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1、2.2 异质结 在两种不同的半导体之间形成的结 导电类型相同导电类型相同同型异质结同型异质结 导电类型不同导电类型不同异型异质结异型异质结 发光二级管发光二级管 光电探测器光电探测器 太阳电池太阳电池 基本器件模型基本器件模型 异质结器件异质结器件 主要内容主要内容: : 形成异质结的两种材料通常具有不同的能隙宽度形成异质结的两种材料通常具有不同的能隙宽度EgEg和介电常数和介电常数 。 2 1。基本器件模型 理想突变异质结的能带模型理想突变异质结的能带模型 功函数功函数 m m 电子亲合势电子亲合势 从费米能级将一个电子移到刚巧在该种材料从费米能级将一个电子移到刚巧在该种材料 之外的一个位置
2、之外的一个位置( (真空能级真空能级) )所需的能量所需的能量 从导带底将一个电子移到刚巧在该种材料之从导带底将一个电子移到刚巧在该种材料之 外的一个位置外的一个位置( (真空能级真空能级) )所需的能量所需的能量 带阶带阶 价带边的能量差价带边的能量差 E E V V 价带带阶价带带阶 Anderson Anderson 异质结能带模型异质结能带模型 几个概念几个概念 导带边的能量差导带边的能量差 E E C C 导带带阶导带带阶 能够初步解释部分输运过程能够初步解释部分输运过程 两种材料晶格结构、晶格常两种材料晶格结构、晶格常 数、热膨胀系数相同，忽略数、热膨胀系数相同，忽略 悬键的产生和
3、界面态。悬键的产生和界面态。 3 1。基本器件模型 两片孤立半导体能带图两片孤立半导体能带图 理想理想n-pn-p异质结（窄带隙的异质结（窄带隙的n n型和宽带隙的型和宽带隙的p p型）型） 4 形成结时，热平衡状态下理想形成结时，热平衡状态下理想n-pn-p异质结的能带图异质结的能带图 平衡时：平衡时： 1。基本器件模型 1 1和和2 2 在结处各形成耗尽区在结处各形成耗尽区=x1+x2=x1+x2 结处能带弯曲：结处能带弯曲： 1 1中局部电子耗尽，能带向上弯中局部电子耗尽，能带向上弯 2 2中局部空穴耗尽，能带向下弯中局部空穴耗尽，能带向下弯 真空能级在各处平行于带边；真空能级在各处平行
4、于带边； 费米能级在两侧一致；费米能级在两侧一致； 总内建势为总内建势为V Vb1 b1+V +Vb2 b2=E =EF1 F1-E -EF2 F2； ； 电子亲和势不连续，界面处能量突电子亲和势不连续，界面处能量突 变，形成带阶变，形成带阶: : EcEc= = 1 1 - - 2 2 ； EvEv= = EgEg- - ； EvEv+ + EcEc= = EgEg 5 耗尽层宽度：耗尽层宽度： 求解界面两侧的突变结泊松方程得到耗尽层宽度和电容。求解界面两侧的突变结泊松方程得到耗尽层宽度和电容。 电容电容 ： 各半导体中承受的相对电压各半导体中承受的相对电压 ： 1。基本器件模型 6 理想理
5、想n-nn-n同型异质结同型异质结 理想理想n-nn-n同型异质结能带图同型异质结能带图 1。基本器件模型 7 理想理想p-np-n异质结能带图异质结能带图 理想理想 p-np-n异质结（窄带隙的异质结（窄带隙的p p型和宽带隙的型和宽带隙的n n型）型） 1。基本器件模型 8 理想理想p-pp-p异质结能带图异质结能带图 理想理想p-pp-p异质结异质结 1。基本器件模型 9 导电机制导电机制热电子发射热电子发射 有效里查孙常数有效里查孙常数 电流密度电流密度 电流电流- -电压关系电压关系 反向电流不会饱和反向电流不会饱和 ，随，随V V线性增加线性增加 正向电流：正向电流： 1。基本器件
6、模型 电流电流- -电压特性电压特性-理想理想n-nn-n同型异质结同型异质结 10 电流电流- -电压特性电压特性 1 1。热发射模型。热发射模型AndersonAnderson 2 2。考虑隧道效应。考虑隧道效应 3 3。考虑界面复合。考虑界面复合 能够说明异质结的电流输运特点，得到电流能够说明异质结的电流输运特点，得到电流- -电压方程，但与实际结果电压方程，但与实际结果 有比较大的差异。有比较大的差异。 能带不连续的突变和尖峰，引起载流子的隧道效应。能带不连续的突变和尖峰，引起载流子的隧道效应。 在异质结的制备和处理过程中，必然会有悬键存在，还存在各种缺陷态在异质结的制备和处理过程中，
7、必然会有悬键存在，还存在各种缺陷态 ，这些都可能构成禁带中的界面态，有界面复合电流存在。，这些都可能构成禁带中的界面态，有界面复合电流存在。 根据以上三种输运过程，有很多输运模型提出，实际的异质结的输运机根据以上三种输运过程，有很多输运模型提出，实际的异质结的输运机 制，要根据能带不连续性和界面态参数等来确定，往往同时存在多种电制，要根据能带不连续性和界面态参数等来确定，往往同时存在多种电 流输运机制。流输运机制。 1。基本器件模型 11 2。异质结器件 异质结特点：异质结特点： 1 1）界面处出现能带的突起和凹陷，可以促进或阻挡载流子。）界面处出现能带的突起和凹陷，可以促进或阻挡载流子。 2
8、 2）界面处存在局域态，起到复合和俘获中心的作用。）界面处存在局域态，起到复合和俘获中心的作用。 3 3）两侧材料带隙宽度不同，宽带材料成为窄带材料的窗口。）两侧材料带隙宽度不同，宽带材料成为窄带材料的窗口。 4 4）两侧材料折射率不同，折射率小的材料成为折射率大的材料的反）两侧材料折射率不同，折射率小的材料成为折射率大的材料的反 射层，使光封闭于高折射率的材料中。射层，使光封闭于高折射率的材料中。 光电池、发光管、激光器。光电池、发光管、激光器。 12 2。异质结器件 外延工艺外延工艺 晶格匹配的同型和异型异质结晶格匹配的同型和异型异质结 最重要的应用：光电子器件方面最重要的应用：光电子器件
9、方面 半导体激光器半导体激光器 光探测器光探测器 太阳电池太阳电池 单极整流结构：单极整流结构： 组分缓变组分缓变 当当 X= 0X= 00.40.4， 带隙带隙=1.42=1.421.92eV1.92eV 组分变化示意图。组分变化示意图。 13 平衡能带图。平衡能带图。 正向偏置：电压降加在缓变层上，使势垒的斜率降低，并增加越过势垒的热电正向偏置：电压降加在缓变层上，使势垒的斜率降低，并增加越过势垒的热电 子发射。子发射。 反向偏置：电子受阻，不能通过电势突变不连续处。反向偏置：电子受阻，不能通过电势突变不连续处。 2。异质结器件 正向偏置下的能带图。正向偏置下的能带图。 14 超晶格结构：
10、超晶格结构： 2 2）有一种半导体的掺杂浓度发生周期性变化，一系列同质结）有一种半导体的掺杂浓度发生周期性变化，一系列同质结 1 1）多层异质结排列）多层异质结排列 GaAsGaAs, Al, Al x x GaGa1-x 1-xAs , As ,未掺杂超晶格结构能带图未掺杂超晶格结构能带图调制掺杂超晶格结构能带图 调制掺杂超晶格结构能带图 高迁移率特性高迁移率特性 2。异质结器件 15 体体 GaAsGaAs 和调制掺杂和调制掺杂 超晶格结构的迁移率超晶格结构的迁移率 与温度的关系与温度的关系 2。异质结器件 16 2.3 金属-半导体接触 金属金属- -半导体接触，在界面处形成势垒。半导体
11、接触，在界面处形成势垒。 1。能带关系 理想状态和高表面态理想状态和高表面态 考虑两种极限情形考虑两种极限情形 1 1。不存在表面态的情况。不存在表面态的情况 金属金属- -半导体接触的能带图半导体接触的能带图 18 对对n n型半导体，势垒高度型半导体，势垒高度 的极限值为金属功函数和的极限值为金属功函数和 半导体电子亲合势之差：半导体电子亲合势之差： 对对P P型半导体，势垒高度型半导体，势垒高度 的极限值的极限值: : 对给定的半导体，对给定的半导体， n n型型+P+P型衬底的势垒高度之和型衬底的势垒高度之和= =带隙。带隙。 肖特基模型肖特基模型 19 2 2。半导体表面有高密度的表
12、面态。半导体表面有高密度的表面态 金属金属- -半导体接触的能带图半导体接触的能带图 势垒高度完全由半导体表面性质决定，与金属功函数无关。势垒高度完全由半导体表面性质决定，与金属功函数无关。 巴丁模型巴丁模型 20 耗尽层：耗尽层： 在不同的偏置状态金属在不同的偏置状态金属-n-n 型和型和p p型半导体接触的能带型半导体接触的能带 图。图。 反向反向 热平衡热平衡 正向正向 21 根据突变结近似，根据突变结近似，x W, W, 0, 0, dV/dxdV/dx 0 0 耗尽层宽度耗尽层宽度 来自多数载流子分来自多数载流子分 布尾的贡献布尾的贡献 最大电场最大电场 22 最大电场在最大电场在x
13、=0x=0处：处： 半导体单位面积的空间电荷半导体单位面积的空间电荷Q: Q: 单位面积的耗尽层电容：单位面积的耗尽层电容： 23 若在整个耗尽区内若在整个耗尽区内N N D D 为常数，做为常数，做1/C1/C 2 2 -V-V关系应该为直线。关系应该为直线。 或或 24 2。肖特基效应 肖特基效应：加电场时，载流子发射的势能因感生镜象力的作用而降低的现象。肖特基效应：加电场时，载流子发射的势能因感生镜象力的作用而降低的现象。 在金属表面和真空之间的能带图。在金属表面和真空之间的能带图。 金属功函数为金属功函数为q q m m，当金属表面加电场时，有效 ，当金属表面加电场时，有效功功 函数（
14、或势垒）降低。这种降低来自电场和镜象力函数（或势垒）降低。这种降低来自电场和镜象力 的联合效应。的联合效应。 25 金属的金属的q q m m： ： 2eV6eV2eV6eV通常对表面污染敏感通常对表面污染敏感 真空中的清洁金属表面，功函数与原子序数的关系。真空中的清洁金属表面，功函数与原子序数的关系。 先考虑金属先考虑金属- -真空系统真空系统 26 真空中一个电子与金属相距真空中一个电子与金属相距x x，在金属表面感生正电荷。，在金属表面感生正电荷。 电子与感生电荷之间的吸引力电子与感生电荷之间的吸引力该电子与位于该电子与位于-x-x处相等正电荷之间的力处相等正电荷之间的力 镜象电荷镜象电
15、荷 镜象力镜象力 一个电子从无穷远移到一个电子从无穷远移到x x点过程中所作的功：点过程中所作的功： 相当于距金属表面相当于距金属表面x x 处的一个电子势能。处的一个电子势能。 外加电场外加电场E E，总势能：，总势能： 电场电场 真空介电真空介电 常数常数 27 肖特基势垒降低量肖特基势垒降低量 : : 势垒降低所在的位置势垒降低所在的位置 ： 在高电场下，在高电场下， 肖特基势垒大肖特基势垒大 大降低。大降低。 对于金属对于金属- -半导体系统，半导体系统， 将原势垒近似为线性，则界面附近导带底势能曲线：将原势垒近似为线性，则界面附近导带底势能曲线： 电场用界面处的最大电场代替，介电常数用电场用界面处的最大电场代替，介电常数用 s s 代替。代替。 28 在在Au-Au-SiSi二极管内实测势垒二极管内实测势垒
