异质结

§2.3半导体异质结半导体异质结：由两种性质（带隙宽度）不同的半导体材料，通过一定的生长方法所形成的结。一、突变异质结（pN）1、pN结的形成与能带图窄带隙的p型半导体与宽带隙的N型半导体生长一起时，界面处出现了载流子的浓度差，于是N中的电子向p中扩散，相反，p中的空穴也会向N中扩散，在界面形成空间电荷区。内建电场E扩散迁移§2.3半导体异质结1960年，Anderson用能带论分析了pN结的形成与有关问题，直观而深刻，并得到一些十分有用的结论，称为Anderson模型。如Fig2.01（a）平衡前的能带图；（b）是平衡时的能带图。在作图时，先以真空能级为参考能级画出各自的能带图；再保持费米能级低的一侧不动，使费米能级高的一侧下移与其相平，即真空能级及能带向下弯曲，而且有其他量，如功函数φ，亲和势χ，激活能δ保持不变。vcgDNDpDFFFDEEEVVVEEEeV12§2.3半导体异质结Ec2EF2Ev2p-GaAsN-AlxGa1-xAsEoΧ1φ1Ec1EF1Ev1ΔEcEg1△Evδ2Eg2δ1χ2φ2Ec2EFEv2Χ1φ1eVDeVDNeVDNeVDPeVDP△Ev△EcEc1EFEv1-xP0xN说明：真空能级Eo为参考能级；Eg表示禁带宽度；φ表示功函数，定义为将一个电子从费米能级EF处转移到真空能级Eo所需的能量；χ表示亲和势，定义为将一个电子从导带底Ec移到真空能级Eo所需的能量；δ表示激活能，定义为EF与导带底Ec或EF与价带顶Ev之间的能量差。p-GaAsN-AlxGa1-xAs（a）平衡前的能带图（b）平衡时的能带图§2.3半导体异质结2、内建电势及耗尽层宽度从上面的分析可以看出，能带弯曲的程度取决于内建电势的大小，即对于p型半导体有对于N型半导体有于是得到即内建电势取决于两种半导体载流子浓度的比值。具体到pN结，取决于N型半导体中的多子（电子）与p型中的少子（电子）浓度比。12FFDEEeViABFinNTkEEln1iDBiFnNTkEEln21211212lnlnlnnnTkpnnpTknNNTkeVBBiDABD§2.3半导体异质结根据《半导体物理》的结论，p区和N区各自的内建电势分别是若近似认为，正负电荷在耗尽层是均匀分布的，则电中性条件为于是得该式表明，内建电势主要降落在杂质浓度较低的一侧。结合以上各式，得到内建电势分别为NNNDNppADpxeNVxeNV2,222NDpAxNxNApDNDNDpNNVV§2.3半导体异质结耗尽层宽度分别是由上面的分析，还可以得到结电容结电容是一个重要的参数，它直接影响到器件的高频特性。DDNApDNDpVNNNVDDNApApDNVNNNV21212,2DNApDDANpNDNApADDNppNNNVNexNNNVNexDDANpDNApjVNNNNeC212nnoxx=0pnopponpolog(n),log(p)-eNaeNdMxE(x)B-h+pnMAs+e杴WpWnNeutraln-regionNeutralp-regionSpacechargeregionVoV(x)xPE(x)ElectronPE(x)MetallurgicalJunction(a)(b)(c)(e)(f)x杴WpWn(d)0eVox(g)杴eVoHolePE(x)杴EoEoMrnetMWn杴WpniPropertiesofthepnjunction.§2.3半导体异质结§2.3半导体异质结当给异质结加上正向偏置电压（p侧为正）VA时，pN结就处于非平衡状态，即结两侧的准费米能级发生分离，显然有同时，能带的弯曲程度变缓。这时，可将前面的公式中的VD、VDp、VDN分别用（VD-V）、（VDP-V1）、（VDN-V2）来代替，其中VA=V1+V2，V1、V2分别是p侧和N侧势垒区的电压降。于是得到如下pN结在正向偏置下的一系列公式：FvFcAEEeV2121)(2,)(2DNApDADANpNDNApAADDNppNNNVVNexNNNVVNex)(1ADDNApDNDpVVNNNVV)(2ADDNApApDNVVNNNVV§2.3半导体异质结)(212ADDANpDNApjVVNNNNeC可见，加正向电压后，空间电荷区厚度变窄，结势垒变小，有利于向p区注入电子。Ec1Ev1EFvEc2EFcEoe(VD-VA）e(VDN-V2）ΔEvΔEceVA-xp0xNe(VDp+V1)EoEc1EFvEv1e(VD+VA）Ec2EFcEv2e(VDN+V2)ΔEvΔEceVAxp0xNpN结正向偏置pN结反向偏置§2.3半导体异质结nN结能带图pP能带图EoEc1Ev1eVDΔEcΔEv-xn0xNEc2EFEv2eVD2eVD1EoEc1Ev1Ec2Ev2EFeVD2eVD1ΔEcΔEv-xpxPeVD§2.3半导体异质结3、载流子的输运Anderson模型：零偏压时，由N向p越过势垒VDN的电子流应与从p到N越过势垒ΔEc-VDp的电子流相等，即加正向电压后，两个方向的电子流不再相等，净电流密度为222111120122102121,,expexpennennnnnnBDNBDpcDLDLLNDeBLNDeBTkeVBTkeVEBTkeVTkeVTkeVBeTkeVeVEBTkeVeVBeJBBBDNBDpcBDN1221122expexpexpexpexp§2.3半导体异质结式中已经用到零偏置的结果。若认为N型半导体的电子浓度与施主浓度相等；再考虑到界面对载流子的反射，引入透射系数X，它表示N区耗尽层内的电子越过界面到达p区电荷积累层的比率。于是有在正向偏置时，方括号中第一项起主要作用，反向偏置时，第二项起主要作用。所以，在正向偏置下，有TkeVTkeVTkeVLNDXeJBBBDNnDn12121expexpexpTkeVTkeVLNDXeJBBDNnDn2121expexp§2.3半导体异质结。称为二极管的理想因子其中，令,111expexp)1(expexp)1(,1212112121ApDNBABDNnDnBABDNnDnAANNTkeVTkeVLNDXeTkeVTkeVLNDXeJVVVVAnderson模型定性地表达了pN结的伏安特性，但在定量上与实验结果相差较大，此时需用其他模型来分析。§2.3半导体异质结三、异质结的主要性质1、高注入比注入比是指pN结正向偏置时，N区向p区注入的电子流Jn1与p区向N区注入的空穴流Jp2之比，由前面的分析，对异质结可得到可见，注入比与异质结两侧材料的带隙差成指数关系。例如p-GaAs/N-Al0.3Ga0.7As异质结，注入比约为7.4Χ105。这是半导体激光器提高注入效率，降低阈值电流密度，提高量子效率的重要原因之一。21pnJJTkEENNNNPNLDLDBggvcvcADnppn122211121221exp§2.3半导体异质结2、超注入现象在给pN结加正向偏置电压后，N区到p区的电子势垒是VDN-V2，当偏压足够大时，势垒会足够小，这样从N区向p区注入电子就很容易。在扩散场和外加场的作用下，会使p区的电子浓度比N区的还高，甚至达到简并化（电子准费米能级进入导带内部）的程度，称为超注入现象。3、异质结对载流子的限制作用4、光波导效应5、窗口效应nR1nRnR2I0x-da/2da/2