通过界面态发生复合，复合电流为
NssL 1SL a1 S 2L aS 2 2(a2a a 11 2 )a (a 2 22a1)
半导体异质结
Ec 12
E v (E g 1 E g2) (12)
（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
半导体异质结
• 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）
半导体异质结
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
半导体异质结
一些Ⅲ-Ⅴ族化合物及几种Ⅱ-Ⅵ族化合物的禁带宽度和晶格常数
半导体异质结
晶格匹配越好，界面态密度越低 晶格失配 定义
2(a2 a2) a
a2 a1
a
a1和a2分别是两种材料的晶格常数 （a2>a1），a为平均值
三元合金的禁带宽度和晶格常数 用三元或四元化合物半导体来制作出晶格匹配非常完美的异质结。
半导体异质结
晶格失配形成位错缺陷 单位面积的悬挂键数目为
212ND2VD qNA1(1NA12ND2)
(x2x0)
212NA1VD qND1(1NA12ND2)
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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
半导体异质结
耗尽层宽度随着结电压的变化而变化，微分电容C=dQ/dV，
1
CddV Q a 2(1NA q1 122N NAD 1N 2)D (V 2DV)2
电子电流密度
Jn
qDn1n10 Ln1
expqkV T1
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 p20p10exp(qVkDTEv
加正向电压时 p 2 (x 2 ) p 1 0 e x p (q V D k T V E v p 2 0 e x p q k V T
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
n10n20exp(qVD kT Ec)
加正向偏压时, p型半导体势垒区边界处的少子浓度
n 1 ( x 1 ) n 2 0 e x p (q V D k q T V E c ) n 1 0 e x p q k T V