2015第3次课第三章异质结的能带图.

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。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第三章异质结的能带图（3.1.1）能带图ABEcEcABEcEcEvEvEvEv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。什么是能带图？Letxbetheelectronaffinity,whichistheenergyrequiredtotakeanelectronfromtheconductionbandedgetothevacuumlevel,电子亲和势：电子由导带底跃迁到真空能级所需的能量，=E0-EcvacuumlevelEcEvletfbetheworkfunction,whichistheenergydifferencebetweenthevacuumlevelandtheFermilevel.功函数f：电子由费米能级至自由空间所需的能量，f=E0-FfEcEfEvAnderson'srule•statesthatwhenconstructinganenergybanddiagram,thevacuumlevelsofthetwosemiconductorsoneithersideoftheheterojunctionshouldbealigned不考虑界面态时的能带结构(一）能带图由电子亲和能、禁带宽度、导电类型、掺杂浓度决定A突变反型x1x2DEcDEvEFEvECEFEg1Eg2f1f2未组成异质结前的能带图12.1)3(21DCE1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。)3.3()(.2)3()()(122112ggcvggvEEEEEEEDDDx1x2DEcDEvEC2Eg1Ev2Ec1Ev1n-GaAsP-GaAspn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。它等于两种材料的费米能级差：.4)31221（ffDDDEEqVqVqVECEF2Eg2Eg1EF1Eg1EF1ECEF2Eg2接触前接触后1.AligntheFermilevelwiththetwosemiconductorbandsseparated.Leavespaceforthetransitionregion.如何画接触后的异质结能带图ECEF2Eg2Eg1EF1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。Eg1eVDECEg21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,EvThereisnonsymmetryinDECandDEvvaluesthatwilltendtomakethepotentialbarriersseenbyelectronsandholesdifferent.ThisnonsymmetrydoesnotoccurinhomejunctionInGaAsGaAsSbInAsGaSbEC1Ev1EC2Ev2EC1Ev1EC2Ev2EC1Ev1EC2Ev2(a)Straddling跨立型(b)Staggered错开型(c)Brokengap破隙型AlGaAsGaAs典型的能带突变形式AlGaAsGaAsInGaAsGaAsSb电子和空穴在空间分离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。InAsGaSb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。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。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DEc=0.07eVDEv=0.69eVDEc+DEv==0.76eV3.1.2突变反型异质结的接触电势差势垒区宽度一工艺过程生长方法,界面态能带弯曲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影响能带突变的因素安德森(Anderson)能带模型假定：1，在异质结界面处不存在界面态和偶极态；2，异质结界面两边的空间电荷层（或耗尽层中)，空间电荷的符号相反、大小相等；3，异质结界面两边的介电常数分别为1和2,12,界面处的电场不连续：1E1=2E2E1E2。)5.3()()(xdxxdD)6.3()(ExD)7.3(dxdVE)()()(xdxdVdxddxdEdxxdD泊松方程8.3)(22xdxdV)9.3(})(,)(,22201101DAqNxxxxqNxxxx势垒区中的电荷密度分布whereagainNA1isthenetacceptorconcentrationinthepside,andND2isthenetdonorconcentrationontheNside.)10.3(}))200122221122xxxxxxDAqNdxdVqNdxdV（（突变反型异质结的泊松方程where1and2arethepermittivityinthepandNregions,边界条件:0,0,2211ExxExxpnx1x2x0121110122022())}(3.11)())ADqNqNExxxxxExxxxx（（线性，在交界处不连续Thustheelectricfieldisgivenbytwointhedepletionregionandzerooutside.电场分布)12.3(}))202)2012)122221211xxxVVxxxVxxqNDxxqNDA（（（（Ifwechoosethereferencepotentialtobezeroforxx1wehavedxdVE电势分布)15.3()14.3()()()()13.3()(}))220222202222022222212112)(2)(22)02222011202)2012)1xxqNDxxqNDxxqNDDDDxxqNDxxqNDDDDAVVVVxVxVVxVVxxxVVxxxV（（（（（（（（（1210A11210A12ε)x（xqN2ε)x（xqN接触电势差21DDDVVV势垒区内正负电荷总量相等。)16.3()()()()(120210022101ADDANNxxxxxxqNxxqN)18.3()17.3(222212DNDDNDVVVVDDA11D22A11A11NεNεNεNε耗尽层主要落在杂质能度低的一侧。)20.3()19.3(221122112211112222DADDADADADNNVNqNNNVNqN)x（x)x（x1002耗尽层宽度和掺杂的关系)22.3()21.3(2211211122111122)(2)(2DADDADADADNNVVNqNNNVVNqN)x（x)x（x1002有外加偏压时：x1x2DEcDEvEF1Ev1EC2EF2Eg1Eg2f1f2)23.3/)]()([22111（qEEEEEEeVfcvfcgDDNC导带有效状态密度TkEENnBFCCexp0TkEENpBVFVexp032/3*22hTkmNBhV价带有效状态密度内建电场计算突变反型异质结的势垒电容)26.3()()25.3()()()(])[()()24.3()()(21212211221221121212121221121212121221121212211212122111221)(21))((22212)(2)()(21022101VVVVVVCqNQxxqNxxqNQDNNqNNCVVNNNNqDNNNNqDdVdNNNNqdVdQNNVVNNqNNqNVVNADADADADDADADADADADADADDADAADD势垒区内电荷总量相等（3.1.3）突变同型异质结EF2EF1,电子从宽带流入窄带必有一边为积累区异型异质结中，少子起主要作用。同型异质结（nN和pP）中，其性质主要是由多数载流子决定。同型异质结中，由于异质结两边的导电型号相同，两侧不再象异型异质结那样出现两个耗尽层构成的电偶极区。而是在宽带隙一侧的施主（nN结N侧）或受主（pP结的P侧）电离产生足够的空间电荷，而窄带隙一侧出现多子的积累。因此，同型异质结是由宽带一侧的耗尽层和窄带一侧的载流子积累层构成的电偶极区。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a)A宽带掺杂少b)相近c)窄宽带掺杂少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异质结应用举例