第九章 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)

1、第第 九九 章章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的組成與生長(zhǎng)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的組成與生長(zhǎng)Part 1第九章第九章 9.1 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的一般性質(zhì)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的一般性質(zhì)9.2 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)9.3 異質(zhì)異質(zhì)PN結(jié)的注入特性結(jié)的注入特性9.4 理想突變異質(zhì)結(jié)的伏安特性理想突變異質(zhì)結(jié)的伏安特性 9.1 9.1 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的一般性質(zhì)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的一般性質(zhì) 由由兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料形成的兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料形成的PNPN結(jié)結(jié)稱為稱為異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)。 19511951年由年由GubanovGubanov首先提出了異質(zhì)結(jié)的概念；首先提出了異質(zhì)結(jié)的概念； 1957 1957年克羅默得到了年克羅默

2、得到了“導(dǎo)電類型相反的兩種不同的半導(dǎo)導(dǎo)電類型相反的兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料制成的異質(zhì)結(jié)，比同質(zhì)結(jié)具有更高的注入效率。體單晶材料制成的異質(zhì)結(jié)，比同質(zhì)結(jié)具有更高的注入效率。” ”這一重要結(jié)論。這一重要結(jié)論。 19601960年年IBMIBM公司利用公司利用汽相外延生長(zhǎng)技術(shù)汽相外延生長(zhǎng)技術(shù)成功地實(shí)現(xiàn)了異質(zhì)成功地實(shí)現(xiàn)了異質(zhì)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 19691969年人類制備出了第一支年人類制備出了第一支異質(zhì)結(jié)激光二極管異質(zhì)結(jié)激光二極管。(1)(1)反型異質(zhì)結(jié)反型異質(zhì)結(jié)(2)(2)同型異質(zhì)結(jié)同型異質(zhì)結(jié) 由導(dǎo)電類型相反的兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料形成的異質(zhì)結(jié)稱為反型異質(zhì)結(jié)。 如：P型Ge與N型GaAs構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)，記為

3、p-n Ge-GaAs或(p)Ge-(n)GaAs 由導(dǎo)電類型相同的兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料形成的異質(zhì)結(jié)稱為同型異質(zhì)結(jié)。 如：n型Ge與n型GaAs所形成的結(jié)，記為n-n Ge-GaAs或(n)Ge-(n)GaAs一、異質(zhì)結(jié)的分類一、異質(zhì)結(jié)的分類1. 1. 按兩種材料導(dǎo)電類型的不同來(lái)分：按兩種材料導(dǎo)電類型的不同來(lái)分：一、異質(zhì)結(jié)的分類一、異質(zhì)結(jié)的分類（1）I 型異質(zhì)結(jié)：型異質(zhì)結(jié)：禁帶寬度小的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂均處于寬禁帶半導(dǎo)體材料的禁帶內(nèi)。 （2） I 型異質(zhì)結(jié)：型異質(zhì)結(jié)：兩種半導(dǎo)體材料的禁帶相互交錯(cuò)。 （3）型異質(zhì)結(jié)：型異質(zhì)結(jié)：兩種半導(dǎo)體材料的禁帶完全錯(cuò)開(kāi)。2. 2. 按兩種材料能帶的

4、相對(duì)位置來(lái)分：按兩種材料能帶的相對(duì)位置來(lái)分：一、異質(zhì)結(jié)的分類一、異質(zhì)結(jié)的分類（1 1）突變型異質(zhì)結(jié)：）突變型異質(zhì)結(jié)： 從一種半導(dǎo)體材料向另一種半導(dǎo)體材料的過(guò)渡只發(fā)生在幾個(gè)原從一種半導(dǎo)體材料向另一種半導(dǎo)體材料的過(guò)渡只發(fā)生在幾個(gè)原子距離范圍內(nèi)。子距離范圍內(nèi)。（2 2）緩變型異質(zhì)結(jié)：）緩變型異質(zhì)結(jié)： 從一種半導(dǎo)體材料向另一種半導(dǎo)體材料的過(guò)渡發(fā)生于幾個(gè)擴(kuò)散從一種半導(dǎo)體材料向另一種半導(dǎo)體材料的過(guò)渡發(fā)生于幾個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度范圍內(nèi)。長(zhǎng)度范圍內(nèi)。 3. 3. 按從一種材料向另一種材料過(guò)渡的變化程度來(lái)分：按從一種材料向另一種材料過(guò)渡的變化程度來(lái)分：二、異質(zhì)結(jié)的組成二、異質(zhì)結(jié)的組成1 1、元素半導(dǎo)體：、元素半導(dǎo)體：Ge

5、Ge、SiSi；2 2、-族族半導(dǎo)體半導(dǎo)體：GaAsGaAs、AlAsAlAs、InAsInAs、GaPGaP、InPInP、GaSbGaSb、InSbInSb、AlSb AlSb 等立方系閃鋅礦；等立方系閃鋅礦； -族氮化物：族氮化物：BNBN、GaNGaN、InNInN、AlN AlN 等六方晶系；等六方晶系；3 3、-族半導(dǎo)體：族半導(dǎo)體：CdTeCdTe、HgTeHgTe、ZnTeZnTe、ZnSeZnSe、CdSCdS、ZnSZnS、CdS CdS 等閃鋅礦；等閃鋅礦；4 4、-族半導(dǎo)體：族半導(dǎo)體：PbTePbTe、SnTeSnTe等等NaClNaCl結(jié)構(gòu)（離子晶體）；結(jié)構(gòu)（離子晶體）

6、；5 5、氧化物半導(dǎo)體：、氧化物半導(dǎo)體：ZnOZnO。三、異質(zhì)結(jié)的生長(zhǎng)技術(shù)三、異質(zhì)結(jié)的生長(zhǎng)技術(shù)1.1.液相外延技術(shù)（液相外延技術(shù)（LPELPE）2.2.汽相外延技術(shù)（汽相外延技術(shù)（VPEVPE）3.3.金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積技術(shù)（金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積技術(shù)（MOCVDMOCVD）4.4.分子束外延技術(shù)（分子束外延技術(shù)（MBEMBE）9.2 9.2 異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)概述概述 當(dāng)兩種半導(dǎo)體材料接觸在一起形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，異質(zhì)結(jié)兩邊的費(fèi)米能級(jí)要當(dāng)兩種半導(dǎo)體材料接觸在一起形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，異質(zhì)結(jié)兩邊的費(fèi)米能級(jí)要趨于一致，引起電荷的流動(dòng)，導(dǎo)致在界面附近形成空間電荷區(qū)、內(nèi)建電場(chǎng)，趨于一致，引起電荷的流

7、動(dòng)，導(dǎo)致在界面附近形成空間電荷區(qū)、內(nèi)建電場(chǎng)，由于結(jié)兩邊材料不同，特別是兩邊材料介電常數(shù)的不同，導(dǎo)致在異質(zhì)結(jié)的界由于結(jié)兩邊材料不同，特別是兩邊材料介電常數(shù)的不同，導(dǎo)致在異質(zhì)結(jié)的界面處盡管電通量是連續(xù)的，但場(chǎng)強(qiáng)一般不連續(xù)，形成界面處電場(chǎng)和電勢(shì)的突面處盡管電通量是連續(xù)的，但場(chǎng)強(qiáng)一般不連續(xù)，形成界面處電場(chǎng)和電勢(shì)的突變。變。概述概述 由于電勢(shì)的不連續(xù)以及禁帶寬度的不一致，使得異質(zhì)結(jié)界面附近的能由于電勢(shì)的不連續(xù)以及禁帶寬度的不一致，使得異質(zhì)結(jié)界面附近的能帶產(chǎn)生突變，即產(chǎn)生了帶產(chǎn)生突變，即產(chǎn)生了“尖峰尖峰”、“凹口凹口”（或下陷）一些與同質(zhì)結(jié)不同（或下陷）一些與同質(zhì)結(jié)不同的情況，這些將嚴(yán)重地影響載流子的運(yùn)動(dòng)

8、，使得異質(zhì)結(jié)具有一些同質(zhì)結(jié)所的情況，這些將嚴(yán)重地影響載流子的運(yùn)動(dòng)，使得異質(zhì)結(jié)具有一些同質(zhì)結(jié)所沒(méi)有的特性。沒(méi)有的特性。 一、不考慮界面態(tài)一、不考慮界面態(tài)1 1、突變反型異質(zhì)結(jié)、突變反型異質(zhì)結(jié) 一個(gè)一個(gè)P型型A材料和一個(gè)材料和一個(gè)n型型B材料形成的異質(zhì)結(jié)。材料形成的異質(zhì)結(jié)。A、B兩材料在未形成異質(zhì)結(jié)前的熱平衡能帶圖如下圖所示：兩材料在未形成異質(zhì)結(jié)前的熱平衡能帶圖如下圖所示： 下標(biāo)為下標(biāo)為1 1的參數(shù)為禁帶寬度小的半導(dǎo)體材料的物理參數(shù)；的參數(shù)為禁帶寬度小的半導(dǎo)體材料的物理參數(shù)； 下標(biāo)為下標(biāo)為2 2的參數(shù)為禁帶寬度大的半導(dǎo)體材料的物理參數(shù)。的參數(shù)為禁帶寬度大的半導(dǎo)體材料的物理參數(shù)。一、不考慮界面態(tài)一、

9、不考慮界面態(tài) 形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，由于形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，由于n n型半導(dǎo)體（型半導(dǎo)體（B B材料）的費(fèi)米能級(jí)高于材料）的費(fèi)米能級(jí)高于P P型半導(dǎo)體（型半導(dǎo)體（A A材材料），因此電子從料），因此電子從n n型半導(dǎo)體流向型半導(dǎo)體流向P P型半導(dǎo)體，直到兩塊半導(dǎo)體具有統(tǒng)一的費(fèi)米型半導(dǎo)體，直到兩塊半導(dǎo)體具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。能級(jí)。 由于電子與空穴的流動(dòng)，在由于電子與空穴的流動(dòng)，在n n型和型和P P型半導(dǎo)體的交界面附近形成空了間電荷型半導(dǎo)體的交界面附近形成空了間電荷區(qū)，產(chǎn)生自建電場(chǎng)，使電子在空間電荷區(qū)中各點(diǎn)的電勢(shì)分布不同，即有附加電區(qū)，產(chǎn)生自建電場(chǎng)，使電子在空間電荷區(qū)中各點(diǎn)的電勢(shì)分布不同，即有附加電勢(shì)能存在，使

10、空間電荷區(qū)中的能帶發(fā)生彎曲。勢(shì)能存在，使空間電荷區(qū)中的能帶發(fā)生彎曲。 1221DDDFFqVqVqVEE即即顯然顯然 12DDDVVV 由于兩種材料的禁帶寬度不同，能帶彎曲不連續(xù)，出現(xiàn)了由于兩種材料的禁帶寬度不同，能帶彎曲不連續(xù)，出現(xiàn)了“尖峰尖峰”和和“凹口凹口”。尖峰阻止了電子向?qū)拵б粋?cè)的運(yùn)動(dòng)，這就是所謂的。尖峰阻止了電子向?qū)拵б粋?cè)的運(yùn)動(dòng)，這就是所謂的“載流子的限制載流子的限制作用作用”。 一、不考慮界面態(tài)一、不考慮界面態(tài)一、不考慮界面態(tài)一、不考慮界面態(tài)n 異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)與同質(zhì)結(jié)的相比有以下異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)與同質(zhì)結(jié)的相比有以下特點(diǎn)特點(diǎn)： 其一、其一、能帶發(fā)生了彎曲。能帶發(fā)生了彎曲。n n型

11、半導(dǎo)體能帶的彎曲量是型半導(dǎo)體能帶的彎曲量是qVqVD2D2，且導(dǎo)帶底在交界面處，且導(dǎo)帶底在交界面處形成一個(gè)向上的形成一個(gè)向上的“尖峰尖峰” 。P P型半導(dǎo)體能帶的彎曲量是型半導(dǎo)體能帶的彎曲量是qVqVD1D1，導(dǎo)帶底在交界面，導(dǎo)帶底在交界面處形成一個(gè)向下的處形成一個(gè)向下的“凹口凹口”；其二、其二、能帶在交界面處，有一個(gè)突變。能帶在交界面處，有一個(gè)突變。 即即 顯然顯然 Ec Ec 稱為稱為導(dǎo)帶階導(dǎo)帶階，Ev Ev 稱為稱為價(jià)帶階價(jià)帶階。 12cExx1221()()vggEEExx21CvggEEEE其三、其三、尖峰的位置處于勢(shì)壘上的什么位置由兩邊材料的相對(duì)摻雜濃度決定。尖峰的位置處于勢(shì)壘上的

12、什么位置由兩邊材料的相對(duì)摻雜濃度決定。其四、其四、在半導(dǎo)體器件中關(guān)心的是少子運(yùn)動(dòng)。因?yàn)樵谠诎雽?dǎo)體器件中關(guān)心的是少子運(yùn)動(dòng)。因?yàn)樵赑NPN異質(zhì)結(jié)中，異質(zhì)結(jié)中，EcEc 對(duì)對(duì)P P區(qū)電區(qū)電子向子向N N區(qū)的運(yùn)動(dòng)起勢(shì)壘作用，而區(qū)的運(yùn)動(dòng)起勢(shì)壘作用，而Ev Ev 則對(duì)則對(duì)N N區(qū)空穴向區(qū)空穴向P P區(qū)運(yùn)動(dòng)沒(méi)有明顯的影響。區(qū)運(yùn)動(dòng)沒(méi)有明顯的影響。一、不考慮界面態(tài)一、不考慮界面態(tài)一、不考慮界面態(tài)一、不考慮界面態(tài)2 2、突變同型異質(zhì)結(jié)、突變同型異質(zhì)結(jié)n n型型A A材料材料( (用用1 1表示表示) )和和n n型型B B材料材料( (用用2 2表示表示) )形成的異質(zhì)結(jié)，即形成的異質(zhì)結(jié)，即nNnN結(jié)。結(jié)。A A

13、、B B兩材料在未形成異質(zhì)結(jié)前的熱平衡能帶圖如下圖所示。兩材料在未形成異質(zhì)結(jié)前的熱平衡能帶圖如下圖所示。 一、不考慮界面態(tài)一、不考慮界面態(tài) 這兩種半導(dǎo)體材料緊密接觸形這兩種半導(dǎo)體材料緊密接觸形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，成異質(zhì)結(jié)時(shí)，B B材料的費(fèi)米能級(jí)比材料的費(fèi)米能級(jí)比A A材料的高，因此電子從材料的高，因此電子從B B流向流向A A，在，在兩者的界面處兩者的界面處A A材料一邊形成了電材料一邊形成了電子積累層，子積累層，B B材料一邊則形成了耗材料一邊則形成了耗盡層（在反型異質(zhì)結(jié)中，界面兩邊盡層（在反型異質(zhì)結(jié)中，界面兩邊形成的都是耗盡層）。形成的都是耗盡層）。 21CvggEEEE同理：同理：二、計(jì)入界面態(tài)

14、的影響二、計(jì)入界面態(tài)的影響在異質(zhì)結(jié)的界面處引入界面態(tài)的原因在異質(zhì)結(jié)的界面處引入界面態(tài)的原因晶格失配的定義：晶格失配的定義： 當(dāng)兩種半導(dǎo)體材料形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，在交界面處晶格常數(shù)小的半導(dǎo)體材料表面當(dāng)兩種半導(dǎo)體材料形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，在交界面處晶格常數(shù)小的半導(dǎo)體材料表面出現(xiàn)了一部分不飽和的鍵，即出現(xiàn)了不飽和的懸掛鍵。出現(xiàn)了一部分不飽和的鍵，即出現(xiàn)了不飽和的懸掛鍵。 （a a1 1，a a2 2分別為兩種半導(dǎo)體晶體的晶格常數(shù)）分別為兩種半導(dǎo)體晶體的晶格常數(shù)） 突變異質(zhì)結(jié)交界面處的懸掛鍵密度突變異質(zhì)結(jié)交界面處的懸掛鍵密度NsNs為兩種材料在交界面處的懸掛鍵密度為兩種材料在交界面處的懸掛鍵密度之差。即之差。即 N

15、s Ns = = N NS1 S1 - - N NS2S2 主要原因：主要原因： 形成異質(zhì)結(jié)的兩種半導(dǎo)體材料的晶格失配，在交界面處晶格常數(shù)小的半形成異質(zhì)結(jié)的兩種半導(dǎo)體材料的晶格失配，在交界面處晶格常數(shù)小的半導(dǎo)體材料中出現(xiàn)了一部分不飽和的鍵導(dǎo)體材料中出現(xiàn)了一部分不飽和的鍵懸掛鍵。懸掛鍵。%10021212aaaa二、計(jì)入界面態(tài)的影響二、計(jì)入界面態(tài)的影響2221212234aaaaNS222121224aaaaNS以金剛石結(jié)構(gòu)為例：以金剛石結(jié)構(gòu)為例：以（以（111111）晶面為交界面時(shí)，其懸掛鍵密度為：）晶面為交界面時(shí)，其懸掛鍵密度為：以（以（110110）晶面為交界面時(shí)，其懸掛鍵密度為：）晶面為

16、交界面時(shí)，其懸掛鍵密度為：以（以（100100）晶面為交界面時(shí)，其懸掛鍵密度為：）晶面為交界面時(shí)，其懸掛鍵密度為：2221212224aaaaNS二、計(jì)入界面態(tài)的影響二、計(jì)入界面態(tài)的影響其他原因：其他原因： 由于兩種材料熱膨脹系數(shù)不同，在高溫下產(chǎn)生懸掛鍵，在交界面引入界面態(tài)；由于兩種材料熱膨脹系數(shù)不同，在高溫下產(chǎn)生懸掛鍵，在交界面引入界面態(tài)； 在化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)中，化合物半導(dǎo)體中的成分元素的互擴(kuò)散也引入在化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)中，化合物半導(dǎo)體中的成分元素的互擴(kuò)散也引入界面態(tài)。界面態(tài)。 對(duì)于對(duì)于n型半導(dǎo)體，懸掛鍵起受主作用型半導(dǎo)體，懸掛鍵起受主作用，因此，表面處的能帶向上彎曲。，因此，

17、表面處的能帶向上彎曲。對(duì)于對(duì)于P型半導(dǎo)體，懸掛鍵起施主作用型半導(dǎo)體，懸掛鍵起施主作用，因此，表面處的能帶向下彎曲。，因此，表面處的能帶向下彎曲。顯然，這些懸掛鍵對(duì)半導(dǎo)體起補(bǔ)償作用。顯然，這些懸掛鍵對(duì)半導(dǎo)體起補(bǔ)償作用。界面態(tài)可分為施主態(tài)（電離后帶正電）和受主態(tài)（電離后帶負(fù)電）兩種類型。界面態(tài)可分為施主態(tài)（電離后帶正電）和受主態(tài)（電離后帶負(fù)電）兩種類型。二、計(jì)入界面態(tài)的影響二、計(jì)入界面態(tài)的影響1 1、界面態(tài)密度較小、界面態(tài)密度較小無(wú)論是施主態(tài)還是受主態(tài)，都不影響異質(zhì)結(jié)能帶的基本形狀和結(jié)構(gòu)。無(wú)論是施主態(tài)還是受主態(tài)，都不影響異質(zhì)結(jié)能帶的基本形狀和結(jié)構(gòu)。以以PNPN異質(zhì)結(jié)為例異質(zhì)結(jié)為例 設(shè)：窄帶區(qū)的空間

18、電荷為設(shè)：窄帶區(qū)的空間電荷為Q Q1 1 寬帶區(qū)的空間電荷為寬帶區(qū)的空間電荷為Q Q2 2 界面態(tài)上電荷為界面態(tài)上電荷為Q QISIS二、計(jì)入界面態(tài)的影響二、計(jì)入界面態(tài)的影響當(dāng)有外加偏壓當(dāng)有外加偏壓VaVa作用時(shí)，異質(zhì)結(jié)兩邊的空間電荷應(yīng)滿足：作用時(shí)，異質(zhì)結(jié)兩邊的空間電荷應(yīng)滿足：1/22111212AISDaISADN QQB VVB QNN 1/22221212DISDaISADN QQB VVB QNN其中：其中： 1/2121122ADADqN NBNN 21212 ()ADBqNN二、計(jì)入界面態(tài)的影響二、計(jì)入界面態(tài)的影響因?yàn)椋阂驗(yàn)椋?21ISQQQ當(dāng)界面電荷當(dāng)界面電荷Q QISIS是受主

19、電荷時(shí)，即與是受主電荷時(shí)，即與Q Q1 1相同，此時(shí)與無(wú)界面態(tài)電荷相同，此時(shí)與無(wú)界面態(tài)電荷Q QISIS時(shí)相時(shí)相比較，比較，顯然顯然Q Q1 1減小了，而減小了，而Q Q2 2則增大了則增大了。 若若Q QISIS很小，得到：很小，得到： 1/2111121/222112AISDaADDISDaADN QQB VVNNN QQB VVNN 式中第一項(xiàng)為由界面態(tài)影響在空間電荷區(qū)產(chǎn)生的電荷量，第二項(xiàng)為不考慮界式中第一項(xiàng)為由界面態(tài)影響在空間電荷區(qū)產(chǎn)生的電荷量，第二項(xiàng)為不考慮界面態(tài)時(shí)的空間電荷區(qū)電荷量。面態(tài)時(shí)的空間電荷區(qū)電荷量。分析空間電荷區(qū)電荷量的變化：分析空間電荷區(qū)電荷量的變化： 二、計(jì)入界面態(tài)的

20、影響二、計(jì)入界面態(tài)的影響令令L L1 1=x=x0 0-x-x1 1, L, L2 2=x=x2 2-x-x0 0，L L1 1、L L2 2為為P P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)的耗盡層寬度，區(qū)的耗盡層寬度，則則 Q Q1 1、Q Q2 2可改寫(xiě)為：可改寫(xiě)為：111012222012AISAAADDISDDADN QqN LqN LNNN QqN LqN LNN qNqNA AL L1 1 是計(jì)入界面態(tài)影響后空間電荷區(qū)的總電荷是計(jì)入界面態(tài)影響后空間電荷區(qū)的總電荷 是界面態(tài)影響引入的電荷是界面態(tài)影響引入的電荷qNqNA AL L10 10 是不計(jì)界面態(tài)影響時(shí)的空間電荷區(qū)總電荷是不計(jì)界面態(tài)影響時(shí)的空間電荷區(qū)

21、總電荷 112AISADN QNN分析空間電荷區(qū)寬度的變化：分析空間電荷區(qū)寬度的變化： 二、計(jì)入界面態(tài)的影響二、計(jì)入界面態(tài)的影響L L1010、L L20 20 分別為不考慮界面態(tài)時(shí)分別為不考慮界面態(tài)時(shí)P P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)的耗盡層寬度，因此有：區(qū)的耗盡層寬度，因此有： 22021101LLLL 則：與與 Q QIS IS 同號(hào)的耗盡區(qū)寬度減小了，即同號(hào)的耗盡區(qū)寬度減小了，即 P P 區(qū)的耗盡區(qū)寬度減小了；而與區(qū)的耗盡區(qū)寬度減小了；而與 Q QIS IS 反號(hào)的耗盡區(qū)寬度增大了，即反號(hào)的耗盡區(qū)寬度增大了，即 N N 區(qū)的增大了。減小與增加的量與界面態(tài)電荷區(qū)的增大了。減小與增加的量與界面態(tài)電荷量

22、量 Q QIS IS ，以及介電常數(shù)成正比。，以及介電常數(shù)成正比。DAISDAISNNqQLLNNqQLL212202211101二、計(jì)入界面態(tài)的影響二、計(jì)入界面態(tài)的影響2 2、界面態(tài)密度很大、界面態(tài)密度很大 當(dāng)半導(dǎo)體表面存在足夠大的界面態(tài)時(shí)，半導(dǎo)體表面的狀態(tài)完全由界面態(tài)電當(dāng)半導(dǎo)體表面存在足夠大的界面態(tài)時(shí)，半導(dǎo)體表面的狀態(tài)完全由界面態(tài)電荷決定，與功函數(shù)等沒(méi)有關(guān)系。荷決定，與功函數(shù)等沒(méi)有關(guān)系。 當(dāng)表面態(tài)為施主態(tài)時(shí)當(dāng)表面態(tài)為施主態(tài)時(shí)：（被電子占據(jù)時(shí)呈電中性，釋放電子后呈正電性）對(duì)于對(duì)于n n型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：在半導(dǎo)體表面處形成很薄的多子積累層。在半導(dǎo)體表面處形成很薄的多子積累層。二、計(jì)入界面態(tài)的

23、影響二、計(jì)入界面態(tài)的影響對(duì)于對(duì)于P型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體： 在半導(dǎo)體表面形成耗盡在半導(dǎo)體表面形成耗盡層，層內(nèi)電荷為電離受主。層，層內(nèi)電荷為電離受主。該耗盡層很厚，其厚度由摻該耗盡層很厚，其厚度由摻雜濃度決定。雜濃度決定。二、計(jì)入界面態(tài)的影響二、計(jì)入界面態(tài)的影響 當(dāng)表面態(tài)為受主態(tài)時(shí)：當(dāng)表面態(tài)為受主態(tài)時(shí)：（能級(jí)空著時(shí)呈電中性，接受電子后帶負(fù)電）對(duì)于對(duì)于n n型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：在半導(dǎo)體表面處形成很厚的耗盡層，在半導(dǎo)體表面處形成很厚的耗盡層，層內(nèi)電荷為電離施主。厚度由摻雜濃層內(nèi)電荷為電離施主。厚度由摻雜濃度決定。度決定。二、計(jì)入界面態(tài)的影響二、計(jì)入界面態(tài)的影響對(duì)于對(duì)于P P型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：在半導(dǎo)體表

24、面處形成很薄的多子在半導(dǎo)體表面處形成很薄的多子積累層。積累層。二、計(jì)入界面態(tài)的影響二、計(jì)入界面態(tài)的影響 對(duì)異質(zhì)結(jié)來(lái)說(shuō)，當(dāng)界面態(tài)密度很大，且為對(duì)異質(zhì)結(jié)來(lái)說(shuō)，當(dāng)界面態(tài)密度很大，且為施主態(tài)施主態(tài)時(shí)，這些施主態(tài)電離后使界面時(shí)，這些施主態(tài)電離后使界面帶正電荷，則帶正電荷，則pN(pN(圖圖a)a)、nP(nP(圖圖b)b)、pP(pP(圖圖c)c)異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)如下圖所示：異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)如下圖所示：二、計(jì)入界面態(tài)的影響二、計(jì)入界面態(tài)的影響 當(dāng)界面態(tài)密度很大，且為當(dāng)界面態(tài)密度很大，且為受主態(tài)受主態(tài)時(shí)，這些受主態(tài)被電離后使界面帶負(fù)時(shí)，這些受主態(tài)被電離后使界面帶負(fù)電荷，則電荷，則pNpN、nPnP、nNn

25、N異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)如下圖所示：異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)如下圖所示：二、計(jì)入界面態(tài)的影響二、計(jì)入界面態(tài)的影響 界面態(tài)不同，在界面形成的勢(shì)壘也不同，此時(shí)界面態(tài)不同，在界面形成的勢(shì)壘也不同，此時(shí)界面態(tài)起決定性的作用，而界面兩側(cè)半導(dǎo)體材料的界面態(tài)起決定性的作用，而界面兩側(cè)半導(dǎo)體材料的固有性質(zhì)（如功函數(shù)、電子親和能、介電常數(shù)等）固有性質(zhì)（如功函數(shù)、電子親和能、介電常數(shù)等）對(duì)界面勢(shì)壘沒(méi)有影響，這是由于界面態(tài)上大量電荷對(duì)界面勢(shì)壘沒(méi)有影響，這是由于界面態(tài)上大量電荷的屏蔽作用所致。的屏蔽作用所致。 三、突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差三、突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差 設(shè)：構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的兩種半導(dǎo)體材料即設(shè)：構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的兩種半導(dǎo)體材

26、料即P P型和型和N N型中的雜質(zhì)都是均勻分布的，其型中的雜質(zhì)都是均勻分布的，其濃度分別為濃度分別為N NA1A1和和N ND2D2，勢(shì)壘區(qū)的正、負(fù)空間電荷區(qū)的寬度分別為：，勢(shì)壘區(qū)的正、負(fù)空間電荷區(qū)的寬度分別為： d d1 1 = x= x0 0 x x1 1 d d2 2 = x= x2 2 x x0 0取取 x = xx = x0 0 為交界面處坐標(biāo)。泊松方程為：為交界面處坐標(biāo)。泊松方程為：21122222112200( )()( )()ADd VxqNdxd VxqNdxxxxxxx 式中，式中， 、 分別為分別為P P型及型及N N型半導(dǎo)體的介電常數(shù)。型半導(dǎo)體的介電常數(shù)。 12、 三、

27、突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差三、突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差積分并根據(jù)邊界條件可得到兩邊空間電荷區(qū)內(nèi)的電勢(shì)分布積分并根據(jù)邊界條件可得到兩邊空間電荷區(qū)內(nèi)的電勢(shì)分布V V1 1(x)(x)、V V2 2(x)(x) 1 1、無(wú)外加電壓時(shí)、無(wú)外加電壓時(shí)由由V V1 1(x(x0 0)=V)=V2 2(x(x0 0) )可得到接觸電勢(shì)差：可得到接觸電勢(shì)差：勢(shì)壘區(qū)寬度：勢(shì)壘區(qū)寬度：22221112()22)DADqNqNVxxxx212121222112()()ADDDADDANNVqN NNNx 在交界面兩側(cè)，兩種半導(dǎo)體勢(shì)壘區(qū)寬度分別為：在交界面兩側(cè)，兩種半導(dǎo)體勢(shì)壘區(qū)寬度分別為： 122111122121

28、22112201202()()2()()DDAADADDADN VdqNNNN VdqNNNxxxx 耗盡區(qū)總電荷量為：耗盡區(qū)總電荷量為： 121222111012202()()ADDDAADqN NVNNQqNxxqNxx 三、突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差三、突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差2 2、外加電壓、外加電壓V V時(shí)時(shí)2221211212121 2()()()2DDADDADADADNxN xVVNNNNNNq 212121222112() ()()ADDADDADNNVVqN NNNx 12211221112122221101202()()()2()()()DDADAADDDANVVdqN

29、NNNVVdqNNNxxxx 三、突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差三、突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差121222112()ADDDAqN NVVNNQ 單位面積異質(zhì)結(jié)的電容為 以上各式只要將下標(biāo)1與2互換，就可用于突變NP異質(zhì)結(jié)。耗盡區(qū)總電荷量為： VVNNNNqdVdQCDDADA221121212四、突變同型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差四、突變同型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差 對(duì)于突變同型異質(zhì)結(jié)（對(duì)于突變同型異質(zhì)結(jié)（nnnn結(jié)），窄禁帶一側(cè)是多子積累層，而寬禁帶一側(cè)結(jié)），窄禁帶一側(cè)是多子積累層，而寬禁帶一側(cè)是耗盡層。是耗盡層。0011100221121111022222202211122()(1)2 J Jp p，說(shuō)明

30、異質(zhì)結(jié)的，說(shuō)明異質(zhì)結(jié)的電流主要有電子電流構(gòu)成。電流主要有電子電流構(gòu)成。一、異質(zhì)一、異質(zhì)PNPN結(jié)的高注入比特性結(jié)的高注入比特性在在P P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)雜質(zhì)完全電離的情況下，有區(qū)雜質(zhì)完全電離的情況下，有 n n2020=N=ND2 D2 ， P P1010=N=NA1A1 所以有：所以有：D Dn1n1、D Dp2p2分別為兩種半導(dǎo)體材料中載流子的擴(kuò)散系數(shù)分別為兩種半導(dǎo)體材料中載流子的擴(kuò)散系數(shù)L Lp2p2、L Ln1n1分別為載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度分別為載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度21CvggEEEEE 式中式中D Dn1 n1 與與 D Dp2 p2 ，L Lp2 p2 與與 L Ln1 n1 相差不大，且

31、都在同一數(shù)量級(jí)相差不大，且都在同一數(shù)量級(jí)然而式中的然而式中的 則遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于則遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1 1的。的。0exp()Ek T TkELpDLnDJJnppnpn011012201exp一、異質(zhì)一、異質(zhì)PNPN結(jié)的高注入比特性結(jié)的高注入比特性1 1、對(duì)于同質(zhì)結(jié)、對(duì)于同質(zhì)結(jié) 0E所以：所以：nDpnppAnD N LJJD N L同樣，同樣，D Dn n 與與 D Dp p ，L Lp p 與與 L Ln n 相差不大，也都在同一數(shù)量級(jí)，因此，決定同質(zhì)結(jié)相差不大，也都在同一數(shù)量級(jí)，因此，決定同質(zhì)結(jié)注入比的是摻雜濃度，要獲得高注入比，就要求注入比的是摻雜濃度，要獲得高注入比，就要求PNPN結(jié)的一邊應(yīng)高摻雜，

32、所以結(jié)的一邊應(yīng)高摻雜，所以晶體管的發(fā)射區(qū)都是高摻雜的。晶體管的發(fā)射區(qū)都是高摻雜的。由于由于一、一、異質(zhì)異質(zhì)PNPN結(jié)的高注入比特性結(jié)的高注入比特性2 2、對(duì)于異質(zhì)結(jié)、對(duì)于異質(zhì)結(jié) 上式中的上式中的E E 是指數(shù)項(xiàng)，是指數(shù)項(xiàng)， 是決定注入比的關(guān)鍵，是決定注入比的關(guān)鍵，即使即使 N ND2D2 N E EC1 C1 故有故有 n n1 1 n n2 2室溫下，室溫下，k k0 0T T 的數(shù)值很小，只要的數(shù)值很小，只要 E EC2 C2 - E- EC1 C1 的數(shù)值比的數(shù)值比 k k0 0T T 大一倍，大一倍，n n1 1就比就比n n2 2 幾乎大一個(gè)數(shù)量級(jí)。一般情況下，幾乎大一個(gè)數(shù)量級(jí)。一般

33、情況下，E Ec1 c1 遠(yuǎn)低于遠(yuǎn)低于E Ec2 c2 ，從而就保證，從而就保證了了 n n1 1 n n2 2 ，實(shí)現(xiàn)超注入。，實(shí)現(xiàn)超注入。TkEEnnCC01221exp二、異質(zhì)二、異質(zhì)PNPN結(jié)的超注入現(xiàn)象結(jié)的超注入現(xiàn)象 超注入現(xiàn)象是異質(zhì)結(jié)特有的另一重要特性超注入現(xiàn)象是異質(zhì)結(jié)特有的另一重要特性。 這一特性已在器件開(kāi)發(fā)中廣泛應(yīng)用，如在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)激光這一特性已在器件開(kāi)發(fā)中廣泛應(yīng)用，如在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)激光器的設(shè)計(jì)中，利用異質(zhì)結(jié)的超注入特性，可使窄禁帶區(qū)的注入少器的設(shè)計(jì)中，利用異質(zhì)結(jié)的超注入特性，可使窄禁帶區(qū)的注入少子濃度達(dá)到子濃度達(dá)到10108 8cmcm-3-3以上，保證了實(shí)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)激光器所

34、要求的粒子以上，保證了實(shí)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)激光器所要求的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的必備條件。數(shù)反轉(zhuǎn)的必備條件。9.4 9.4 理想突變異質(zhì)結(jié)的伏安特性理想突變異質(zhì)結(jié)的伏安特性一、一、低勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)結(jié)的低勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)結(jié)的I-VI-V特性特性低勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)結(jié)低勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)結(jié)：勢(shì)壘尖峰頂?shù)陀冢簞?shì)壘尖峰頂?shù)陀赑 P型區(qū)導(dǎo)帶底。型區(qū)導(dǎo)帶底。 其能帶結(jié)構(gòu)如圖所示：由其能帶結(jié)構(gòu)如圖所示：由n n區(qū)擴(kuò)散向結(jié)處的電子流可以越過(guò)尖峰勢(shì)壘進(jìn)入?yún)^(qū)擴(kuò)散向結(jié)處的電子流可以越過(guò)尖峰勢(shì)壘進(jìn)入P P區(qū)，這樣該異質(zhì)區(qū)，這樣該異質(zhì)pnpn結(jié)的電流主要由擴(kuò)散機(jī)制決定，結(jié)的電流主要由擴(kuò)散機(jī)制決定，可以利用擴(kuò)散模型來(lái)處理?？梢岳脭U(kuò)散模型來(lái)處理。一、一

35、、低勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)結(jié)的低勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)結(jié)的I-VI-V特性特性施加一正向偏壓施加一正向偏壓V V時(shí)，通過(guò)該異質(zhì)結(jié)的電流密度為：時(shí)，通過(guò)該異質(zhì)結(jié)的電流密度為：211020120() exp() 1pnnpnpDDqVJJJqnpLLk T式中：式中：D Dn1n1、L Ln1n1分別為窄禁帶半導(dǎo)體中電子的擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散長(zhǎng)度；分別為窄禁帶半導(dǎo)體中電子的擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散長(zhǎng)度； D Dp2p2、L Lp2p2分別為寬禁帶半導(dǎo)體中空穴的擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散長(zhǎng)度分別為寬禁帶半導(dǎo)體中空穴的擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散長(zhǎng)度 n n1010和和p p2020分別為窄禁帶半導(dǎo)體（分別為窄禁帶半導(dǎo)體（p p型）和寬禁帶半導(dǎo)體（型）和寬禁

36、帶半導(dǎo)體（n n型）的平衡少型）的平衡少 子濃度。子濃度。上式表明，上式表明，在正向偏壓下，異質(zhì)在正向偏壓下，異質(zhì)pnpn結(jié)的電流隨電壓按指數(shù)規(guī)律增加。結(jié)的電流隨電壓按指數(shù)規(guī)律增加。 一、低勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)結(jié)的一、低勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)結(jié)的I-VI-V特性特性TkEcJn0expTkEvJp0exp式中的式中的J Jn n、J Jp p 也可用也可用n n區(qū)、區(qū)、p p區(qū)多子濃度區(qū)多子濃度n n20 20 、p p1010表示：表示：對(duì)于由窄禁帶對(duì)于由窄禁帶P P型半導(dǎo)體和寬禁帶型半導(dǎo)體和寬禁帶n n型半導(dǎo)體形成的異質(zhì)型半導(dǎo)體形成的異質(zhì)pnpn結(jié)，其結(jié)，其E Ec c 和和 E Ev v 都是正值，且

37、比室溫時(shí)的都是正值，且比室溫時(shí)的 k k0 0T T 大得多，固有大得多，固有J Jn n J Jp p 。表明表明通過(guò)異質(zhì)結(jié)面的電流主要由電子電流構(gòu)成，而空穴電流所占的比列很小通過(guò)異質(zhì)結(jié)面的電流主要由電子電流構(gòu)成，而空穴電流所占的比列很小。1expexp1expexp002202001011TkqVTkEVqLpqDJTkqVTkEVqLnqDJvDpppcDnnn二、高勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)結(jié)的二、高勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)結(jié)的I-VI-V特性特性 高勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)高勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)pnpn結(jié)：結(jié)：n n區(qū)的勢(shì)壘尖峰頂較區(qū)的勢(shì)壘尖峰頂較P P區(qū)導(dǎo)帶底高得多。區(qū)導(dǎo)帶底高得多。其能帶結(jié)構(gòu)如圖所示：其能帶結(jié)構(gòu)如圖所

38、示：n n區(qū)的勢(shì)壘尖峰頂較區(qū)的勢(shì)壘尖峰頂較P P區(qū)導(dǎo)帶底高得多，那么區(qū)導(dǎo)帶底高得多，那么n n區(qū)擴(kuò)散向結(jié)區(qū)擴(kuò)散向結(jié)面處的電子，只有能量高于勢(shì)壘尖峰的才能通過(guò)發(fā)射機(jī)制進(jìn)入面處的電子，只有能量高于勢(shì)壘尖峰的才能通過(guò)發(fā)射機(jī)制進(jìn)入P P區(qū)，可以采用區(qū)，可以采用熱熱電子發(fā)射模型來(lái)處理電子發(fā)射模型來(lái)處理。 二、高勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)結(jié)的二、高勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)結(jié)的I-VI-V特性特性施加正偏壓時(shí)，通過(guò)該異質(zhì)施加正偏壓時(shí)，通過(guò)該異質(zhì)pnpn結(jié)的總電流密度為結(jié)的總電流密度為: : 1/202212120*000()exp() exp()exp()2Dk TqVqVqVJJJqnmk Tk Tk T式中式中 J J1 1為為P P區(qū)注入到區(qū)注入到N N區(qū)的電子流形成的電流；區(qū)的電子流形成的電流；J J2 2為為N N區(qū)注入到區(qū)注入到P P區(qū)的電子流區(qū)的電子流形成的電流；形成的電流；m m* * = = m m* *1 1 = = m m