半导体异质结构.ppt

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1、课程主要内容：第一章半导体光电材料概述第二章半导体物理基础第三章PN结第四章金属-半导体结第五章半导体异质结构第六章半导体太阳能电池和光电二极管第七章发光二极管和半导体激光器第八章量子点生物荧光探针第五章半导体异质结构5.1异质结及其能带图异质结：由两种不同的半导体单晶材料组成的结。异质结具有许多同质结所所不具有的特性，往往具有更高的注入效率。反型异质结：由导电类型相反的两种不同的半导体单晶材料构成。如：p-nGe-GaAs（p型Ge与n型GaAs）同型异质结：由导电类型相同的两种不同的半导体单晶材料构成。如：n-nGe-G

2、aAs（n型Ge和n型GaAs）异质结的能带图对其特性起着重要作用。在不考虑界面态的情况下，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势、禁带宽度以及功函数。功函数随杂质浓度的不同而变化。5.1异质结及其能带图突变异质结：从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡只发生于几个原子距离范围内。缓变异质结：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长度范围内。突变异质结的能带图研究得比较成熟。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，介电常数差异）。由于晶体结构和晶格常数不同，在异质结交界

3、面上形成的界面态增加了能带图的复杂性。5.1异质结及其能带图（1）不考虑界面态时的能带图突变反型(pn)异质结能带图（形成异质结前）P型N型：电子的亲和能W：电子的功函数Eg：禁带宽度两种半导体紧密接触时，电子（空穴）将从n(p)型半导体流向p(n)型半导体，直至费米能级相等为止。5.1异质结及其能带图（1）不考虑界面态时的能带图突变反型(pn)异质结能带图（形成异质结后）交界面两边形成空间电荷区(x1-x2)，产生内建电场。两种半导体材料的介电常数不同，因此内建电场在交界面处(x0)不连续。空间电荷区中的能带特点：1）能带

4、发生弯曲，尖峰和势阱，2）能带在交界面处不连续，有一个突变。P型N型5.1异质结及其能带图（1）不考虑界面态时的能带图突变反型(pn)异质结能带图（形成异质结后）P型N型内建电势差VD导带阶价带阶以上式子对所有突变异质结普适5.1异质结及其能带图（1）不考虑界面态时的能带图突变p-nGe-GaAs异质结能带图n-GaAs交界面两侧半导体中的内建电势差VD1,VD2由掺杂浓度、空间电荷区（势垒区）宽度和相对介电常数共同决定。5.1异质结及其能带图（1）不考虑界面态时的能带图突变反型(np)异质结能带图形成异质结前形成异质结后P型

5、N型P型N型5.1异质结及其能带图（1）不考虑界面态时的能带图形成异质结前形成异质结后突变同型(nn)异质结能带图在同型异质结中，一般必有一边成为积累层，一边为耗尽层。5.1异质结及其能带图（1）不考虑界面态时的能带图形成异质结后突变同型(pp)异质结能带图对于反型异质结，当1=2，Eg1=Eg2,1=2时，成为普通的PN结。5.1异质结及其能带图（2）考虑界面态时的能带图制造突变异质结时，通常在一种半导体材料上生长另一种半导体单晶材料，或采用真空蒸发技术。两种半导体材料之间的晶格失配：2(a2-a1)/(a1+a2)

6、，a1,a2为两种半导体的晶格常数。异质结中的晶格失配导致两种半导体材料的交界面处产生了悬挂键，引入了界面态。接触前接触后5.1异质结及其能带图（2）考虑界面态时的能带图若两种半导体材料在交界面处的键密度分别为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，突变异质结交界面处的悬挂键密度：对于两种相同晶体结构材料形成的异质结，交界面处悬挂键密度Ns取决于晶格常数和作为交界面的晶面。5.1异质结及其能带图（2）考虑界面态时的能带图对于n型半导体，悬挂键起受主作用，受主型界面态施放空穴后带上负电荷，因此表面能

7、带向上弯曲。对于p型半导体，悬挂键起施主作用，施主型界面态施放电子后带上正电荷，因此表面能带向下弯曲。N型P型表面能级密度大的半导体能带图-++-5.1异质结及其能带图（2）考虑界面态时的能带图当悬挂键（或界面态）的密度很高时，界面态电荷产生的电场往往大于由两种半导体材料接触而产生的电势差，在这样情况下，异质结的能带图往往由界面态所引起的能带的弯曲来决定。5.1异质结及其能带图（2）考虑界面态时的能带图pnpnnpnpnnpp悬挂键起施主作用时悬挂键起受主作用时（界面态密度很大时）5.1异质结及其能带图（2）考虑界面态时的能带

8、图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，但如果它们的热膨胀系数不同，在高温下，也将发生晶格失配，从而产生悬挂键，在交界面处引入界面态。化合物半导体形成的异质结中，由于化合物半导体中成