2015第6次课第四章异质结的伏安特性

电流传输正向突变反型异质结通过势垒的方式多样，一般不存在多数情况下占主导的机制可能的机制有：扩散发射隧穿复合扩散－发射发射－复合隧穿－复合发射－复合－隧穿多种模型第四章异质结的伏安特性4.1突变异质结的伏安特性(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.(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制进入p区,异质pn结的电流主要有电子发射机制决定-发射模型.qVD1qVD2ΔECΔEVqVD24.1.1低尖峰势垒用扩散模型.电子由n型半导体的导带到p型半导体的导带遇到的势垒高度为(qVD-DEc)空穴由p型半导体的价带到n型半导体的价带遇到的势垒高度为(qVD+DEV)1空间电荷区之外半导体是电中性的；2载流子浓度可以用玻尔兹曼统计来近似；3注入的少子密度比多子少得多（小信号情况）；4耗尽层中没有产生复合效应，没有界面态。假设：同质P-n结时的情况当外加电压V施加在半导体材料上时，其伏安特性即电压同电流的关系为：I=A[exp(eV/kT)-1]式中A为一常数，e为电子电荷，k为玻尔兹曼常数，T为温度。可以看出电流的大小是随着外加电电压的增大而呈指数形式上升的。零偏压有偏压P区少子和n区多子关系电压V使x1处的载流子浓度由注入到P型区的少子运动的连续性方程为:一边扩散，一边复合，建立起稳定的过剩载流子分布。求A：求B：从p型区价带底到n型区价带底的势垒高度为qVD1+qVD2+DEv=qVD+DEv4.1.2热电子发射模型（高势垒尖峰情况）从右到左的热电子发射电流A由p区注入到n区的电子要越过势垒高度正向时可忽略正反两个方向的电压都按指数增加扩散或热电子发射：(4.13)室不能应用于反向情况，因为反向时，电子流是从p区注入到n区的，反向电流由p区少数载流子决定，在较大的反向电压下应该是饱和的。b是二极管的理想因子4.1.3隧穿机制隧道电流表现出来的特点是lnJ-V的曲线斜率和温度无关。T1T2T3VLg(J)4.2异质结的注入比电子面临的势垒下降：VD-DEC空穴面临的势垒上升:VD+DEv同质结：掺杂异质结：利用带阶注入比：4.2异质结的注入比我们将注入比r定义为：在p-N结上加有正向电压时，由N区向p区注入的电子流JN→p同p区向N区注入的空穴流Jp→N的比值，即r=JN→p/Jp→N。理论分析得出：r=Dexp(DEg/kT)式中D为常数。同质结：DEg=0，r=D。异质结：r随着DEg呈指数上升。例如，在p-GaAs/N-Al0.3Ga0.7As异质结中，它们的DEg=0.33eV，结果注入比r高达7.4×105，因而注入比提高了七十四万倍。在同样的正向电压下，可以获得更高的注入电子浓度。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nEpnn+collectorGaAsGaAsAlGaAsBCn-AlGaAs/p-GaAs/n+GaAsHBTFirstHBTinthehistoryofBJTPrincipleofOperation•Widebandgapemitter•Dependenceofcommon-emittercurrentgainondopinglevelsandenergybanddiscontinuityattheemitter-baseinterface•ExponentfactorcanbeverylargetocompensateforNde/NberatioDEg0DnandDparetheholeandelectrondiffusioncoefficientsNdeandNabarethedonorconentrationintheemitterregionandacceptorconcentrationintehbaseregionXeisthewidthoftheemitterregionWisthewidthofbaseDEg=Egb-egeenergybandgapsinthebaseandemitterregionsDEgEgBaseEgEmitterPrincipleofOperation•Basedopinghigherthanemitterdoping–Lowerbaseresistanceimprovesfmax–Scalinglimitationduetopunchthrougheliminated–BasechargeisinsensitivetooutputvoltageVCB(Earlyvoltageincreases)–ReducedhighcurrenteffectsfmaxfT8RBCBC12PrincipleofOperation•Loweremitterdoping–Reducedbandgapnarrowing•Reductioninminoritycarrierconcentrationintheemitter•Improvementincurrentgain–ReducedCBE•Emitter-basespace-chargeregionbroadensonemittersideofthejunctionReductioninemitterdopinglevelsreduceswhat?Why?4.3超注入现象加正向电压时,n区导带底上升,结势垒可被拉平.由于导带阶的存在,n区导带底甚至高于p区导带底,准费米能级可达到一致.p区导带底较n区导带底低,距EFn更近.故p区导带的电子浓度高于n区.应用注入到窄带区的少数载流子浓度达到1018cm-3以上,实现粒子数反转.加了较大正向偏置电压之后，N-AlxGa1-xAs/p-GaAs中，位于N区的导带上的电子的能量比p区的导带底的能量还高，在外加电压的作用下，电子注入到p区的导带中，至使p区的电子比N区的电子还多(常规情况下是N区的电子多，p区的空穴多)。在p-N结p区一侧载流子堆积得很多，即注入到p区的少子（电子）的浓度比N区的多子（电子）的浓度还多，以至于达到简并化的程度，这就是超注入现象，它也是光电子器件的重要物理基础之一。Fundamentalphysicalphenomenainclassicalheterostructures(a)(b)(c)FnEcDEvDEcFpElectronsHolesFnEcEvFpElectronsHolesElectronsOne-sideInjectionPropozal—1948(W.Shokley)Experiment—1965(Zh.Alferovetal.)SuperinjectionTheory—1966(Zh.Alferovetal.)Experiment—1968(Zh.Alferovetal.)Diffusioninbuilt-inquasielectricfieldTheory—1956(H.Kroemer)Experiment—1967(Zh.Alferovetal.)问题？1.热电子发射模型和扩散模型的区别？2.b指数和那些因素有关。3.什么是钉扎效应。4.伏安特性的微商研究法4.4有界面态的异质结的伏安特性4.4.1热电子发射和多阶隧道的并联模型４.4.2隧穿复合模型4.4.3界面能级的电离对伏安特性的影响4.4.4完全经由界面态的复合电流(1)发射复合模型(2)反向串联schottky二极管模型(3)界面复合和隧道复合串联4.4.5表面复合对伏安特性的影响4.5伏安特性的微商研究4.4有界面态的异质结的伏安特性无界面态：热电子发射扩散隧穿有界面态：经由界面态复合4.4.1热电子发射和多阶隧道的并联模型GaAs/AlAs：晶格失配：0.16%NtI2I1EbP-GaAsN-AlGAAsI1I2I并联小电压下越过势垒的qVD的电子数目很少，热电子发射电流很小，总电流将由隧道电流决定，当电压增大时，热电子发射电流迅速增加并超过隧道电流，因此总电流由热电子发射电流决定。常数A的数值对不同的异质结差别很大，说明界面能级的数目与生长工艺有关。转折点的电流定性的反映出界面能级的数量４.4.2隧穿复合模型1电压小时，电流由复合，扩散决定。2电压大时，电流由隧穿决定。串联过程速率限制过程在较低偏压下复合是速率限制因素曲线斜率随温度增加而减小。较大偏压下结电流的大小主要受隧穿的限制。隧道复合4.4.3界面能级的电离对伏安特性的影响Thezero-biaschargeQointhesestatesfixestheenergy-bandrelationshipofFig.1(a).np当Ds等于0时界面态大到一定值，出现钉扎。Asamplecalculationwillclarifythistreatment.Weconsiderann-p:Ge-GaAsheterojunctionwithNa=Nd=1016cm-3,Ega=0.7eV,Egb=1.4eV,ea=16e0,eb=11.5e0,Ev=0.6eV当Ds不等于0时P型半导体-金属肖特基势垒加上一个n型半导体肖特基势垒电流由势垒高度大的一方决定。(1)发射复合模型4.4.4完全经由界面态的复合电流qVD2对于一个p-N异质结（2）反向串联schottky二极管模型界面态密度低时，同样有扩散、发射、隧穿等的机制与反型异质结的类似界面态密度高时，类似与背靠背的双肖特基二极管对n-N型异质结，当有大量界面态时，可以看成两个肖特基管反向串联。I1I2V1V2I1I2V1V2I=I1=I2V=V1+V2上式求VD利用转折点求IS1和IS2击穿来的早时，找不到饱和区。12V1V2一次微商二次微商令二次微商等于零转折点转折点的斜率用V0,I0求出Is1,Is2-VD4.4.5表面复合对伏安特性的影响TheeffectofsurfacerecombinationoncurrentinAlxGa1-xAsheterojunctionsAnarrayoflongthinmesaswerefabricatedoneachwafer.Theyrangedinsizefrom50mx500m.to125mx500m.Thusthep-njunctionshadareasvaryingbyafactorof2.5,butperimetersvaryingbyonly13%.Below10-4Athe1-Vcurvesofalljunctionswerealmostidenticalandincreasedwithbiasas2kTcurrent.Thesmallvariationsintheamplitudeofthe2kTcurrentdidnotcorrelatewitharea.Thisisstrongevidencethatthe2kTcurrentisnotprimarilyduetorecombinationoccurringwithintheinteriorofthep-njunction,butisinsteadduetorecombinationattheperimeter.4.5伏安特性的微商研究法VIIjIjRVjRshIshP-AlGaNcappinglayerInGaNMQWactivelayern-GaNguidinglayerSapphiresubstrateUndopedGaNn-electrode(Ti/Al)p-electrode(Ni/Au)p-GaNp-AlGaN/GaNMD-SLScladdinglayerp-GaNguidinglayern-AlGaN/GaNMD-SLScladding