第八章 半導(dǎo)體其它接觸

第八章半導(dǎo)體的其它接觸§8.1金屬和半導(dǎo)體的接觸§8.2半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)§8.3半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)

一、功函數(shù)金屬的功函數(shù)金屬的功函數(shù)表示一個(gè)起始能量等于費(fèi)米能級(jí)的電子，由金屬內(nèi)部逸出到真空中所需要的最小能量。表示束縛的強(qiáng)弱。約為幾個(gè)eV。E0(EF)mWmE0為真空中電子的能量，又稱為真空能級(jí)。8.1金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬中的電子勢阱金屬內(nèi)部的電子是在一個(gè)勢阱中運(yùn)動(dòng)。半導(dǎo)體的功函數(shù)WsEc(EF)sEvE0χWs表示要使半導(dǎo)體導(dǎo)帶底的電子逸出體外所需要的最小能量。En電子親合能與雜質(zhì)濃度有關(guān)。半導(dǎo)體的功函數(shù)對于同一種半導(dǎo)體材料，p型的Ws比n型的大。半導(dǎo)體的功函數(shù)與雜質(zhì)濃度有關(guān)。二、金屬-半導(dǎo)體接觸當(dāng)兩種不同的物體相互電接觸時(shí)，兩者構(gòu)成了一個(gè)系統(tǒng)。對于處于平衡態(tài)的系統(tǒng)來說，要求各自的化學(xué)勢（費(fèi)米能級(jí)）相同。由于費(fèi)米能級(jí)代表電子的填充情況，所以費(fèi)米能級(jí)的變化必定引起電子在兩個(gè)物體之間的流動(dòng)?；蛘哒f，由于原先兩種物質(zhì)內(nèi)的傳導(dǎo)電子能量不同（即費(fèi)米能級(jí)不同），因此，接觸后電子從能量高的一方流到能量低的一方，流出的一方能量降低，最后兩者的費(fèi)米能級(jí)達(dá)到一致。金-半接觸概況金屬—半導(dǎo)體接觸后兩者的費(fèi)米能級(jí)相同，接觸電勢差等于兩者的功函數(shù)差。由于半導(dǎo)體內(nèi)載流子濃度較小，因此半導(dǎo)體表面區(qū)域附近存在一個(gè)空間電荷區(qū)。由于空間電荷區(qū)的存在，在金屬與半導(dǎo)體之間有一個(gè)自建電場。由于金屬側(cè)的空間電荷層實(shí)際上只有最外一層原子，所以接觸電勢差主要落在半導(dǎo)體一側(cè)。空間電荷區(qū)內(nèi)各處電勢不同，因此電子能級(jí)隨空間位置變化，即能帶彎曲。由于接觸前半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)比金屬的高，則接觸后電子從半導(dǎo)體流向金屬。因此平衡時(shí)，金屬表面帶負(fù)電而半導(dǎo)體表面帶正電，電場方向從半導(dǎo)體指向金屬，因此由半導(dǎo)體表面向體內(nèi)電勢升高，相應(yīng)的半導(dǎo)體表面電子能帶較體內(nèi)的高。對于n型半導(dǎo)體，表面電子濃度比體內(nèi)的低，所以稱為耗盡層，但對p型半導(dǎo)體來說，表面空穴濃度比體內(nèi)高，所以稱為積累層。Ws<Wm的情況半導(dǎo)體中的電子金屬—+Ws<Wm的情況n型:正電荷來源－電離施主勢壘區(qū)高阻，稱為阻擋層導(dǎo)帶底電子向金屬運(yùn)動(dòng)時(shí)必須越過的勢壘的高度：qVD=Wm-Ws金屬一邊的電子運(yùn)動(dòng)到半導(dǎo)體一邊也需要越過的勢壘高度：Ws<Wm的情況WmWsEFsEFmEvEcE0接觸后：xDEcEFEvp型:正電荷來源－積累的空穴表面形成高電導(dǎo)的p型反阻擋層接觸后電子從金屬流入半導(dǎo)體，所以金屬表面帶正電，半導(dǎo)體表面帶負(fù)電。自建電場方向?yàn)榻饘俚桨雽?dǎo)體體內(nèi)，因此半導(dǎo)體表面電勢較體內(nèi)的高，相應(yīng)表面的電子能帶較體內(nèi)的低。對于n型半導(dǎo)體，表面電子濃度較高，為積累層，對p型半導(dǎo)體，空穴濃度較體內(nèi)的低，為耗盡層。負(fù)電荷的來源：對于n型，負(fù)電荷來源于導(dǎo)帶電子的增加，而對于p型，負(fù)電荷來自電離的受主離子。Ws>Wm的情況半導(dǎo)體金屬中的電子—+Ws>Wm的情況WsWmEvEcE0EFmEFsn型:形成電子反阻擋層Ws>Wm的情況EFmEFsWsWmEvEcE0qVD=Ws-WmxDEFEvEcp型:形成p型阻擋層三、金屬-半導(dǎo)體接觸的整流現(xiàn)象整流：單向?qū)щ娮钃鯇泳哂姓髯饔谩Ｓ捎诳臻g電荷區(qū)內(nèi)載流子濃度較小，外加電壓基本上降落在半導(dǎo)體的表面層上。

正向偏壓：以n型阻擋層為例金屬加正壓，半導(dǎo)體加負(fù)壓；半導(dǎo)體體內(nèi)的費(fèi)米能級(jí)相對金屬中的向上移動(dòng)qV，接觸電勢差減小相應(yīng)的值。電子從半導(dǎo)體向金屬的運(yùn)動(dòng)變得較為容易，而金屬向半導(dǎo)體的勢壘高度沒有變化，故電子從金屬流向半導(dǎo)體的流密度不變。有凈電子流，方向從半導(dǎo)體到金屬，由n型半導(dǎo)體中多子構(gòu)成。因此電流方向?yàn)榻饘俚桨雽?dǎo)體。q[VD-V]qVxdEF反向偏壓：以n型阻擋層為例EFq[VD-V]q（-V）xd加上反向電壓(金屬一邊為負(fù))金屬到半導(dǎo)體的電子流占優(yōu)勢。由于金屬中的電子要越過相當(dāng)高的勢壘qns才能到達(dá)半導(dǎo)體中，因此反向電流很小。另外，qns不隨外加電壓變化，因此從金屬到半導(dǎo)體的電子流是恒定的。當(dāng)反向電壓提高，使得從半導(dǎo)體到金屬的電子流可以忽略不計(jì)時(shí)，反向電流趨向飽和值。四、伏安特性對于n型阻擋層，當(dāng)勢壘寬度xd>>電子的平均自由程，電子通過勢壘區(qū)要發(fā)生多次碰撞，這樣的阻擋層稱為厚阻擋層?？梢杂脭U(kuò)散理論計(jì)算通過厚阻擋層的電流密度。要同時(shí)考慮漂移和擴(kuò)散。結(jié)合一定的理想化的邊界條件。擴(kuò)散理論隨電壓變化，并不飽和四、伏安特性熱電子發(fā)射理論當(dāng)阻擋層寬度xd<<電子平均自由程時(shí)，電子在勢壘區(qū)的碰撞可以忽略，因此，這時(shí)勢壘的形狀并不重要，起決定作用的是勢壘高度。當(dāng)電子的動(dòng)能超過勢壘頂部時(shí)，電子可以自由越過勢壘進(jìn)入另一邊。這就是熱電子發(fā)射理論。以n型阻擋層為例。假設(shè)勢壘高度q(VD-V)>>kT,因此通過勢壘的電子數(shù)所占份額很小。因此半導(dǎo)體內(nèi)的電子濃度視為常數(shù)。假設(shè)非簡并。半導(dǎo)體內(nèi)單位體積內(nèi)能量在E~E+dE范圍內(nèi)的電子數(shù)：在速度空間來討論問題單位面積上，單位時(shí)間內(nèi)，對于上述速度范圍內(nèi)的電子，可以通過金屬－半導(dǎo)體界面的電子數(shù)為對vx的要求從金屬到半導(dǎo)體的勢壘高度不隨外界偏壓變化，因此從金屬流向半導(dǎo)體的電流不隨外加電壓變化。所以流過金-半接觸的總電流為反向飽和電流與外加電壓無關(guān)，但更強(qiáng)烈地依賴于溫度。Ge、Si、GaAs室溫下有相對較高的遷移率，這些半導(dǎo)體材料與金屬形成的肖特基勢壘中的電流輸運(yùn)機(jī)制，主要是多子的熱電子發(fā)射。對氧化亞銅等半導(dǎo)體，載流子遷移率小，擴(kuò)散理論是適用的。五、金屬-半導(dǎo)體歐姆接觸金屬與半導(dǎo)體接觸時(shí)還可以形成非整流接觸，即歐姆接觸。歐姆接觸：不產(chǎn)生明顯的附加阻抗，而且不會(huì)使半導(dǎo)體內(nèi)部的平衡載流子濃度發(fā)生顯著的改變。從電學(xué)上講，理想歐姆接觸的接觸電阻與半導(dǎo)體樣品或器件相比應(yīng)當(dāng)很小，當(dāng)有電流流過時(shí)，歐姆接觸上的電壓降應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)小于樣品或器件本身的壓降，這種接觸不影響器件的電流—電壓特性。歐姆接觸的重要應(yīng)用：制作電極，以輸入或輸出電流。

若不考慮表面態(tài)的影響，金屬和半導(dǎo)體的理想接觸可以形成反阻擋層，它沒有整流作用。這樣看來，選用適當(dāng)?shù)慕饘俨摹ち?，就有可能得到歐姆接觸。然而，Ge、Si、GaAs這些最常用的半導(dǎo)體材料，一般都有很高的表面態(tài)密度。無論是n型材料或p型材料與金屬接觸都形成勢壘，而與金屬功函數(shù)關(guān)系不大。因此，不能用選擇金屬材料的辦法來獲得歐姆接觸。目前，主要利用隧道效應(yīng)的原理在半導(dǎo)體上制造歐姆接觸。實(shí)現(xiàn)歐姆接觸前面談到，重?fù)诫s的pn結(jié)可以產(chǎn)生顯著的隧道電流。金屬和半導(dǎo)體接觸時(shí)，如果半導(dǎo)體摻雜濃度很高，則勢壘區(qū)寬度變得很薄，電子也要通過隧道效應(yīng)貫穿勢壘產(chǎn)生相當(dāng)大的隧道電流，甚至超過熱電子發(fā)射電流而成為電流的主要成分。當(dāng)隧道電流占主導(dǎo)地位時(shí)，它的接觸電阻可以很小，可以用作歐姆接觸。因之，半導(dǎo)體重?fù)诫s時(shí)，它與金屬的接觸可以形成接近理想的歐姆接觸。常用方法：在n型或p型半導(dǎo)體上制作一層重?fù)诫s區(qū)后再與金屬接觸，形成金屬-n+n或金屬-p+p結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)歐姆接觸MIS:Metal-Insulator-SemiconductorMOS:Metal-Oxide-Semiconductor8.2半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)許多半導(dǎo)體器件的特性都和半導(dǎo)體的表面性質(zhì)有密切關(guān)系。在某些情況下，往往不是半導(dǎo)體的體內(nèi)效應(yīng)，而是其表面效應(yīng)支配著半導(dǎo)體器件的特性。例如MOS器件、電荷耦合器件、表面發(fā)光器件等，就是利用半導(dǎo)體表面效應(yīng)制成的。一、表面態(tài)1932年達(dá)姆首先提出：晶體自由表面的存在，使其周期場在表面處發(fā)生中斷，會(huì)引起附加能級(jí)，即達(dá)姆表面能級(jí)?？梢宰C明(如利用半無限克龍尼克－潘納模型），每個(gè)表面原子對應(yīng)禁帶中的一個(gè)表面能級(jí)，這些表面能級(jí)組成表面能帶。也可以從化學(xué)鍵的角度來看。以硅為例。表面的硅原子有一個(gè)未配對的電子，即有一個(gè)未飽和的鍵，稱為懸掛鍵，與之對應(yīng)的電子能態(tài)就是表面態(tài)。實(shí)際表面：表面原子的排列結(jié)構(gòu)發(fā)生變化；表面附著原子或分子。主要是氧原子。硅表面被氧化后，由于表面覆蓋了一層SiO2層，使硅表面的懸掛鍵大部分被SiO2層的O原子所飽和，表面態(tài)密度大大降低。由于懸掛鍵的存在，表面可以與體內(nèi)交換電子或空穴。表面帶電后，可能在表面附近形成耗盡層甚至形成反型層。二、表面電場效應(yīng)討論外加電場作用下，半導(dǎo)體表面層內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象。利用MIS裝置研究表面電場效應(yīng)。金屬與半導(dǎo)體間加電壓時(shí)即可產(chǎn)生表面電場。先考慮理想情況。（1）Wm=Ws；（2）絕緣層內(nèi)無電荷,且絕緣層完全不導(dǎo)電；（3）絕緣層與半導(dǎo)體界面處不存在任何界面態(tài)。在金屬板與半導(dǎo)體之間加一電場，電力線由金屬到半導(dǎo)體表面。沒有外場時(shí)，半導(dǎo)體表面不帶電荷。加上外場時(shí)，由于感應(yīng)，在半導(dǎo)體表面感生出電荷，其總量等于金屬板上的電荷，類似與平板電容器。金屬的傳導(dǎo)電子密度很高，電荷集中在表面極薄的一層內(nèi)，大約為0.1納米的量級(jí)。半導(dǎo)體的載流子密度較低，一般比金屬中的自由電子密度低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此半導(dǎo)體內(nèi)在靠近表面的一定深度內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)空間電荷區(qū)，厚度一般為幾百埃至幾千埃甚至更大。(1)空間電荷層及表面勢空間電荷區(qū)的存在，使得半導(dǎo)體內(nèi)有電場存在，所以相應(yīng)的產(chǎn)生一個(gè)電勢分布。這個(gè)電勢的存在使得能帶發(fā)生彎曲。常稱空間電荷區(qū)兩端的電勢差為表面勢。由于半導(dǎo)體與金屬處于電連接狀態(tài)，所以平衡時(shí)兩者的費(fèi)米能級(jí)應(yīng)該相同，因此對空間電荷區(qū)內(nèi)的電子來說，導(dǎo)帶底及價(jià)帶頂與費(fèi)米能級(jí)的位置必然發(fā)生變化。由于費(fèi)米能級(jí)相對位置變化，必然導(dǎo)致空間電荷區(qū)的載流子濃度發(fā)生變化。空間電荷區(qū)表面勢及空間電荷區(qū)內(nèi)電荷的分布情況隨金屬與半導(dǎo)體間所加的電壓VG而變化，基本上可歸納為堆積、耗盡和反型三種情況。VG=0時(shí),理想MIS結(jié)構(gòu)的能帶圖EiEvEcEFsEFm多子堆積狀態(tài)表面勢Vs為負(fù)值，表面處能帶向上彎曲。隨著向表面接近，價(jià)帶頂將逐漸移近甚至高過費(fèi)米能級(jí)，價(jià)帶中空穴濃度隨之增加。多子（空穴）在半導(dǎo)體表面層堆積，堆積的空穴分布在靠近表面的薄層內(nèi)。

EFmEFsEcEvQsxVG<0Qm多子耗盡狀態(tài)表面勢Vs為正值，表面處能帶向下彎曲。越接近表面，價(jià)帶頂將逐漸遠(yuǎn)離費(fèi)米能級(jí)，價(jià)帶中空穴濃度隨之降低。當(dāng)VG比較大時(shí)，表面處的空穴濃度比體內(nèi)低得多，表面層的負(fù)電荷基本上等于電離受主雜質(zhì)濃度。表面層的這種狀態(tài)稱為耗盡。EFmEFsEcEiVG>0QsxEvQm少子反型狀態(tài)如果VG（>0）進(jìn)一步增大，表面處能帶相對體內(nèi)進(jìn)一步向下彎曲。表面處費(fèi)米能級(jí)可能高于Ei，即電子濃度超過空穴濃度，即形成反型層。反型層和半導(dǎo)體內(nèi)部之間還夾著一層耗盡層。這種情況下，空間電荷層內(nèi)負(fù)電荷由兩部分組成。泊松方程(2)空間電荷層的電場、電勢和電容在表面處：表面處的電場強(qiáng)度高斯定理表面層電荷面密度表面層電容(a)多子堆積時(shí)：Vs<0，Qs>0以p型半導(dǎo)體為例。當(dāng)-Vs足夠大時(shí)，有Vs(b)平帶：Vs=0泰勒展開（c）耗盡：Vs>0VG>0但表面處還沒有出現(xiàn)反型Vs(d)反型狀態(tài)隨著VG（>0）增大，表面處Ei將下降到EF以下，即出現(xiàn)反型層。反型狀態(tài)可分為強(qiáng)反型和弱反型兩種情況，以表面處電子濃度ns是否超過體內(nèi)多子濃度pp0來分。強(qiáng)反型的條件：發(fā)生強(qiáng)反型的臨界條件：表面反型條件qVBqVs可見，襯底雜質(zhì)濃度越高，越不容易達(dá)到強(qiáng)反型。開啟電壓VT：使半導(dǎo)體表面達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)加在金屬電極上的柵電壓。即當(dāng)Vs=2VB時(shí)，VG=VT。臨界強(qiáng)反型時(shí)：當(dāng)時(shí)得到的Es,Qs的表達(dá)式也與耗盡狀態(tài)時(shí)一致。強(qiáng)反型后：Vs>>VB，且qVs>>k0T時(shí)Vs一旦出現(xiàn)強(qiáng)反型，耗盡層寬度就達(dá)到一個(gè)極大值，不再隨外加電壓的增加而增大。這是因?yàn)榉葱蛯又蟹e累的電子屏蔽了外電場的作用。耗盡層寬度極大值為：以上所討論的都是空間電荷層的平衡狀態(tài)，即假設(shè)金屬與半導(dǎo)體間所加的電壓VG不變，或者變化速率很慢以至表面空間電荷層中載流子濃度能跟上偏壓VG變化的狀態(tài)。以下將討論一種稱為深耗盡的非平衡狀態(tài)。以p型半導(dǎo)體為例，如在金屬與半導(dǎo)體間加一脈沖階躍或高頻正弦波形成的正電壓時(shí)，由于空間電荷層內(nèi)的少數(shù)載流子的產(chǎn)生速率趕不上電壓的變化，反型層來不及建立，只有靠耗盡層延伸向半導(dǎo)體內(nèi)深處而產(chǎn)生大量受主負(fù)電荷以滿足電中性條件。因此，這種情況時(shí)耗盡層的寬度很大，可遠(yuǎn)大于強(qiáng)反型的最大耗盡層寬度，且其寬度隨電壓VG幅度的增大而增大，這種狀態(tài)稱為深耗盡狀態(tài)。深耗盡狀態(tài)在實(shí)際中經(jīng)常遇到。例如，在用非平衡電容—電壓法測量雜質(zhì)濃度分布剖面時(shí)，半導(dǎo)體表面就處于這種狀態(tài)。此外，電荷耦合器件(CCD)也工作在表面深耗盡狀態(tài)。(e)深耗盡狀態(tài)仍以p型襯底為例，設(shè)在金屬與半導(dǎo)體間加一大的階躍正電壓，開始，表面層處于深耗盡狀態(tài)。由于深耗盡下耗盡層中少數(shù)載流子濃度遠(yuǎn)低于平衡濃度，故產(chǎn)生率大于復(fù)合率。耗盡層內(nèi)產(chǎn)生的電子－空穴對在層內(nèi)電場作用下，電子向表面運(yùn)動(dòng)而形成反型層，空穴向體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，到達(dá)耗盡層邊緣與帶負(fù)電荷的電離受主中和而使耗盡層減薄。隨著時(shí)間的推移，反型層中少數(shù)載流子的積累逐漸增加，而耗盡層寬度則逐漸減小，最后過渡到平衡的反型狀態(tài)。在這一過程中，耗盡層寬度從深耗盡狀態(tài)開始時(shí)的最大值逐漸減小到強(qiáng)反型的最大耗盡層寬度xdm。深耗盡狀態(tài)向平衡反型狀態(tài)的過渡過程初始的深耗盡層寬度為xd0，耗盡層內(nèi)少數(shù)載流子凈產(chǎn)生率為G，有:間接躍遷：G=ni／2，為少數(shù)載流子平均壽命。有一般情況下，=10-5～10-4

s，NA／ni=105～106，因此

th＝100～102s可見，反型層的建立并不是一個(gè)很快的過程。根據(jù)熱弛豫時(shí)間，可以估計(jì)發(fā)生深耗盡的條件。此外在CCD器件中“電荷包”從開始的勢阱傳遞到最后勢阱也是在這個(gè)時(shí)間內(nèi)完成的。從初始的深耗盡狀態(tài)過渡到熱平衡反型層狀態(tài)所經(jīng)歷的時(shí)間:熱弛豫時(shí)間th三、CCD工作原理對于各種類型的攝象管，靶面的光敏材料把來自景物的光學(xué)象轉(zhuǎn)變成電學(xué)象（二維圖像），即靶面上各點(diǎn)的電位高低與景物上各點(diǎn)出射光的強(qiáng)弱一一對應(yīng)。在象的讀出過程中，用電子束順次地對靶面各象元取樣，將靶面上的二維電位分布轉(zhuǎn)變成僅隨時(shí)間變化的、即一維的電信號(hào)輸送出去（稱為視頻信號(hào)）。顯示過程則與此相反。如果能制造出一種可以替代電子束，執(zhí)行讀出過程的某些特殊結(jié)構(gòu)或電路，就能得到不需要電子管而成象的全固態(tài)成象器件。電荷耦合器件（CCD）就是一種固態(tài)成象器件。1970年，美國貝爾電話實(shí)驗(yàn)室發(fā)表了電荷耦合器件(CCD)原理，這是光電成像器件領(lǐng)域的一次革命。CCD攝像器件的優(yōu)點(diǎn)：采用自掃描輸出方式、體積更小，靈敏度更高，響應(yīng)速度更高、功耗很低。成象CCD器件的結(jié)構(gòu)框圖

光敏區(qū)和轉(zhuǎn)移存儲(chǔ)區(qū)的基本構(gòu)成單元都是MOS電容。

MOS電容（a）n溝（b）p溝在氧化層上鍍薄的金屬電極（作光敏元用的MOS電容，此金屬電極用透明的多晶硅代替），通常稱之為柵極。MOS電容當(dāng)VG>VT，剛加階躍正壓時(shí)，處于深耗盡狀態(tài)。這時(shí)如果周圍存在電子，將迅速聚集到電極下的半導(dǎo)體表面處。由于電子在那里的勢能較低，可以形象地說，半導(dǎo)體表面形成了對電子的勢阱?？梢詫葳逑胂癯梢粋€(gè)容器，把聚集在里面的電荷想像成容器中的液體。勢阱積累電子的容量取決于勢阱的“深度”，而表面勢的大小近似與外加?xùn)艍撼烧?。電荷的注入：電荷的定向轉(zhuǎn)移：為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移，首先必須使MOS電容陣列的排列足夠緊密，以致相鄰MOS電容的勢阱相互溝通，即相互耦合。其次根據(jù)加在MOS電容上的電壓愈高，產(chǎn)生的勢阱愈深的原理，通過控制相鄰MOS電容柵極電壓高低來調(diào)節(jié)勢阱深淺，使信號(hào)電荷由勢阱淺的地方流向勢阱深處。電荷的檢測—信號(hào)輸出結(jié)構(gòu)：該輸出結(jié)構(gòu)的作用是將CCD中的信號(hào)電荷變換為電流或電壓輸出，以檢測信號(hào)電荷的大小。每檢測一個(gè)電荷包，在CCD輸出結(jié)構(gòu)的輸出端就得到一個(gè)脈沖，該脈沖的幅度正比于電荷包的大小，這相當(dāng)于信號(hào)電荷對輸出脈沖幅度進(jìn)行調(diào)制?！?.3半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)前面討論的pn結(jié)：通常也稱為同質(zhì)結(jié)。兩種不同半導(dǎo)體單晶材料構(gòu)成的結(jié)稱異質(zhì)結(jié)。1951年概念提出，1957年克羅默指出它比同質(zhì)結(jié)具有更高的注入效率，對異質(zhì)結(jié)的研究才廣泛地受到重視。1960年異質(zhì)結(jié)第一次制造成功，1969第一次制成異質(zhì)結(jié)萊塞二極管。存在兩種類型的異質(zhì)結(jié)，即反型（P-N）異質(zhì)結(jié)和同型（N-N或P-P）異質(zhì)結(jié)。若異質(zhì)結(jié)兩邊材料的導(dǎo)電類型相同，則成為同型異質(zhì)結(jié)，如n-nGe-GaAs,p-pGe-GaAs。

若兩種材料的導(dǎo)電類型不同，則為反型異質(zhì)結(jié)，如p-nGe-GaAs或(p)Ge-(n)GaAs。一般把禁帶寬度小的材料寫在前面，如n-nGe-Si,(n)Ge-(p)GaAs異質(zhì)結(jié)也有突變結(jié)和緩變結(jié)之分，但一般情況下以突變結(jié)居多。先不考慮界面態(tài)的影響。一、半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的能帶圖I、I’、II型異質(zhì)結(jié)I型：窄帶的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂均位于寬帶的禁帶內(nèi)（電子勢阱，空穴勢阱）。I’型：一種材料的導(dǎo)帶底位于另一種材料的禁帶內(nèi)，而價(jià)帶頂則低于另一材料的價(jià)帶頂（電子勢阱、空穴勢壘）。II型：一種材料的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂均低于另一種材料的價(jià)帶底（電子勢阱、空穴勢壘）。注意：間的關(guān)系。突變反型異質(zhì)結(jié)的能帶圖－突變pn異質(zhì)結(jié)

在形成異質(zhì)結(jié)之前，費(fèi)米能級(jí)的位置：將其緊密接觸形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，電子將從n型半導(dǎo)體流向p型半導(dǎo)體，空穴流動(dòng)方向相反，直至兩半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)相等。突變反型異質(zhì)結(jié)的能帶圖－突變pn異質(zhì)結(jié)

結(jié)果在結(jié)的兩邊形成空間電荷區(qū)：n型一邊為正空間電荷區(qū)，p型一邊為負(fù)空間電荷區(qū)。由于不考慮界面態(tài)，勢壘區(qū)中正空間電荷數(shù)＝負(fù)空間電荷數(shù)。形成內(nèi)建電場，空間電荷區(qū)中能帶發(fā)生彎曲。能帶總的彎曲量就是真空電子能級(jí)的彎曲量：VD稱為接觸電勢差或內(nèi)建電勢差。突變反型異質(zhì)結(jié)的能帶圖－突變pn異質(zhì)結(jié)

結(jié)區(qū)能帶的特點(diǎn)：(1)發(fā)生了彎曲。n型的導(dǎo)帶底在交界面處形成一向上的“尖峰”，p型的導(dǎo)帶底在交界面處形成一向下的“凹口”。(2)能帶在交界面處有突變。Ec：導(dǎo)帶階Ev：價(jià)帶階具體例子：突變p-nGe-GaAs異質(zhì)結(jié)

導(dǎo)帶階Ec=0.07eV價(jià)帶階Ev=0.69eV突變同型異質(zhì)結(jié)的能帶圖－突變nn異質(zhì)結(jié)

突變nn異質(zhì)結(jié)：緊密接觸形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，由于禁帶寬度大的n型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)比禁帶寬度小的高，所以電子將從前者向后者流動(dòng)。結(jié)果在禁帶寬度小的n型半導(dǎo)體一邊形成了電子的積累層，而另一邊形成了耗盡層。對于反型異質(zhì)結(jié)，交界面兩邊都成為耗盡層；而在同型異質(zhì)結(jié)中，一般必有一邊成為積累層。界面態(tài)的影響引入界面態(tài)的一個(gè)主要原因：晶格失配對于晶格常數(shù)為a1和a2的兩種材料，晶格失配定義為由于晶格失配，使得界面處產(chǎn)生懸掛鍵，從而引入界面態(tài)。懸掛鍵密度=界面處鍵密度差，即表面能級(jí)與懸掛鍵對應(yīng)的能級(jí)稱為表面態(tài)或界面態(tài)。巴丁極限：(對金剛石結(jié)構(gòu)的晶體)若表面態(tài)密度大于1013cm-2，則表面處的費(fèi)米能級(jí)位于禁帶的1/3處（相對價(jià)帶頂）。對n型半導(dǎo)體，表面態(tài)起受主作用，能帶向上彎曲；對p型半導(dǎo)體，表面態(tài)起施主作用，能帶向下彎曲。界面態(tài)的影響表面態(tài)對異質(zhì)結(jié)能帶的影響當(dāng)表面態(tài)起施主作用時(shí)，異質(zhì)結(jié)能帶圖如上圖所示；當(dāng)表面態(tài)起受主作用時(shí)，異質(zhì)結(jié)能帶圖如下圖所示。pnnppp/nnpnnpppnn二、突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢差及勢壘區(qū)寬度交界面兩邊均為耗盡區(qū)。注意：交界面處電位移連續(xù)。對于突變同型異質(zhì)結(jié)，禁帶寬度小的一側(cè)是積累層，另一側(cè)是耗盡層。處理起來相對麻煩。三、反型異質(zhì)結(jié)的電流電壓特性及注入特性反向勢壘負(fù)反向勢壘（寬帶區(qū)摻雜濃度較高）

如果禁帶寬度大的半導(dǎo)體材料界面處的尖峰低于禁帶寬度小的半導(dǎo)體材料在勢壘區(qū)外的導(dǎo)帶底，則稱該勢壘為負(fù)反向勢壘，其高度為電子勢壘與空穴勢壘的不對稱性不難看出，電子遇到的勢壘高度與空穴遇到的勢壘高度是不一樣的。電子勢壘高度空穴勢壘高度推論：通過勢壘的電流主要是電子流引起的；空穴電流可以忽略。加偏壓后，電子的勢壘高度為伏安特性特點(diǎn)：與同質(zhì)PN結(jié)的公式相似，但飽和電流值不同。正反向勢壘（寬帶區(qū)摻雜濃度較低）如果禁帶寬度大的半導(dǎo)體材料界面處的尖峰低于禁帶寬度小的半導(dǎo)體材料在勢壘區(qū)外的導(dǎo)帶底，則稱該勢壘為正反向勢壘，其高度為正反向勢壘的特點(diǎn)1、由右向左的電子勢壘高度=qVD22、由左向右的電子勢壘高度=DEc-qVD13、空穴勢壘高度=DEv+qVD2，高于電子勢壘高度，空穴電流可以忽略。4、加偏壓后，一部分降落在寬帶區(qū)V2，另一部分降落在窄帶區(qū)V1，因此

由右向左的電子勢壘高度=q(VD2-V2)

由左向右的電子勢壘高度=DEc–q(VD1-V1)無論是正偏還是反偏，電子的運(yùn)動(dòng)都要克服勢壘，但高度不同。因?yàn)閷拵^(qū)摻雜少，因此N型寬帶區(qū)的導(dǎo)帶電子密度較小，因此窄帶p區(qū)向?qū)拵н\(yùn)動(dòng)的電子不能忽略。正向勢壘的I-V特性正向電子電流（Pn）反向電子電流總電流

異質(zhì)結(jié)的I-V特性圖示雙肖特基二極管模型如果表面態(tài)密度大于1013cm-3，則異質(zhì)結(jié)兩邊的能帶向同一方向彎曲，好象形成了兩個(gè)相向放置的肖特基二極管。表面態(tài)密度很高時(shí)的I-V特性從左邊到界面區(qū)，電流從界面區(qū)到右邊，利用j1=j2，V1+V2=V，得實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，飽和區(qū)之間的I-V特性與左式符合得很好。2D電子氣N+GaAspGaAlAs異質(zhì)結(jié)2DEG的特點(diǎn)及用處2DEG在空間上分開了摻雜區(qū)與高載流子濃度區(qū)（調(diào)制摻雜）；在近本征的p型GaAs界面附近有一個(gè)濃度很高的自由電子層；由于雜質(zhì)濃度很低，因此雜質(zhì)散射影響很小，所以2DEG具有很高的載流子遷移率?？梢砸詠碇圃旄哌w移率晶體管(HEMT)和2維電子氣場效應(yīng)管（TEGFET）。無限深一維方勢阱薛定格方程薛定格方程的解0<x<a,V=0，則特征解邊界條件波函數(shù)解波函數(shù)2DEG的能量及狀態(tài)密度K空間，態(tài)密度正比于

換成E空間：2DEG－DOS3D－DOS2DEG的激子能量3D：類氫原子模型2D：2DEG的激子能量是是3D時(shí)的4倍。量子阱及吸收光譜多量子阱與超晶格量子阱：一個(gè)能量比較低厚度足夠薄的區(qū)域，如前面討論的導(dǎo)帶中的下陷區(qū)，通常由2個(gè)勢壘限定。多量子阱：多個(gè)量子阱－勢壘組合。超晶格：許多按周期性排列的量子阱－勢壘組合。多量子阱量子約束：兩種不同的半導(dǎo)體材料做成重復(fù)相間的多層結(jié)構(gòu)，只要兩種材料的能帶結(jié)構(gòu)合適，電子和空穴的運(yùn)動(dòng)將被局限在各自的勢阱中。形成多量子阱的條件：窄帶材料（勢阱）的寬度較小，可以和電子的德布羅意波長相比。寬帶材料（勢壘）的寬度較大，使兩個(gè)相鄰勢阱中的電子波函數(shù)不能互相耦合。能級(jí)分立：阱中電子（或空穴）在垂直于結(jié)平面方向的能量不再連續(xù)，只能取一系列分立的值，它們和勢阱的寬度、深度以及電子和空穴的有效質(zhì)量有關(guān)。勢阱中的電子和空穴在平行于異質(zhì)結(jié)的方向上的運(yùn)動(dòng)是自由的，因而能帶將由一系列的子能級(jí)組成，態(tài)密度和能量的關(guān)系呈臺(tái)階形+尖峰。超晶格晶格常數(shù)超大的人工晶格超晶格：

形成超晶格的條件：

量子阱的數(shù)目很多，一般在50個(gè)以上。

窄帶材料（勢阱）的寬度較小，可以和電子的德布羅意波長相比。

寬帶材料（勢壘）的寬度也較小，使相鄰勢阱中的電子波函數(shù)能夠互相耦合。各量子阱的分立能級(jí)因阱間相互作用而擴(kuò)展成子能帶。但DOS總體形狀與多量子阱仍然相似，但原先的尖峰擴(kuò)展成較寬的峰。

I、I’、II型超晶格I型：窄帶的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂均位于寬帶的禁帶內(nèi)。I’型：一朝材料的導(dǎo)帶底位于另一種材料的禁帶內(nèi)，而價(jià)帶頂則低于另一材料的價(jià)帶頂。II型：一種材料的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂均低于另一種材料的價(jià)帶底。注意：