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1、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。,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，前者厚度只有几个晶格常数大小，而后者可达几个载流子扩散长度。,p-n结的形成过程,当本征半导体的两边分别掺杂不同类型的杂质时，由于浓度差的作用，n区的多数载流子电子和p区的多数载流子空穴分别向p区和n区扩散。这样在p区和n区的分界面附近，n区由于电子扩散到p区而留下不能移动的正离子，p区由于空穴扩散到n区而留下不能移动的负离子。这些不能移动的正负离子在分界面附近形成一个电场E0
2、，称为内置电场。内置电场的方向是从n区指向p区，阻碍着电子和空穴的扩散，它使n区的少数载流子空穴和p区的少数载流子电子分别向p区和n区作漂移运动，,当扩散的载流子数等于漂移的载流子数时，达到了动态平衡。这时在分界面附近形成了稳定的正负离子区，即p-n结，也称为空间电荷区(space charge region)，或耗散区(depletion region)。,空间电荷 空间电荷区,在整个半导体中，在耗散区存在由正离子区指向负离子区的电场，这就使得耗散区出现电势的变化，形成p区和n区之间的电势差V0。n区的电势大于p区的电势。因此，对空穴来说，n区的势能大于p区的势能，形成了一个势垒eV0，这使
3、得空穴只能在p区，不能到达n区。对电子来说，p区的势能大于n区的势能，也形成了一个势垒eV0，使得电子只能在n区，不能到达p区。 整个半导体的能带结构如图所示。这个能带图是以电子能量为参照的。,内建电场 电势差VD,平衡P-N结的能带图,N型、P型半导体的能带图，图中EFn和EFp分别表示N型和P型半导体的费米能级。,EFn高于EFp表明两种半导体中的电子填充能带的水平不同。,当两块半导体结合形成P-N结时，按照费米能级的意义(即电子在不同能态上的填充水平)，电子将从费米能级高的N区流向费米能级低的P区，空穴则从P区流向N区。因而EFn不断下移，而EFp不断上移，直至EFn=EFp。,这时，P
4、-N结中有统一的费米能级EF，P-N结处于平衡状态，其能带图如图所示。 能带相对移动的原因是P-N结空间电荷区中存在内建电场的结果。,由于整个半导体处于平衡状态，因此在半导体内各处的Fermi能级是一样的。可以看到，这时由于势垒的存在，电子和空穴也没有机会复合,如果一个半导体的两端加一个电压，由于电场的作用，使得能带整体沿着电场方向倾斜。电子和空穴的势能也发生变化，电子势能逆着电场方向降低，而空穴势能顺着电场方向降低。所以电子和空穴向两个相反方向移动。,正向偏压,势垒区内载流子浓度很小，电阻很大，势垒区外的P区和N区中载流子浓度很大，电阻很小，所以外加正向偏压基本降落在势垒区。,一、非平衡状态
5、下的pn结 1、外加电压下，pn结势垒的变化及载流子的运动。,P-N结加正向偏压V （即P区接电源正极，N区接负极）,正向偏压在势垒区中产生了与内建电场方向相反的电场，因而减弱了势垒区中的电场强度，这就表明空间电荷相应减少。故势垒区的宽度也减小，同时势垒高度从qVD下降为q(VD-V)。,势垒区电场减弱，破坏了载流子的扩散运动和漂移运动之间的平衡，削弱了漂移运动，使扩散电流大于漂移电流。 所以在加正向偏压时，产生了电子从N区向P区以及空穴从P区到N区的净扩散电流。,由于pn结阻碍多数载流子的定向移动，因此从电路性质看，它是高阻区。如果在半导体两端有外加电压，那么电压基本上都施加在pn结上。现在
6、在半导体加一个电压V，p区结电源正极，n区接负极，形成正向偏置。外加电压基本上都施加在pn结上，这也等于在pn上施加一个外加电场E。外加电场的方向与内置电场E0的方向相反，总电场E0-E比原来的电场小了。这削弱了电子和空穴的势垒，由原来的eV0变为e(V0-V)。同时空间电荷区宽度变窄，由原来的w0变为w。,这就使得n区的电子比较容易克服势垒而扩散到p区，同时p区的空穴也比较容易克服势垒而扩散到n区。这就使得电子和空穴有机会复合产生光子。 当对半导体施加电压时，半导体处于非平衡状态。原则上讲，Fermi能级已无意义。但是，由于外加电压基本上施加在pn结上，p区和n区所受到的影响相对比较小，可以
7、把它们看成处于局部平衡态，各自具有Fermi能级Efp和Efn。当半导体处于平衡状态时，Efp=Efn=Ef。当对半导体施加电压时，Efp和Efn不相等。可以证明，EfpEfn=eV。,不论是n型或p型半导体材料，若Fermi能级都处于禁带中。轻掺杂半导体。 这时在外加电压作用下电子和空穴虽然也能复合产生光子，但是由于载流子浓度有限，形成不了粒子数反转和受激辐射。这种材料只能用于发光二极管。 为了使半导体材料在外界作用下实现粒子数反转，必须对半导体进行重掺杂，使n型的Fermi能级处于导带中，p型的Fermi能级处于价带中。,这时，p区有更多的载流子空穴，n区有更多的载流子电子。当半导体正向偏
8、置时，可以证明：当EfpEfn=eVEg时，就可以实现粒子数反转。,在以上介绍的pn结半导体激光器中，p区和n区是同一种材料，只是掺杂类型不同，因此整个半导体具有相同的禁带宽度。这种半导体激光器存在一个缺点。当半导体激光器正向偏置时，除了在pn结附近电子和空穴复合外，还有一部分电子越过pn结，经过p区扩散到电源正极。同样，还有相等一部分空穴越过pn结，经过n区扩散到电源负极。这部分电子和空穴没有复合产生光子，被浪费掉了。这就降低了半导体激光器的发光效率。 双异质结激光器的两边仍然是相同的材料，只是进行了不同类型的重掺杂，它们的禁带宽度是相同的。但是在它们之间加了一个非常薄的不同半导体材料(0.
9、2mm)，它的禁带宽度要比两边材料小，一般是非掺杂或轻掺杂的。在这里是p型掺杂。这样在pn+结形成很大的势垒，使n+区的电子不能越过它到达中间的p区和左边的p+区。同时在p区和p+区的分界面附近，由于掺杂浓度的差别，使得p+区的价带顶高于p区的价带顶，即在p+区的空穴势能低于p区空穴的势能。这时空穴集中在p+区。即在p区和p+区的分界面附近也形成一个势垒，但这个势垒的高度比pn+结势垒高度小得多。,当半导体激光器正向偏置时，pn+结附近的势垒大大降低，使得电子能够越过势垒进入p区。同时，p区和p+区分界面附近的势垒也有一定程度的降低，使得空穴进入p区。但是，由于p区和两边区域的材料不同，它们的
10、禁带宽度不同，这就使得在p区和p+区分界处导带是不连续的，p+区的导带高于中间p区的导带，相当于在p区和p+区分界处存在一个势垒Ec，使p区的电子不能越过势垒流过p+区到达电源正极。同时，在p区和n+区分界面处价带是不连续的，n+区的价带低于中间p区的价带，这也相当于在p区和n+区分界处存在一个势垒Ev，使p区的空穴不能越过势垒流过n+区到达电源负极。这就把电子和空穴都限制在中间的p区，迫使他们全部地复合产生光子。这就提高了激光器的发光效率。这个限制电子和空穴的区域称为有源区。,采用双异质结结构除了将电子和空穴都限制有源区外，还可以得到另外一个好处。就是可以把激光器发出的光束缚在有源区附近。非
11、常幸运的是，禁带宽度小的材料往往折射率大。这样，半导体结构有源区的折射率要大于两边区域的折射率，光束就被束缚在有源区附近。即，双异质结又起着光波导的作用。 有源区两边的区域也称为包层。这时仍然有一小部分光功率分布在包层中。 采用双异质结还有一个好处，就是避免光子的吸收。由于有源区的带隙宽度要小于两边的带隙宽度，就使得有源区发出的光子能量也小于周围的禁带宽度。这样，在有源区两边传输的一部分光子不足以被吸收。因此，有源区周围对传播的光束是透明的，避免了吸收损耗。,2.1 异质结及其能带图,异质结：两种不同材料之间的界面（广义）。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
12、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（），电子亲和势（），介电常数（）。,同质结：由同种材料构成的结。,异型异质结：p-N； P，N宽带隙材料；p，n窄带隙材料。,功函数：将一个电子从费米能级EF处转移到真空能级所需能量。,电子亲和势：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,电子亲和势,真空能级,一、p-N异质结,作能带图的步骤是： 以同一水平线的真空能级为参考能级，根据各自的、Eg值画出两种半导体材料的能带图，如图2.1-1所示,图2.1-1,两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；
13、 画出空间电荷区（由内建电势可求空间电荷区宽度），值在空间电荷区以外保持各自的值不变； 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）； 而各自的、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。(即：Ec、Ev、Eg、Eg不变),Ev=Ev2-Ev1 =（Eg2+2）-（Eg1+1）=Eg- =Eg-Ec Eg=Ec+Ev,可以看到，导带和价带在异质结界面处是不连续的，界面两边的导带出现明显的“尖峰”和“尖谷”,1=Ev1 - F1， 2 =Ec2 - F2,VD 接触电势差（或内建电势差、扩散电势） VDp、
14、VDN 交界面两侧p型半导体和p型半导体中的内建电势差,eVD=1-2 =F1-F2=e（VDp+VDN）,Ec=1-2 =（2.1-1）,由泊松方程,电荷守恒,Q 势垒区中单位面积上的空间电荷,Cj 单位面积势垒电容,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。,如图 9 一 10 所示，半导体异质 pN 结界面导带连接处存在
15、一势垒尖峰，根据尖峰高低的不同，可以有两种情况。图 9 一 10 ( a ）表示势垒尖峰顶低于 p 区导带底的情况，称为低势垒尖峰情形。在这种情形，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人 p 区，因此异质 Pn 结的电流主要由扩散机制决定，可以由扩散模型处理。图 9 一 10 ( b ）表示势垒尖峰顶较 p 区导带底高的情况，称为高势垒尖峰情形。对于这种情形，如势垒尖峰顶较 p 区导带底高得多，则由 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，故异质结电流主要由电子发射机制决定，计算异质 pN结电流应采用发射模型；,当异质结加正向偏压V时，通
16、过异质结的总电流密度,以下主要讨论低势垒尖峰情形异质 pN结的电流电压特性。,Dn、Lnp型区少数载流子电子的扩散系数、扩散长度 Dp、Lpn型区少数载流子空穴的扩散系数、扩散长度,其中，电子扩散电流密度,空穴扩散电流密度,低势垒尖峰情形时，异质结的电一子流主要由扩散机制决定，可用扩散模型处理，,上两式中，若np0和pn0 在同一数量级，则前面的系数也在同数量级，消去相同因式后，二式所不同的只是,对于由窄禁带 p 型半导体和宽禁带 n 型半导体形成的异质 pN结，Ec和Ev都是正值，一般其值较室温时的 k值0.026eV大得多，故Jn Jp，表明通过结的电流主要由电子电流组成，空穴电流占比很小。,这也可从图9-11中直接看出，由于导带阶Ec的存在，N区电子面临的势垒高度由qVD下降至 qVD -Ec，而空穴所面临的势垒高度由 qVD升高至qVD+Ev，从而导致电子电流大大超过空穴电流。,异质pN结的注入特性,1 异质pN结的高注入比特性,异
