异质结和MIS结构
8.异质结
异质结
1.突变反型异质结能带图（不考虑界面态）
导带底突变：ΔEc = χ1 − χ 2 价带顶突变：ΔE v = ( E g 2 − E g1 )－（χ1－χ 2） ΔEc + ΔEv = E g 2 − E g1
异质结 EF不一致 载流子相对运动 介电常数不同 形成空间电荷区 内建电场在交 界面处不连续 D1 D2 能带弯曲， 不连续
模 型
发射－复合模型：热发射的电子和空穴通过界面态进行复合 隧道模型：隧道效应 隧道－复合模型：考虑了复合作用
2.突变同型异质结的电流输运结构
① 表面能级密度在1013cm-2以下，有扩散模型、发射模型、隧道模型， 其结果与反型异质结类似。 ② 表面能级密度在1013cm-2以上，提出双肖特基二极管模型。
8
异质结
本章内容提要 异质结及其能带图 异质结的电流输运机构 异质结在器件中的应用 半导体超晶格
8.1 异质结及其能带图
同质结：由导电类型相反的同一种半导体单晶材料组成的结。 （如第5章讨论的p-n结）
异质结：由两种不同的半导体单晶材料组成的结。 反型异质结： 导电类型相反的两种不同的半导体 单晶材料所形成（如n-pGe-GaAs） 同型异质结： 导电类型相同的两种不同的半导体 单晶材料所形成（如n-nGe-Si）
qVD = qV + qV
2.突变同型异质结能带图（不考虑界面态） 不考虑两种半导体交界面处的界面态的情况下，任何 异质结的能带图都取决于形成异质结的两种半导体的 电子亲和能、禁带宽度以及功函数。
n-n
电子流动
电子耗尽层：禁带宽度大的一边
（与反型异质结不同）
费米能级不一致
电子积累层：禁带宽度小的一边
2.双异质结激光器
异质结
异质结百科名片异质结，两种不同的半导体相接触所形成的界面区域。
按照两种材料的导电类型不同，异质结可分为同型异质结（P-p结或N-n结）和异型异质(P-n 或p-N)结，多层异质结称为异质结构。
通常形成异质结的条件是：两种半导体有相似的晶体结构、相近的原子间距和热膨胀系数。
利用界面合金、外延生长、真空淀积等技术，都可以制造异质结。
异质结常具有两种半导体各自的PN结都不能达到的优良的光电特性，使它适宜于制作超高速开关器件、太阳能电池以及半导体激光器等。
目录[隐藏][编辑本段]基本特性所谓半导体异质结构，就是将不同材料的半导体薄膜，依先后异质结次序沉积在同一基座上。
例如图2所描述的就是利用半导体异质结构所作成的雷射之基本架构。
半导体异质结构的基本特性有以下几个方面。
(1) 量子效应：因中间层的能阶较低，电子很容易掉落下来被局限在中间层，而中间层可以只有几十埃（1埃＝10-10米）的厚度，因此在如此小的空间内，电子的特性会受到量子效应的影响而改变。
例如：能阶量子化、基态能量增加、能态密度改变等，其中能态密度与能阶位置，是决定电子特性很重要的因素。
(2) 迁移率(Mobility)变大：半导体的自由电子主要是由于外加杂质的贡献，因此在一般的半导体材料中，自由电子会受到杂质的碰撞而减低其行动能力。
然而在异质结构中，可将杂质加在两边的夹层中，该杂质所贡献的电子会掉到中间层，因其有较低的能量（如图3所示）。
因此在空间上，电子与杂质是分开的，所以电子的行动就不会因杂质的碰撞而受到限制，因此其迁移率就可以大大增加，这是高速组件的基本要素。
(3)奇异的二度空间特性：因为电子被局限在中间层内，其沿夹层的方向是不能自由运动的，因此该电子只剩下二个自由度的空间，半导体异质结构因而提供了一个非常好的物理系统可用于研究低维度的物理特性。
低维度的电子特性相当不同于三维者，如电子束缚能的增加、电子与电洞复合率变大，量子霍尔效应，分数霍尔效应[1]等。
半导体物理名词解释总结
半导体物理名词解释1.有效质量：a 它概括了半导体内部势场的作用，使得在解决导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及半导体内部势场的作用 b 可以由实验测定，因而可以很方便的解决电子的运动规律2.空穴：定义价带中空着的状态看成是带正电荷的粒子，称为空穴意义a 把价带中大量电子对电流的贡献仅用少量的空穴表达出来b金属中仅有电子一种载流子，而半导体中有电子和空穴两种载流子，正是这两种载流子的相互作用，使得半导体表现出许多奇异的特性，可用来制造形形色色的器件3.理想半导体（理想与非理想的区别）：a 原子并不是静止在具有严格周期性的晶格的格点位置上，而是在其平衡位置附近振动b 半导体材料并不是纯净的，而是含有各种杂质即在晶格格点位置上存在着与组成半导体材料的元素不同其他化学元素的原子 c 实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而存在着各种形式的缺陷4.杂质补偿：在半导体中，施主和受主杂质之间有相互抵消的作用通常称为杂质的补偿作用5.深能级杂质：非Ⅲ、Ⅴ族杂质在硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带较远，他们产生的受主能级距离价带也较远，通常称这种能级为深能级，相应的杂质为深能级杂质6.简并半导体：当E-E F》k o T不满足时，即f（E）《1，[1-f（E）]《1的条件不成立时，就必须考虑泡利不相容原理的作用，这时不能再应用玻耳兹曼分布函数，而必须用费米分布函数来分析导带中的电子及价带中的空穴的统计分布问题。
这种情况称为载流子的简并化，发生载流子简并化的半导体被称为简并半导体（当杂质浓度超过一定数量后，载流子开始简并化的现象称为重掺杂，这种半导体即称为简并半导体7.热载流子：在强电场情况下，载流子从电场中获得的能量很多，载流子的平均能量比热平衡状态时的大，因而载流子与晶格系统不再处于热平衡状态。
温度是平均动能的量度，既然载流子的能量大于晶格系统的能量，人们便引入载流子的有效温度T e来描写这种与晶格系统不处于热平衡状态时的载流子，并称这种状态载流子为热载流子8.砷化镓负阻效应：当电场达到一定値时，能谷1中的电子可从电场中获得足够的能量而开始转移到能谷2，发生能谷间的散射，电子的动量有较大的改变，伴随吸收或发射一个声子。
半导体物理异质结和纳米结构
半导体物理异质结和纳米结构半导体物理中的异质结指的是由两种或多种不同的半导体材料组成的界面或界面区域，纳米结构则是指尺寸在纳米级别的结构。
异质结和纳米结构在半导体物理中具有重要的应用和研究价值，以下将详细介绍它们的性质和应用。
异质结的形成通常是通过杂化或外延生长的方法，在不同晶格常数或晶格结构的材料之间形成界面。
这种结构的形成使得电子的输运和能带的结构发生了变化，从而引起了一系列的电学和光学特性的变化。
例如，P-N结就是最常见的异质结之一，由具有不同掺杂类型的半导体材料构成。
P区和N区之间存在一个空间电荷区域，被称为空间电荷区（depletion region），这个区域内的电荷有电场的形成，并且产生一个禁带屏蔽的效应，从而形成一个具有整流特性的结。
异质结由于其独特的特性在半导体器件中得到了广泛的应用，如二极管、晶体管、太阳能电池等。
以二极管为例，当向二极管施加正向偏压时，P区的载流子和N区的载流子会在空间电荷区中重新组合，从而允许电流流过。
而当施加反向偏压时，由于形成的电场堆积，空间电荷区将变得更宽，从而几乎阻止了电流的流动，实现了整流的功能。
纳米结构是指尺寸在纳米级别的结构，相比传统的半导体材料，纳米级别的尺寸效应在物理和化学方面具有显著的变化。
首先，纳米结构的表面积相对于体积非常大，因此表面效应在纳米结构中变得更加明显。
其次，量子尺寸效应的出现使得电子和能带在纳米结构中的行为发生了显著的变化。
例如，在金属纳米颗粒中，电子的自由度受限于颗粒的尺寸和形状，电子能级产生离散化，在电子输运、光学性质和热学特性等方面表现出与宏观材料截然不同的性质。
纳米结构的应用广泛，包括电子学、光学、催化等领域。
在电子学领域，纳米电子学器件的研究是一个热门的研究领域。
由于纳米结构具有较高的载流子浓度和较短的跳跃长度，纳米电子器件能够实现更高的速度和更低的功耗。
在光学方面，金属纳米颗粒的表面等离子体共振效应被广泛应用于传感器、生物医学成像和光催化等领域。
异质结的解释，百科
异质结的解释，百科异质结，两种不同的半导体相接触所形成的界⾯区域。
按照两种材料的导电类型不同，异质结可分为同型异质结（P-p结或N-n结）和异型异质(P-n或p-N)结，多层异质结称为异质结构。
通常形成异质结的条件是：两种半导体有相似的晶体结构、相近的原⼦间距和热膨胀系数。
利⽤界⾯合⾦、外延⽣长、真空淀积等技术，都可以制造异质结。
异质结常具有两种半导体各⾃的PN结都不能达到的优良的光电特性，使它适宜于制作超⾼速开关器件、太阳能电池以及半导体激光器等。
基本特性所谓半导体异质结构，就是将不同材料的半导体薄膜，依先后次序沉积在同⼀基座上。
例如图2所描述的就是利⽤半导体异质结构所作成的雷射之基本架构。
半导体异质结构的基本特性有以下⼏个⽅⾯。
(1) 量⼦效应：因中间层的能阶较低，电⼦很容易掉落下来被局限在中间层，⽽中间层可以只有⼏⼗埃（1埃＝10-10⽶）的厚度，因此在如此⼩的空间内，电⼦的特性会受到量⼦效应的影响⽽改变。
例如：能阶量⼦化、基态能量增加、能态密度改变等，其中能态密度与能阶位置，是决定电⼦特性很重要的因素。
(2) 迁移率(Mobility)变⼤：半导体的⾃由电⼦主要是由于外加杂质的贡献，因此在⼀般的半导体材料中，⾃由电⼦会受到杂质的碰撞⽽减低其⾏动能⼒。
然⽽在异质结构中，可将杂质加在两边的夹层中，该杂质所贡献的电⼦会掉到中间层，因其有较低的能量（如图3所⽰）。
因此在空间上，电⼦与杂质是分开的，所以电⼦的⾏动就不会因杂质的碰撞⽽受到限制，因此其迁移率就可以⼤⼤增加，这是⾼速组件的基本要素。
(3)奇异的⼆度空间特性：因为电⼦被局限在中间层内，其沿夹层的⽅向是不能⾃由运动的，因此该电⼦只剩下⼆个⾃由度的空间，半导体异质结构因⽽提供了⼀个⾮常好的物理系统可⽤于研究低维度的物理特性。
低维度的电⼦特性相当不同于三维者，如电⼦束缚能的增加、电⼦与电洞复合率变⼤，量⼦霍尔效应，分数霍尔效应[1]等。
科学家利⽤低维度的特性，已经已作出各式各样的组件，其中就包含有光纤通讯中的⾼速光电组件，⽽量⼦与分数霍尔效应分别获得诺贝尔物理奖。
半导体mis结构ppt
表面缺陷和吸附原子
除了上述表面态外，在表面处还存在由于晶体缺陷或吸附原子 等原因引起的表面态。
这种表面态的特点是，其表面态的大小与表面经过的处理方法 有关；而达姆表面态对给定的晶体在“洁净”表面时为一定值 大约为1015cm-2(每个表面原子对应禁带中的一个能级)，实际 上由于表面被其它原子覆盖，表面态比该值小得多，为1010～ 1015cm-2 。
越接近表面空穴浓度越高，堆积的空穴分布在 最靠近表面的薄层内。
MI
S
VG<0
EC
EEi F
EV
2 .平带状态 VG=0
ECI
M
I
S
EFm
EC
Ei EFs EV
EVI
半导体表面能带平直，无弯曲
3．多子耗尽状态 金/半间加正电压（金属接正）时，表面势Vs为正， 表面处能带向下弯曲，如图示。
EC
Ei EF EV VG>0
堆积 平带 耗尽 少数反型
金属 绝缘层
半导体 欧姆接触
1．多数载流子堆积状态
金属与半导体间加负电压（金属接负）时， 表面势为负，表面处能带上弯，如图示。
MI
S
VG<0
E
EC EEi F EV
多子堆积
热平衡下，费米能级应保持定值。 随着向表面接近，价带顶逐渐移近甚至高过
费米能级，价带中空穴浓度随之增加。 表面层出现空穴堆积而带正电荷。
M
O
S
表面电场效应
如图装置是MIS结构。
(Metal-Insulator-Semiconductor)
中间以绝缘层隔开的金属板和半导体衬底组成的，在金/半间加电压时即 可产生表面电场。
结构简单，影响因素多。（功函数、带电粒子，界面态等）
材料科学中的异质结研究
材料科学中的异质结研究异质结是材料科学中经常研究的一个重要领域。
随着现代科技的发展，我们对于异质结材料的研究和应用也变得越来越深入。
本文将简要介绍异质结的概念、分类、制备方法和应用领域。
一、异质结的概念异质结是由两种或两种以上不同的材料组成的结构，在这些材料的交界面上形成的一种特殊结构。
异质结具有独特的物理、化学和电学特性，具有广泛的应用领域，包括太阳能电池、LED、激光器、高速晶体管等。
二、异质结的分类根据材料的性质和结构，异质结可以分为以下几种：1. 纵向异质结：由两种或两种以上材料按照垂直于器件面的方向交替堆积而成。
2. 横向异质结：由两种或两种以上材料在器件面方向交替堆积而成。
3. 膜层异质结：将多种材料按照一定顺序或周期性地沉积在基板上，形成的多层结构。
4. 核－壳异质结：以一种纳米颗粒为“核”，另一种材料在其表面上沉积，形成核－壳结构。
5. 点阵异质结：两种或两种以上材料按照一定的顺序和空间排列方式交替排布而成。
三、异质结的制备方法现代材料科学中，制备异质结有各种不同的方法，包括物理方法、化学方法和生物方法等。
1. 物理方法物理方法主要包括物理沉积、分子束外延、熔冷法、物理气相沉积等方法。
这些方法具有制备高质量异质结的优点，但是成本较高，需要相对复杂的设备和条件。
2. 化学方法化学方法包括化学气相沉积、溶胶－凝胶法、溶液沉积等方法。
这些方法相对简单、灵活，成本较低，适用范围也更广。
3. 生物方法生物方法主要是利用生物学特性来制备异质结材料，包括生物矿化、生物还原和生物合成等。
这些方法能够在常温下在生物环境中制备高质量的异质结，具有很高的应用潜力。
四、异质结的应用领域异质结的应用领域非常广泛，包括能源、信息、生物医学等方面。
1. 能源随着全球对于清洁能源需求的增加，太阳能电池和LED等器件的发展越来越受到重视。
异质结材料具有很好的光、电、热性质，非常适合制备高效太阳能电池和LED等设备。
chap_8半导体表面与MIS结构
2
2
q 2 p p0 2 k T rs 0 0
x qV qV x k T e 0 1 7 k T 0
qV x qV x n p 0 k0T e 1 k 0T p p0
NA k 0T ln 表 面 反 型 条 件 为 Vs VB q n i 因此 表 面 强 反 型 条 件 为 V 2V 2 k 0 T ln N A s B q ni
开启电压VT：使半导体表面达到强
反型时加在金属电极上的栅电压VG。
§8.1 表面态
硅理想表面示意图
表面能级示意图
硅晶体表面处每个硅原子将有一个未配对电 子－－悬挂键，对应的电子能态就是表面态 硅晶体表面原子密度～1015cm-2，悬挂键密度 也应～1015cm-2 一定条件下，每个表面原子在禁带中对应一个表面能级。 由于表面原子很多，这些表面能级组成表面能带。
第八章 半导体表面与MIS结构
Semiconductor surface and metal-insulator- semiconductor structure
本章内容提要 表面态 § 8.1 理想MIS结构： §8.2 表面电场效应 §8.3 MIS结构的C-V特性 §8.4 硅－二氧化硅系统的性质 §8.5 表面电导
n p0 9 p p0
（3）表面电容Cs
假定Qs 跟得上Байду номын сангаасs的变化
在低频情况的微分电容 Qs Cs Vs
表面空间电荷层的电荷面密度 Qs随表面势Vs而变，这相当于 一电容效应。
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这时两块半导体有统一的费米能级，即
EFEF1EF2
因而异质结处于热平衡状态。两块半导体材料交界面的两端形成了空 间电荷区。n型半导体一边为正空间电荷区，p型半导体一边为负空间电荷 区。正负空间电荷间产生电场，也称为内建电场，因为电场存在，电子在 空间电荷区中各点有附加电势能，是空间电荷区中的能带发生弯曲。由于 EF2比EF1高，则能带总的弯曲量就是真空电子能级的弯曲量即
势垒区内的正负电荷总量相等，即
qA 1 ( N x 0 x 1 ) qD 2 N (x 2 x 0 ) Q
上式可以化简为
x0 x1 ND2
x2 x0 NA1
设V(x)代表势垒区中x电的电势，则突变反型异质结交界面两边的泊 松方程分别为：
d2V1(x) qNA1
dx2
1
d2V2(x) dx2
qND2
代入原式为
dV1(x)qNA1(xx1)
dx
1
dV2(x)qND2(x2x)
dx
2
对以上两式继续积分得
V1(x)q2N A11x2qN A1 1x1xD1
V2(x)q2N D 22x2qN D2 2x2xD2
在热平衡条件下，异质结的接触电势差VD为
V DV 2(x2) V 1(x1)
而VD在交界面p型半导体一侧的电势差为
q D V q D 1 V q D 2 V E F 2 E F 1
显然
VDVD1VD2
处于热平衡状态的pn异质结的能带图如图1右图所示。
从图中看到有两块半导体材料的交界面即附近的能带可反应出两个特 点：1.能带发生了弯曲。2.能带再交界面处不连续，有一个突变。
两种半导体的导带底在交界面的处突变E c
q V1(x)
NA1(xx2x)2
由V1(x0)=V2(x0)，即得接触电势差VD为
VD(x)qA1 N(x2 0 1 V x1) 2qDN2 (x2 2 2 x0) 2
而
VD1
qNA1(x0 x1)2 21
VD2
qND2(x2 x0)2 22
由式 X D x 2 x 0 x 0 x 1 d 2 d 1
突变反型异质结的接触电势差及势垒区宽度
以突变pn异质结为例，如图所示：
设p型和n型半导体中的杂志都是均匀分布的，则交界面两边的势垒区 中 的电荷密度可以写成
x1 xx0,1(x)qNA1 x0 xx2,2(x)qND2
势垒区总宽度为
X D x 2 x 0 x 0 x 1 d 2 d 1
为
而价带顶的突变E v
Ec 12
为
E v E g 2 E g 1 1 2
而且
E c E vE g2E g2
以上结果对所有突变异质结普遍适用。 如下图所示，突变np异质结能带图，其情况与pn异质结类似。
NP异质结能带图
（2）突变同型异质结的能带图 图2为均是n型的两种不同的半导体材料形成的异质结之间的平衡能 带图；右图为形成异质结之后的平衡能带图。当两种半导体材料紧密接触 形成异质结时，由于禁带宽度大的n型半导体的费米能级比禁带宽度小的 高，所以电子将从前者向后者流动。
异质结和MIS结 构
成龙
半导体异质结结构
以前讨论的pn结，是由导电类型相反的同一种半导体单晶体材料组成的， 通常也称为同质结。而两种不同的半导体材料组成的结，则称为异质结。
本章主要讨论半导体异质结的种类、能带结构、C-V、I-V特性，并简单 介绍一些应用。
半导体异质结结构的种类
根据两种半导体单晶材料的导电类型，异质结可分为以下两类： 1.反型异质结：导电类型相反的两种不同的半导体单晶材料所形成，
图2：形成同型异质结前后的能带图
对于反型异质结，两种半导体材料的交界面两边都成了耗尽层；而在 同型异质结中，一般必有一变成为积累层。
如下图所示，pp异质结在热平衡时的能带图。其情况与nn异质结类似。
实际上由于形成异质结的两种半导体材料的禁带宽度、电子亲和能及功 函数的不同，能带的交界面附近的变化情况会有所不同。
如p-nGe-GaAs 2.同型异质结：导电类型相同的两种不同的半导体单晶材料所形成，
如n-nGe-GaAs 异质结也可以分为突变型异质结和缓变形异质结两种。 1、突变型异质结：两种半导体的过渡只发生于几个原子范围内； 2、缓变型异质结：发生于几个扩散长度范围内。
（1）突变反型异质结能带图
如图表示两种不同的半导体材料没有形成异质结前后的热平衡能带图。 有下标“1”者为禁带宽度小的半导体材料的物理参数，有下标“2”者为 禁带宽度大的半导体材料的物理参数。
2
x1xx0 x0xx2
将以上两式积分一次得
x x x dV1(x) dx
qNA1x 1
C1
1 0
dV2(x) dx
qND 22xC2
x0xx2
因势垒区外是电中性的，电场集中在势垒区内，故边界条件为
E1(x1)
dV1 d xxx1
0
E1(x1)
由边界条件得：
dV1 d xxx1
0
C1qN A 11x1,C2qN D 22x2
图1 形成突变pn异质结之前和之后的平均能带图
如从图中可见，在形成异质结之前，p型半导体的费米能级EF1的位置
为
EF1Ev11
而n型的半导体的费米能级EF2的位置为
EF2Ec22
当这两块导电类型相反的半导体材料紧密接触形成异质结时，由于n型 半导体的费米能级位置高，电子将从n型半导体流向p半导体，同时空穴在 与电子相反的方向流动，直至两块半导体的费米能级相等为止。
qA 1 ( N x 0 x 1 ) qD 2 N (x 2 x 0 ) Q
得：
（x2
x0)
NA1XD NA1 ND2
（x0 x1)NNA1D2XNDD2
将上述两式代入VD(x)得
V D 2q 12 2 N A 1 N N A 1 D 2X N D D 2 21 N A 1 N N A 1 A 1 X N D D 2 2
VD1 V1(x0)V1(x1)
而VD在交界面n型半导体一侧的电势差为
V D 2V 2(x2)V 2(x0)
在交界面处，电势连续变化，故
VDVD1VD2
令V1(x1)=0，则VD=V2(x2)，并代入式V1(X) 、V2(X)中得
D1 q2AN11 x1 2,D2 VD q2ND22 x2 2
因此，将D1、D2分别代入原式得