第十四結(jié)異質(zhì)結(jié)

1、第十四節(jié)第十四節(jié) 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)內(nèi)容內(nèi)容n半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的簡(jiǎn)介n異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)n異質(zhì)結(jié)的特性n異質(zhì)結(jié)的應(yīng)用簡(jiǎn)介半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)？半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)？n由兩種不同的半導(dǎo)體材料組成的結(jié)，則稱為異質(zhì)結(jié)。n本章主要討論半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)、異質(zhì)pn結(jié)的電流電壓特性與注入特性及各種半導(dǎo)體量子阱結(jié)構(gòu)及其電子能態(tài)，并簡(jiǎn)單介紹一些應(yīng)用。半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的發(fā)展歷史半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的發(fā)展歷史n1947年，巴丁，布喇頓，肖克萊發(fā)明點(diǎn)接觸晶體管；n1949年，肖克萊提出pn結(jié)理論；n1957年，克羅默（Kroemer）指出導(dǎo)電類型相反的兩種半導(dǎo)體組成的異質(zhì)pn結(jié)比同質(zhì)結(jié)具有更高的注入效率；n1962年，Anderson提出

2、異質(zhì)結(jié)的理論模型；n1968年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室和前蘇聯(lián)的約飛研究所做成GaAs-AlxGa1-xAs異質(zhì)結(jié)激光器；n70年代，液相外延、汽相外延、金屬氧化物化學(xué)汽相沉積和分子束外延技術(shù)的出現(xiàn)，使異質(zhì)結(jié)的生長(zhǎng)技術(shù)趨于完善；半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的分類半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的分類根據(jù)兩種半導(dǎo)體單晶材料的導(dǎo)電類型，異質(zhì)結(jié)又分為以下兩類：n反型異質(zhì)結(jié)，指有導(dǎo)電類型相反的兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料所形成的異質(zhì)結(jié)n同型異質(zhì)結(jié)，指有導(dǎo)電類型相同的兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料所形成的異質(zhì)結(jié)。n異質(zhì)結(jié)也可以分為突變型異質(zhì)結(jié)（過(guò)渡區(qū)幾個(gè)原子層）和緩變形異質(zhì)結(jié)（過(guò)渡區(qū)幾個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度）。內(nèi)容內(nèi)容n半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的簡(jiǎn)介n異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)n異質(zhì)結(jié)的特

3、性n異質(zhì)結(jié)的應(yīng)用簡(jiǎn)介突變型異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)突變型異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)n忽略界面態(tài)影響；n如圖表示兩種不同的半導(dǎo)體材料沒(méi)有形成異質(zhì)結(jié)前的熱平衡能帶圖。有下標(biāo)“1”者為禁帶寬度小的半導(dǎo)體材料的物理參數(shù)，有下標(biāo)“2”者為禁帶寬度大的半導(dǎo)體材料的物理參數(shù)。平衡時(shí)，兩塊半導(dǎo)體有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)因而異質(zhì)結(jié)處于熱平衡狀態(tài)。兩塊半導(dǎo)體材料交界面的兩端形成了空間電荷區(qū)。n型半導(dǎo)體一邊為正空間電荷區(qū)，p型半導(dǎo)體一邊為負(fù)空間電荷區(qū)。正負(fù)空間電荷間產(chǎn)生電場(chǎng)，也稱為內(nèi)建電場(chǎng)，因?yàn)殡妶?chǎng)存在，電子在空間電荷區(qū)中各點(diǎn)有附加電勢(shì)能，1.能帶發(fā)生了彎曲。2.能帶在交界面處不連續(xù)，有一個(gè)突變21FFFEEE則能帶總的彎曲量就是真空電子能

4、級(jí)的彎曲量即 顯然兩種半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底在交界面的處突變 為（導(dǎo)帶階）而價(jià)帶頂?shù)耐蛔儯▋r(jià)帶階） 而且式(9-4)、式(9-5)和式(9-6)對(duì)所有突變異質(zhì)結(jié)普遍適用。21DDDVVV21cE2112ggvEEE(9-5)(9-4)22ggvcEEEE(9-6)1221FFDDDEEqVqVqVp-n-Ge-GaAs異質(zhì)結(jié)的能帶圖異質(zhì)結(jié)的能帶圖突變突變np異質(zhì)結(jié)的能帶圖異質(zhì)結(jié)的能帶圖突變突變nn異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)n 對(duì)于反型異質(zhì)結(jié)，兩種半導(dǎo)體材料的交界面兩邊都成了耗盡層；而在同型異質(zhì)結(jié)中，一般必有一邊成為積累層。突變突變pp異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)n異質(zhì)結(jié)界面，晶格常數(shù)較小的半導(dǎo)體存在一部分的不飽和鍵，稱為懸掛鍵；懸

5、掛鍵產(chǎn)生了界面態(tài)；n懸掛鍵密度為界面兩端鍵密度之差：界面態(tài)的影響界面態(tài)的影響n界面態(tài)形成的主要原因：晶格失配n兩種半導(dǎo)體晶格常數(shù)a1，a2（a1a2），定義晶格失配為：2(a2-a1)/(a2+a1)21sssNNN晶格失配引入懸掛鍵晶格失配引入懸掛鍵n金剛石/纖鋅礦結(jié)構(gòu)：Si，Ge，GaN，AlN，GaAs，ZnO等n金剛石結(jié)構(gòu)界面懸鍵密度：2221212224aaaaNs（110）222121224aaaaNs（100）2221212234aaaaNs（111）與面原子密度差別？表面能級(jí)的作用表面能級(jí)的作用n根據(jù)表面能級(jí)理論計(jì)算求得，當(dāng)金剛石結(jié)構(gòu)的晶體表面能級(jí)密度在1013cm-2以上時(shí)，

6、在表面處的費(fèi)米能級(jí)位于禁帶寬度的1/3處（巴丁極限）n對(duì)于n型半導(dǎo)體，懸掛鍵起受主作用，因此表面能級(jí)向上彎曲。n對(duì)于p型半導(dǎo)體懸掛鍵起施主作用，因此表面能級(jí)向下彎曲。考慮表面能級(jí)的作用時(shí)的能級(jí)圖考慮表面能級(jí)的作用時(shí)的能級(jí)圖n表面態(tài)在界面是普遍存在的，n界面能級(jí)彎曲由a較小的一方?jīng)Q定；n界面形成積累層、耗盡層；施主作用(p型)考慮表面能級(jí)的作用時(shí)的能級(jí)圖考慮表面能級(jí)的作用時(shí)的能級(jí)圖受主作用(n型)內(nèi)容內(nèi)容n半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的簡(jiǎn)介n異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)n異質(zhì)結(jié)的特性n異質(zhì)結(jié)的應(yīng)用簡(jiǎn)介突變異質(zhì)結(jié)的勢(shì)壘高度和突變異質(zhì)結(jié)的勢(shì)壘高度和n以突變pn異質(zhì)結(jié)為例 設(shè)p型和n型半導(dǎo)體中的雜質(zhì)都是均勻分布的，則交界面兩邊的

7、勢(shì)壘區(qū)中的電荷密度可以寫成22201101)(,)(,DAqNxxxxqNxxxx 勢(shì)壘區(qū)總寬度為 勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的正負(fù)電荷總量相等，即 式（9-13）可以化簡(jiǎn)為 設(shè)V(x)代表勢(shì)壘區(qū)中x電的電勢(shì)，則突變反型異質(zhì)結(jié)交界面兩邊的泊松方程分別為： 121002ddxxxxXDQxxqNxxqNDA)()(022101120210ADNNxxxx(9-13)(9-12)(9-14) 由式（9-12）（9-14）得 將上述兩式代入（9-30）得 從而算得勢(shì)壘區(qū)寬度XD為21210)DADDNNXNxx（21A102)DADNNXNxx（221121221212212DADADDADDADNNXNNNNXNN

8、qV21112221221212ADDADDADNNNqNVNNX(9-34)(9-33)(9-35)(9-36) 交VD1與VD2之比為 以上是在沒(méi)有外加電壓的情況下，突變反型異質(zhì)結(jié)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)得到的一些公式。若在異質(zhì)結(jié)上施加外加電壓V?？梢缘玫疆愘|(zhì)結(jié)處于非平衡狀態(tài)時(shí)的一系列公式：112221ADDDNNVV21121221212212DADADDADDADNNXNNNNXNNqVV 21221121221212DADADDADNNNqNVVNNX(9-42)(9-43)(9-41)半導(dǎo)體異質(zhì)半導(dǎo)體異質(zhì)pn結(jié)的電流電壓特性及注入結(jié)的電流電壓特性及注入特性特性n如圖半導(dǎo)體異質(zhì)pn結(jié)界面導(dǎo)帶

9、連接處存在一勢(shì)壘尖峰，根據(jù)尖峰高低的不同有兩種情況。圖a表示勢(shì)壘尖峰低于p區(qū)導(dǎo)帶底的情況，稱為低勢(shì)壘尖峰情況，圖b表示勢(shì)壘尖峰高于p區(qū)導(dǎo)帶底的情況，稱為高勢(shì)壘尖峰情況（熱發(fā)射）。 根據(jù)上述，低尖峰勢(shì)壘情形是異質(zhì)結(jié)的電子流主要由擴(kuò)散機(jī)制決定，可用擴(kuò)散模型處理，如圖9.11中圖a和圖b分別表示其零偏壓時(shí)和正偏壓時(shí)的能帶圖。p型半導(dǎo)體中少數(shù)載流子濃度n10與n型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子濃度的關(guān)系為： 取交界面x=0，當(dāng)異質(zhì)結(jié)加正 向偏壓V時(shí)TkEqVnncD021expTkqVnTkEVVqnxncD01002011expexp(9-59)(9-60) 在穩(wěn)定情況下，p型半導(dǎo)體中注入少數(shù)載流子運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性

10、方程為 其通解為 從而求得電子擴(kuò)散電流密度 011212nnnxndxxndD 1111expexpnnLxBLxAnxn 1exp011011111TkqVLnqDdxnxndqDJnnxxnn(9-62)(9-61) 上式為由n型區(qū)注入p型區(qū)的電子擴(kuò)散電流密度，以下計(jì)算由p型區(qū)注入n型區(qū)的空穴電流密度。從p區(qū)價(jià)帶頂?shù)目昭▌?shì)壘高度為 在熱平衡時(shí)n型半導(dǎo)體中少數(shù)載流子空穴的濃度與p型半導(dǎo)體中的空穴濃度關(guān)系 正向電壓V時(shí)在n區(qū)x=x2處的空穴濃度增加為VVDDEqVEqVqV21TkEqVppVD01020exp(9-63) 從而求得空穴擴(kuò)散電流密度、 由（9-62）（9-65）可得外加電壓，通

11、過(guò)異質(zhì)pn結(jié)的總電流為TkqVpTkEVVqppVD02001020expexp 1exp0220220222TkqVLpqDdxpxpdqDJppxxpp1exp020221011TkqVpLDnLDqJJJppnnnp(9-66)(9-65)(9-64)n異質(zhì)pn（擴(kuò)散）結(jié)n同質(zhì)pn結(jié)：1exp020221011TkqVpLDnLDqJJJppnnnp內(nèi)容內(nèi)容n半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的簡(jiǎn)介n異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)n異質(zhì)結(jié)的特性n異質(zhì)結(jié)的應(yīng)用簡(jiǎn)介異質(zhì)結(jié)的一些特性和應(yīng)用異質(zhì)結(jié)的一些特性和應(yīng)用n注入特性：q高注入比；q超注入現(xiàn)象；n界面二維電子氣；n共振隧穿效應(yīng)；n超晶格結(jié)構(gòu)；1exp)(exp002011Tk

12、qVTkEVqnLqDJCDnnn1exp)(exp001022TkqVTkEVqpLqDJVDppp異質(zhì)異質(zhì)pn結(jié)的注入特性結(jié)的注入特性n異質(zhì)pn結(jié)電子電流與空穴電流的注入比為 TkELnDLnDJJnppnpn011022201exp TkELnDLnDJJnAppDnpn0112221exp1exp)(exp002011TkqVTkEVqnLqDJCDnnn1exp)(exp001022TkqVTkEVqpLqDJVDppp 以寬禁帶n型 和窄禁帶p型GaAs組成的pn結(jié)為例，其禁帶寬度之差 ，設(shè)p區(qū)摻雜濃度為 ，n區(qū)摻雜濃度為 由上式可得 這表明即使禁帶寬n區(qū)摻雜濃度較p區(qū)低近兩個(gè)數(shù)量

13、級(jí)，但注入比仍可高達(dá) ，異質(zhì)pn結(jié)的這一高注入特性是區(qū)別于同質(zhì)pn結(jié)的主要特點(diǎn)之一，也因此得到重要應(yīng)用。 AsGaAl7 . 03 . 0eVE37. 0319102cm317105cm4012104exp TkENNJJADpn4104(9-75)超注入現(xiàn)象超注入現(xiàn)象n超注入現(xiàn)象是指在異質(zhì)pn結(jié)中由寬禁帶半導(dǎo)體注入到窄禁帶半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子濃度可超過(guò)寬帶半導(dǎo)體中多數(shù)載流子濃度，應(yīng)用：半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)激光器應(yīng)用：半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)激光器應(yīng)用：二維電子氣應(yīng)用：二維電子氣n在結(jié)平面上，電子可以自由運(yùn)動(dòng)；在與結(jié)平面垂直的方向上，電子被束縛在界面幾個(gè)到幾十個(gè)原子層的范圍內(nèi)；q高遷移率；q能量量子化；應(yīng)用：應(yīng)用：HEMT（高電子遷移率晶體管）高電子遷移率晶體管）nGaN-AlGaN器件q高遷移率；寬禁帶；高熱導(dǎo)率和擊穿電壓；q大功率微波器件；量子霍爾效應(yīng)量子霍爾效應(yīng)nRH=h/ie2 i為整數(shù)半導(dǎo)體超晶格半導(dǎo)體超晶格n 半導(dǎo)體超晶格是指有交替生長(zhǎng)兩種半導(dǎo)體材料薄層組成的一維周期性結(jié)構(gòu)，而其