半导体光电子学第二章第四章课件.ppt

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1、第二章异质结前言：半导体同质结2.1异质结及其能带图2.2异质结在半导体光电子学器件中的作用2.3异质结中的晶格匹配2.4对注入激光器异质结材料的要求2.5异质结对载流子的限制小结前言：半导体同质结p-n结：把一块p型半导体和一块n型半导体结合在一起，在二者的交界面处就形成了所谓的p-n结。同质结：由两种禁带宽度相同的半导体材料构成的结。pn突变结：在交界面处，杂质浓度由NA（p型）突变为ND（n型），具有这种杂质分布的p-n结称为突变结。缓变结：杂质浓度从p区到n区是逐渐变化的，通常称为缓变结。空间电荷空间电荷区内建电场电势差VD

2、NP空间电荷区－耗尽层XNXP2.1异质结及其能带图异质结：两种禁带宽度不同的半导体材料，通过一定的生长方法所形成的结。半导体中是两种不同单晶半导体材料之间的晶体界面，也可以说是由两种基本物理参数不同的半导体单晶材料构成的晶体界面，不同的物理参数包括Eg，功函数（φ），电子亲和势（χ），介电常数（ε）。同质结：由两种禁带宽度相同的半导体材料构成的结。由同种材料构成的结。（广义）由构成异质结的两种半导体材料的掺杂（或导电）类型，可将异质结分为:异型异质结：P-n，p-N；同型异质结：n-N，p-P。P，N宽带隙材料；p，n窄带隙材料。

3、突变结、缓变结：按照过度区空间电荷分布情况及厚度的不同，前者有明显的空间电荷区边界，其厚度只有几个晶格常数大小，而后者的空间电荷浓度向体内逐渐变化，其厚度可达几个载流子扩散长度。电子亲和势χ：一个电子从导带底转移到真空能级所需的能量。真空能级：真空中静止电子的能量。功函数φ：将一个电子从费米能级EF处转移到真空能级所需能量。能带分析作能带图的步骤①以同一水平线的真空能级为参考能级，根据各自的φ、χ、Eg值画出两种半导体材料的能带图，如图2.1-1所示②两种材料形成异质结后应处于同一平衡系统中，因而各自的费米能级应相同，而各自的φ、χ

4、仍维持原值不变；③画出空间电荷区（由内建电势可求空间电荷区宽度），φ值在空间电荷区以外保持各自的值不变；④真空能级连续与带边平行（弯曲总量为两边费米能级之差，每侧弯曲程度由费米能级与本征费米能级之差决定，由掺杂浓度决定）；⑤而各自的χ、Eg不变。原来两种材料导带、价带位置之间的关系在交界处不变。δ1=Ev1-F1，δ2=Ec2-F2ΔEc=χ1-χ2=Δχ（2.1-1）ΔEv=Ev2-Ev1=（Eg2+χ2）-（Eg1+χ1）=ΔEg-Δχ=ΔEg-ΔEcΔEg=ΔEc+ΔEveVD=φ1-φ2=F1-F2=e（VDp+VDN）由泊

5、松方程上面讲的是平衡结（无外界作用）的情况，当在结两边加上正向电压Va后，它在结两边空间电荷区上的压降分别为V1和V2，这时的势垒高度就由原来的eVD降低到e（VD-Va）=e[（VDp-V1）+（VDN-V2）]，只要用（VD-Va）、（VDp-V1）、（VDN-V2）分别代替VD、VDp、VDN，上面讲的公式仍然成立。异质结的电流-电压特性二、突变同型异质结2.2异质结在半导体光电子学器件中的作用一、在半导体激光器中的作用1.pN异型异质结处在正向电压时，异质结势垒高度降低，N区的电子可以越过势垒和隧穿势垒而注入窄带隙p区，这种

6、异质结有助于载流子从宽带隙区向窄带隙区的注入，同时该异质结在价带上的势垒也阻碍着空穴由p区向N区的注入。2.同型异质结pP有一个较高的势垒以阻挡注入p区的电子漏出。3.由于窄带隙半导体的折射率比宽带隙高，因此有源区两边的同型和异型异质结都能产生光波导效应，从而限制有源区中的光子从该区向宽带隙限制层逸出而损失掉。n1n3.4.在实际激光器的结构中，需要生长一层与前一层掺杂类型相同但杂质浓度很高（1020/cm3）的盖帽层（或顶层），这种同型异质结可用来减少与相继的金属电极层之间的接触电阻，实现良好的欧姆接触。二、异质结在发光二

7、极管（LED）中的作用光信息领域中使用的LED和半导体激光器一样，也是采用多层异质结构，其作用同样是载流子限制、光子限制，减少内部损耗。在表面发射LED中，还可以在靠近有源区的表面生长一个能透明的同型异质结，它一方面用来钝化表面，减少注入有源区的载流子与表面态复合而造成损失，提高器件稳定性，另一方面还可以减少器件与空气界面的反射损失，从而增加输出。三、异质结在光电二极管探测器中的应用作为光探测器，希望它有宽的光谱响应范围和高的光电转换效率。在包含有异质结的光电二极管中，宽带隙半导体成为窄带隙半导体的输入窗，利用这种窗口效应，可以使光

8、电二极管的光谱响应范围加宽。如图2.2-1(a)，异质结由宽带隙Eg1和窄带隙Eg2两种半导体组成，Eg1＞Eg2，只要入射光子能量hν＜Eg1，则光能透过1，透射谱线如图中虚线所示。透过半导体1的光子，如果能量满足hν＞Eg2，则它