第九章 异质结.

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第09章_异质结

第09章_异质结

No.29
积分一次后有:
dV1 ( x) qN A1 x C1 ( x1 x x0 ) dx 1 dV2 ( x) qN x D 2 C2 dx 2 ( x0 x x2 )
C1、C2是积分常数,由边界条件决定 边界条件:
dV1 E1 ( x1 ) dx dV2 E 2 ( x2 ) dx
概念回顾: 半导体表面和MIS结构 表面态 理想表面 表面电场效应 理想MIS结构 空间电荷层及表面势 表面空间电荷层的电场、电势和电容 MIS结构的电容—电压特性 理想MIS结构的电容—电压特性 硅-二氧化硅系统的性质 表面电导及迁移率 表面电场对p-n结特性的影响
No.1
第九章 异质结 ( Heterojunction)
1
2 1 2 N A1VD d 2 ( x2 x0 ) [ ]2 qN D 2 ( 1 N A1 2 N D 2 )
1
qN A1 ( x0 x1 ) 2 2 N D 2VD VD1 2 1 1 N A1 2 N D 2 VD 2 qN D 2 ( x2 x0 ) 2 1 N A1VD 2 2 1 N A1 2 N D 2
0
x x1
0
x x2
在交界面处的电场并不连续,但电位移连续:
1 E1 ( x0 ) 2 E2 ( x0 )
No.30
C1
qN A1 x1
1
, C2
qN D 2 x2
2
dV1 ( x) qN A1 ( x x1 ) 1 dx dV2 ( x) qN D 2 ( x2 x) dx 2
qN A1 ( x x1 ) 2 V1 ( x) 2 1 qN D 2 ( x2 x) V2 ( x) VD 2 2

哈工大半导体物理课件第9章(精)

哈工大半导体物理课件第9章(精)
突变型异质结:转变区或过渡区小于等 于数个原子间距的异质结
缓变型异质结:转变区大于数个扩散长 度的异质结
2 异质结的能带图
突变异质结的研究比较成熟 异质结的能带图比同质结复杂(禁带宽
度,电子亲合能,功函数,介电常数和 晶格常数差异) 由于晶体结构和晶格常数不同,在异质 结结面上形成的界面态增加了复杂性
第9章 异质结 1 异质结的基本概念
异质结是由两种不同晶体材料形成的半导 体结
同型异质结:同种导电类型材料构成的异 质结(n-nGe-Si,p-pGe-GaAs) 反型异质结:相反导电类型材料构成的异 质结(p-nGe-GaAs)
异质结的形成条件:要有相近的晶体结构 和晶格常数。
突变型异质结和缓变型异质结

的p型半导体和n型半导体中的内建电势差。
2 异质结的形成过程与同质结相似,与同 质结不同之处
(1)自建电场在界面处发生不连续 (2)能带在界面处不连续,能带在界面处的突变
形成“尖峰”和“凹口” 导带底突变
Ec 1 2
价带顶突变 Ev Eg 2 Eg1 (1 2 )
Ec Ev Eg 2 Eg1
对于晶格常数分别为a1,a2(a1<a2)两种材料 形成的异质结,两种材料界面上的键密度分别 为Ns1,Ns2,显然Ns1>Ns2,形成异质结后,晶 格常数小的材料表面出现部分未饱和键,形成 的界面态密度
Ns Ns1 Ns2
对于两种相同晶体结构材料形成的异质结,界 面态密度△Ns取决于晶格常数和晶面。
2 界面态的影响
界面态可以分为施主型界面态和受主型界面 态。施主型界面态施放电子后带上正电荷,使半 导体表面能带向下弯曲;受主型界面态施放空穴 之后带上负电荷,使半导体表面能带向上弯曲。 界面态对异质结能带的影响取决于界面态起什么 作用和起多大作用。

第九章半导体异质结课件

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

第九章 半导体异质结

第九章 半导体异质结

Ec1
Ev2
Eg1
Ev1
I型
Ec2 Eg2
Ev2 Ec1
I’型
Eg1
Ev1
Ec2 Eg2
Ev2 II 型
一、异质结的分类
3. 按从一种材料向另一种材料过渡的变化程度来分:
(1)突变型异质结: 从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡只发生在几个原
子距离范围内。 (2)缓变型异质结: 从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡发生于几个扩散
即 qVD qVD1 qVD2 EF 2 EF1 显然 VD VD1 VD2
由于两种材料的禁带宽度不同,能带弯曲不连续,出现了“尖峰”和 “凹口”。尖峰阻止了电子向宽带一侧的运动,这就是所谓的“载流子的限制 作用”。
一、不考虑界面态
W1
Ec1 EF Ev1
x1
凹口
Eg1
qVD1
尖峰
qVD
因为: Q2 Q1 QIS
当界面电荷QIS是受主电荷时,即与Q1相同,此时与无界面态电荷QIS时相 比较,显然Q1减小了,而Q2则增大了。
若QIS很小,得到:
Q1
1N AQIS 1NA 2ND
B1
VD
Va
1/ 2
Q2
2 NDQIS 1NA 2ND
B1
VD
Va
1/ 2
式中第一项为由界面态影响在空间电荷区产生的电荷量,第二项为不考虑界 面态时的空间电荷区电荷量。
一、不考虑界面态
形成异质结时,由于n型半导体(B材料)的费米能级高于P型半导体(A材 料),因此电子从n型半导体流向P型半导体,直到两块半导体具有统一的费米 能级。
由于电子与空穴的流动,在n型和P型半导体的交界面附近形成空了间电荷 区,产生自建电场,使电子在空间电荷区中各点的电势分布不同,即有附加电 势能存在,使空间电荷区中的能带发生弯曲。

第九章 异质结

第九章  异质结
第九章 异质结
由两种或两种以上不同半导体材料 接触形成的pn结。
1、分类 (1)导电类型
①反型异质结 p-n Ge-GaAs或 (p)Ge-(n)GaAs ②同型异质结 n-n Ge-GaAs或 (n)Ge-(n)GaAs ③双异质结
(n)Ga1-xAlxAs-(p)GaAs -(n) Ga1-xAlxAs (2)过渡区 ①突变结:过渡区小于1μm

分类: (1)成分超晶格 周期性改变薄层的成分而形成的超晶格。 (2)掺杂超晶格 周期性改变同一成分的各薄层中的掺杂类型 而形成的超晶格。(NIPI晶体)
b
b
c
c
z

子能带

l
χA WA
EFB
Δ Ev
E vB
3、异质结的应用 (1)提高少子的注射效率 npn晶体管

电子注射效率
jn jn j jn j p
n型宽禁带半导体和p型窄禁带半导体构成的异质结 正向偏压 主要是注入p型半导体中的电子电流 注入n型半导体中的空穴电流可忽略
p型宽禁带半导体和n型窄禁带半导体构成的异质结
②缓变结:过渡区大于1μm
(3)能带结构的不同
半金属
AlxGa1-xAs GaAs GaAs1-xSbx InxGa1-xAs GaSb
跨立型
错开型 电子空穴 分离
InAs
破隙型

2、异质结能带图 E0
χB WB E c
B
χA
EcA EFA E vA qVDA
qVD ΔEc qVDB χB
EcA EFA E vA
提高空穴注射效率
(2)调制掺杂技术提高载流子的迁移率 n
场效应管频率特性

第九章 异质结

第九章  异质结

χA WA
EFB
Δ Ev
E vB
3、异质结的应用 (1)提高少子的注射效率 npn晶体管

电子注射效率
jn jn j jn j p
n型宽禁带半导体和p型窄禁带半导体构成的异质结 正向偏压 主要是注入p型半导体中的电子电流 注入n型半导体中的空穴电流可忽略
p型宽禁带半导体和n型窄禁带半导体构成的异质结
②缓变结:过渡区大于1μm
(3)能带结构的不同
半金属
AlxGa1-xAs GaAs GaAs1-xSbx InxGa1-xAs GaSb
跨立型
错开型 电子空穴 分离
InAs
破隙型

2、异质结能带图 E0
χB WB E c
B
χA
EcA EFA E vA qVDA
qVD ΔEc qVDB χB
EcA EFA E vA
第九章 异质结
由两种或两种以上不同半导体材料 接触形成的pn结。
1、分类 (1)导电类型
①反型异质结 p-n Ge-GaAs或 (p)Ge-(n)GaAs ②同型异质结 n-n Ge-GaAs或 (n)Ge-(n)GaAs ③双异质结
(n)Ga1-xAlxAs-(p)GaAs -(n) Ga1-xAlxAs (2)过渡区 ①突变结:过渡区小于1μm
提高空穴注射效率
(2)调制掺杂技术提高载流子的迁移率 n
场效应管频率特性
+ห้องสมุดไป่ตู้
调制掺杂

(3)窗口效应
Eg2 hv Eg1 Eg1<hv<Eg2
光电池
(4)异质结激光器 粒子数占据反转: 导带中存在有大量电子, 价带中存在有大量空穴。

第九章半导体异质结结构

第九章半导体异质结结构
School of Electronic Engineering & Optoelectronic Techniques
2.考虑界面态时的能带图 通常制造突变异质结时,是把一种半导体材料在和它具有 相同的或不同的晶格结构的另一种半导体材料上成长而成 。生长层的晶格结构及晶格完整程度都与这两种半导体材 料的晶格匹配情况有关。表9-2列出若干半导体异质结的 晶格失配的百分数
School of Electronic Engineering & Optoelectronic Techniques
当悬挂键起受主作用时,则pn、np、pp异质结的能带图 如图9-9中的(d)(e)(f)图所示。 以上讨论可知,当两种半导体的晶格常数极为接近时,晶 格间匹配较好,一般可以不 考虑界面态的影响。但是在 实际中,即使两种半导体材 料的晶格常数在室温时相同 ,但考虑它们的热膨胀系数 不同,在高温下,也将发生晶格适配从而产生悬挂键,在
对式(9-21)、式(9-22)积分得
V1(x)
qN A1 x 2
21
qN A1 x1 x
1
D1
V2 (x)
qND2 x2
2 2
qND2 x2 x
2
D2
在热平衡条件下,异质结的接触电势差VD为
VD V2 (x2 ) V1(x1)
而VD在交界面p型半导体一侧的电势差为
VD1 V1(x0 ) V1(x1)
0
(9-20)
C1
qN A1x1
1
, C2
qND2 x2
2
因此,式(9-17)、式(9-18)为
dV1(x) qN A1(x x1)
(9-21)
dx
1
dV2 (x) qND2 (x2 x)

第九章半导体异质结结构

第九章半导体异质结结构
第九章半导体异质结 结构
汇报人:XX
目录
• 异质结基本概念与特性 • 异质结制备技术与方法 • 异质结器件物理基础 • 异质结在光电器件中应用 • 异质结在微纳电子器件中应用 • 异质结性能优化与未来发展趋势
01
异质结基本概念与特性
异质结定义及分类
定义
由两种或两种以上不同半导体材料组 成的结,称为异质结。
异质结界面态与缺陷
界面态
异质结界面处存在悬挂键、界面电荷等界面态,对异质结的电学性能和稳定性 产生重要影响。
缺陷
异质结在制备过程中可能引入位错、层错等缺陷,影响异质结的晶体质量和电 学性能。
典型异质结材料及性质
Si-Ge异质结
具有高迁移率、低噪声等优点,广泛应用于高速 、高频电子器件。
GaAs-AlGaAs异质结
异质结发光二极管原理
通过异质结的能带结构和载流子限制作用,实现电子 和空穴的复合发光。
常见异质结发光二极管结构
如GaN基异质结发光二极管、量子点/有机物异质结发 光二极管等,具有高亮度、高色纯度等优点。
光电探测器中的异质结结构
异质结光电探测器原理
利用异质结的能带结构和内建电场,实现光 信号到电信号的转换。
和选择性。
MEMS器件
03
将异质结结构与MEMS技术相结合,实现微型化、集成化的生
物传感器件。
其他微纳电子器件中的异质结应用
光电探测器
利用异质结的能带结构和光电效应,实现高性能的光电转换。
太阳能电池
通过设计异质结的能级匹配和光吸收特性,提高太阳能电池的转 换效率。
热电转换器件
利用异质结的热电效应,实现热能和电能之间的转换。
04
异质结在光电器件中应用
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分类: (1)成分超晶格 周期性改变薄层的成分而形成的超晶格。 (2)掺杂超晶格 周期性改变同一成分的各薄层中的掺杂类型 而形成的超晶格。(NIPI晶体)
b
b
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子能带

l
②缓变结:过渡区大于1μm
(3)能带结构的不同
半金属
AlxGa1-xAs GaAs GaAs1-xSbx InxGa1-xAs GaSb
跨立型
错开型 电子空穴 分离
InAs
破隙型

2、异质结能带图 E0
χB WB E c
B
χA
EcA EFA EvA qVDA
qVD ΔEc qVDB χB
EcA EFA E vA
提高空穴注射效率
(2)调制掺杂技术提高载流子的迁移率 n
场效应管频率特性
+
调制掺杂
Hale Waihona Puke (3)窗口效应Eg2 hv Eg1 Eg1<hv<Eg2
光电池
(4)异质结激光器 粒子数占据反转: 导带中存在有大量电子, 价带中存在有大量空穴。

4、考虑界面态时的能带图
a1 a2
p233
5、半导体超晶格 由交替生长两种半导体材料薄层组成的一 维周期性结构,其薄层厚度的周期小于电 子的平均自由程的人造材料。 制备方法: 分子束外延(MBE)-单原子的生长 金属有机化合物汽相淀积(MOVCD)
第九章 异质结
由两种或两种以上不同半导体材料 接触形成的pn结。
1、分类 (1)导电类型
①反型异质结 p-n Ge-GaAs或 (p)Ge-(n)GaAs ②同型异质结 n-n Ge-GaAs或 (n)Ge-(n)GaAs ③双异质结
(n)Ga1-xAlxAs-(p)GaAs -(n) Ga1-xAlxAs (2)过渡区 ①突变结:过渡区小于1μm
χA WA
EFB
ΔEv
E vB
3、异质结的应用 (1)提高少子的注射效率 npn晶体管

电子注射效率
jn jn j jn j p
n型宽禁带半导体和p型窄禁带半导体构成的异质结 正向偏压 主要是注入p型半导体中的电子电流 注入n型半导体中的空穴电流可忽略
p型宽禁带半导体和n型窄禁带半导体构成的异质结
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