半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)

半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)DaiXianying第一頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying第三章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)及其能帶圖異質(zhì)結(jié)的電學(xué)特性量子阱與二維電子氣多量子阱與超晶格半導(dǎo)體應(yīng)變異質(zhì)結(jié)第二頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying

3.1異質(zhì)結(jié)及其能帶圖3.1.1異質(zhì)結(jié)的形成圖3.1III-V族和II-VI族化合物半導(dǎo)體的禁帶寬度和晶格常數(shù)1）異質(zhì)結(jié)2）異質(zhì)結(jié)形成的工藝3）異質(zhì)結(jié)的類型4）異質(zhì)結(jié)形成的關(guān)鍵5）晶格失配第三頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying

3.1異質(zhì)結(jié)及其能帶圖圖3.3晶格失配形成位錯(cuò)缺陷6）單位面積的懸掛鍵數(shù)圖3.2（張）應(yīng)變Si示意圖第四頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying

3.1異質(zhì)結(jié)及其能帶圖圖3.4半導(dǎo)體能帶邊沿圖圖3.5孤立的n型和p型半導(dǎo)體能帶圖3.1.2異質(zhì)結(jié)的能帶圖第五頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying

3.1異質(zhì)結(jié)及其能帶圖3.1.2異質(zhì)結(jié)的能帶圖圖3.6形成異質(zhì)結(jié)之前(a)和之后(b)的平衡能帶圖（以突變異質(zhì)結(jié)為例）(a)(b)1)突變反型異質(zhì)結(jié)能帶圖1、不考慮界面態(tài)時(shí)的能帶圖（理想狀態(tài)）第六頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying

3.1異質(zhì)結(jié)及其能帶圖熱平衡下的能帶圖（p-GaAs/N-AlGaAs）圖3.8同質(zhì)pn結(jié)平衡能帶圖圖3.7異質(zhì)結(jié)pn平衡能帶圖第七頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying

3.1異質(zhì)結(jié)及其能帶圖熱平衡下的能帶圖圖3.9突變反型np異質(zhì)結(jié)平衡能帶圖第八頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying

3.1異質(zhì)結(jié)及其能帶圖Anderson定則（模型）：

異質(zhì)結(jié)平衡能帶的特點(diǎn)：

①能帶發(fā)生彎曲②能帶在界面處不連續(xù)，有突變。①ΔEC=χ1-χ2②ΔEV=(Eg2-Eg1)-(χ1-χ2)=ΔEg-Δχ③ΔEC+ΔEV=

ΔEg異質(zhì)結(jié)能帶的新要點(diǎn)（特征）：

圖3.10Anderson模型的ΔEC-Δχ關(guān)系第九頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying

3.1異質(zhì)結(jié)及其能帶圖3.1.2異質(zhì)結(jié)的能帶圖2)突變同型異質(zhì)結(jié)能帶圖3.11突變同型nn異質(zhì)結(jié)平衡能帶圖界面處：一側(cè)形成耗盡層，一側(cè)形成電子（空穴）積累層第十頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying

3.1異質(zhì)結(jié)及其能帶圖3.1.2異質(zhì)結(jié)的能帶圖2)突變同型異質(zhì)結(jié)能帶圖3.12突變同型pp異質(zhì)結(jié)平衡能帶圖第十一頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying

3.1異質(zhì)結(jié)及其能帶圖2、考慮界面態(tài)時(shí)的能帶圖1）界面態(tài)2）界面態(tài)密度ΔNS3.1.2異質(zhì)結(jié)的能帶圖第十二頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying

3.1異質(zhì)結(jié)及其能帶圖2、考慮界面態(tài)時(shí)的能帶圖3）降低界面態(tài)4）界面態(tài)的類型5）巴丁極限第十三頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying

3.1異質(zhì)結(jié)及其能帶圖2、考慮界面態(tài)時(shí)的能帶圖6）考慮界面態(tài)影響的異質(zhì)結(jié)能帶示意圖第十四頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying

3.1異質(zhì)結(jié)及其能帶圖3、漸變異質(zhì)結(jié)能帶圖1）漸變的物理含義3.1.2異質(zhì)結(jié)的能帶圖2）漸變異質(zhì)結(jié)的近似分析：能帶的疊加3）漸變能級(jí)第十五頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying

3.1異質(zhì)結(jié)及其能帶圖1、勢(shì)壘區(qū)寬度XD3.1.3突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸勢(shì)壘差及勢(shì)壘區(qū)寬度2、接觸電勢(shì)差VD3、外加電壓V4、np突變異質(zhì)結(jié)（以pn異質(zhì)結(jié)為例）與求解同質(zhì)pn結(jié)相同：由求解界面兩邊勢(shì)壘區(qū)的泊松方程，可得VD及XD推導(dǎo)過程參考劉恩科等著《半導(dǎo)體物理》第9章第十六頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying第三章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)及其能帶圖異質(zhì)結(jié)的電學(xué)特性量子阱與二維電子氣多量子阱與超晶格半導(dǎo)體應(yīng)變異質(zhì)結(jié)第十七頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying

3.2異質(zhì)結(jié)的電學(xué)特性

突變異質(zhì)結(jié)的I-V特性

(a) (b)圖3.8異型異質(zhì)結(jié)的兩種勢(shì)壘示意圖（a）負(fù)反向勢(shì)壘；（b）正反向勢(shì)壘突變異質(zhì)結(jié)I-V模型：擴(kuò)散模型、發(fā)射模型、發(fā)射-復(fù)合模型、隧道模型、隧道復(fù)合模型。兩種勢(shì)壘尖峰：（a）低勢(shì)壘尖峰-負(fù)反向勢(shì)壘（b）高勢(shì)壘尖峰-正反向勢(shì)壘同質(zhì)結(jié)I-V模型：擴(kuò)散和發(fā)射模型第十八頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying

3.2異質(zhì)結(jié)的電學(xué)特性1、低勢(shì)壘尖峰（負(fù)反向勢(shì)壘異質(zhì)結(jié)）的I-V特性2）載流子濃度3）電子擴(kuò)散電流密度Jn4）空穴擴(kuò)散電流密度Jp5）總電流密度J=Jn+Jp6）Jn、Jp大小對(duì)比分析1）電流模型：主要由擴(kuò)散機(jī)制決定特征：勢(shì)壘尖峰低于p區(qū)的EC第十九頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying2、高勢(shì)壘尖峰（正反向勢(shì)壘異質(zhì)結(jié)）的I-V特性

3.2異質(zhì)結(jié)的電學(xué)特性

突變異質(zhì)結(jié)的I-V特性

1）電流模型：由熱電子發(fā)射機(jī)制決定2）勢(shì)壘高度特征：勢(shì)壘尖峰高于p區(qū)的EC3）電流密度第二十頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying3.2.2異質(zhì)pn結(jié)的注入特性

3.2異質(zhì)結(jié)的電學(xué)特性1.異質(zhì)pn結(jié)的高注入比特性及其應(yīng)用例如，p-GaAs（窄禁帶）/n-Al0.3Ga0.7As（寬禁帶），ΔEg=0.21eV，設(shè)p區(qū)摻雜濃度NA1=2X1019cm-3,n區(qū)摻雜濃度ND2=5X1017cm-3，則注入比發(fā)射效率同質(zhì)結(jié)的BJT：基區(qū)不能太薄，頻率特性不高；異質(zhì)結(jié)的HBT：基區(qū)可以很薄，頻率特性很高；第二十一頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying思考題試分析高勢(shì)壘尖峰異質(zhì)結(jié)的反向I-V特性。為什么HBT的頻率特性比BJT好？第二十二頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying

3.2異質(zhì)結(jié)的電學(xué)特性1.異質(zhì)pn結(jié)的高注入比特性及其應(yīng)用異質(zhì)結(jié)的應(yīng)用異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HeterojunctiongBipolarTransistor，HBT），應(yīng)用于微波、毫米波領(lǐng)域。

早期的HBT：n-AlxGa1-xAs/p-GaAs作發(fā)射結(jié)；優(yōu)良的HBT：n-Ga0.5In0.5P/p-GaAs作發(fā)射結(jié)，GaAs襯底；

ΔEv=0.3eV>>ΔEc=0.03eV,即空穴的勢(shì)壘高，Jp小，故注入比和γ高；fT=100GHz。SiGeHBT：n-Si/p-Si1-xGex作發(fā)射結(jié)，Si襯底；Eg,Si1-xGex隨組分x的增大而減小，且ΔEv>>ΔEc；典型的基區(qū)組分：Si0.8Ge0.2，厚度50nm-100nm；主要應(yīng)用于通信系統(tǒng)及手機(jī)。

第二十三頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying

3.2異質(zhì)結(jié)的電學(xué)特性2.異質(zhì)pn結(jié)的超注入現(xiàn)象3.2.2異質(zhì)pn結(jié)的注入特性1）超注入現(xiàn)象：由寬禁帶半導(dǎo)體注入到窄禁帶半導(dǎo)體中的少子濃度超過了寬禁帶半導(dǎo)體中多子濃度。2）能帶結(jié)構(gòu)：外加足夠的正向電壓使結(jié)勢(shì)壘拉平，Ec2>Ec13）載流子濃度：

n1/n2=exp(Ec2-Ec1)/kT>14）應(yīng)用：半導(dǎo)體激光器第二十四頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying第三章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)及其能帶圖異質(zhì)結(jié)的電學(xué)特性量子阱與二維電子氣多量子阱與超晶格半導(dǎo)體應(yīng)變異質(zhì)結(jié)第二十五頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying

3.3量子阱與二維電子氣(a)(b)圖3.11半導(dǎo)體量子阱示意圖量子阱：能夠?qū)﹄娮樱昭ǎ┑倪\(yùn)動(dòng)產(chǎn)生某種約束，使其能量量子化的勢(shì)場(chǎng)。如量子力學(xué)中的一維方勢(shì)阱、有限勢(shì)阱。二維電子氣（2DEG）：勢(shì)阱中的電子在與異質(zhì)結(jié)界面平行的二維平面內(nèi)是自由運(yùn)動(dòng)，而在垂直異質(zhì)結(jié)界面方向上其能量是量子化的。第二十六頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying

3.3量子阱與二維電子氣3.3.1調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面量子阱1、調(diào)制摻雜結(jié)構(gòu)：異質(zhì)結(jié)界面處的能帶及勢(shì)阱n+-AlXGa1-XAs(寬禁帶）/i-GaAs（窄禁帶）第二十七頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying

3.3量子阱與二維電子氣圖3.12量子阱中電子的能量

圖3.13三角形勢(shì)阱的示意圖2、勢(shì)阱中的電子能態(tài)第二十八頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying

3.3量子阱與二維電子氣異質(zhì)結(jié)2DEG的電子態(tài)密度與能量的關(guān)系3、2DEG的子帶及態(tài)密度3.3.1調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面量子阱第二十九頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying

3.3量子阱與二維電子氣4、2DEG的高遷移率特性（1）調(diào)制摻雜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（2）2DEG的特性（3）應(yīng)用3.3.1調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面量子阱第三十頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying

3.3量子阱與二維電子氣3.3.2雙異質(zhì)結(jié)間的單量子阱結(jié)構(gòu)雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)：AlxGa1-xAs/GaAs/AlxGa1-xAs，要求GaAs層足夠??；1、導(dǎo)帶量子阱中的電子能態(tài)（1）電子在量子阱中的勢(shì)能V（z）（2）求解薛定諤方程第三十一頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying

3.3量子阱與二維電子氣3.3.2雙異質(zhì)結(jié)間的單量子阱結(jié)構(gòu)2、價(jià)帶量子阱中的空穴能態(tài)（1）二維空穴氣：2DHG（2）量子阱中的空穴能態(tài)第三十二頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying第三章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)及其能帶圖異質(zhì)結(jié)的電學(xué)特性量子阱與二維電子氣多量子阱與超晶格半導(dǎo)體應(yīng)變異質(zhì)結(jié)第三十三頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying

3.4多量子阱與超晶格超晶格：幾種成分或摻雜類型不同的超薄層周期性地重疊，構(gòu)成一種特殊的人工晶體。超晶格周期：重疊周期，小于電子的平均自由程,可人工控制超薄層厚度：足夠薄(與電子的波長(zhǎng)相當(dāng)),使相鄰勢(shì)阱的電子波函數(shù)重疊。周期性勢(shì)場(chǎng)：1)各薄層的晶格周期性勢(shì)場(chǎng)；2）超晶格的周期性勢(shì)場(chǎng)。(a)單量子阱(b)多量子阱 (c)超晶格第三十四頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying

3.4多量子阱與超晶格多量子阱（a）和超晶格（b）中電子的波函數(shù)

第三十五頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying

3.4多量子阱與超晶格3.4.1復(fù)合超晶格1、Ⅰ型超晶格第三十六頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying

3.4多量子阱與超晶格3.4.1復(fù)合超晶格1、Ⅰ型超晶格第三十七頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying

3.4多量子阱與超晶格3.4.1復(fù)合超晶格2、Ⅱ型超晶格第三十八頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying

3.4多量子阱與超晶格3.4.2摻雜超晶格n-GaAs/p-GaAs體系第三十九頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DaiXianying第三章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)及其能帶圖異質(zhì)結(jié)的電學(xué)特性量子阱與二維電子氣多量子阱與超晶格