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第十四節(jié)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)內(nèi)容半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的簡介異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)的特性異質(zhì)結(jié)的應(yīng)用簡介半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)?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)。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),并簡單介紹一些應(yīng)用。半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的發(fā)展歷史1947年,巴丁,布喇頓,肖克萊發(fā)明點接觸晶體管;1949年,肖克萊提出pn結(jié)理論;1957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;1962年,Anderson提出異質(zhì)結(jié)的理論模型;1968年,美國貝爾實驗室和前蘇聯(lián)的約飛研究所做成GaAs-AlxGa1-xAs異質(zhì)結(jié)激光器;70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)的生長技術(shù)趨于完善;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: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)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)。異質(zhì)結(jié)也可以分為突變型異質(zhì)結(jié)(過渡區(qū)~幾個原子層)和緩變形異質(zhì)結(jié)(過渡區(qū)~幾個擴散長度)。內(nèi)容半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的簡介異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)的特性異質(zhì)結(jié)的應(yīng)用簡介突變型異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)忽略界面態(tài)影響;如圖表示兩種不同的半導(dǎo)體材料沒有形成異質(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,兩塊半導(dǎo)體有統(tǒng)一的費米能級因而異質(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)體一邊為負空間電荷區(qū)。正負空間電荷間產(chǎn)生電場,也稱為內(nèi)建電場,因為電場存在,電子在空間電荷區(qū)中各點有附加電勢能,1.能帶發(fā)生了彎曲。2.能帶在交界面處不連續(xù),有一個突變則能帶總的彎曲量就是真空電子能級的彎曲量即

顯然兩種半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底在交界面的處突變?yōu)椋▽?dǎo)帶階)而價帶頂?shù)耐蛔儯▋r帶階)而且式(9-4)、式(9-5)和式(9-6)對所有突變異質(zhì)結(jié)普遍適用。(9-5)(9-4)(9-6)p-n-Ge-GaAs異質(zhì)結(jié)的能帶圖突變np異質(zhì)結(jié)的能帶圖突變nn異質(zhì)結(jié)對于反型異質(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pp異質(zhì)結(jié)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;懸掛鍵產(chǎn)生了界面態(tài);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)形成的主要原因:晶格失配兩種半導(dǎo)體晶格常數(shù)a1,a2(a1<a2),定義晶格失配為:2(a2-a1)/(a2+a1)晶格失配引入懸掛鍵金剛石/纖鋅礦結(jié)構(gòu):Si,Ge,GaN,AlN,GaAs,ZnO等金剛石結(jié)構(gòu)界面懸鍵密度:(110)(100)(111)與面原子密度差別?表面能級的作用根據(jù)表面能級理論計算求得,當(dāng)金剛石結(jié)構(gòu)的晶體表面能級密度在1013cm-2以上時,在表面處的費米能級位于禁帶寬度的1/3處(巴丁極限)對于n型半導(dǎo)體,懸掛鍵起受主作用,因此表面能級向上彎曲。對于p型半導(dǎo)體懸掛鍵起施主作用,因此表面能級向下彎曲??紤]表面能級的作用時的能級圖表面態(tài)在界面是普遍存在的,界面能級彎曲由a較小的一方?jīng)Q定;界面形成積累層、耗盡層;施主作用(p型)考慮表面能級的作用時的能級圖受主作用(n型)內(nèi)容半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的簡介異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)的特性異質(zhì)結(jié)的應(yīng)用簡介突變異質(zhì)結(jié)的勢壘高度和以突變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,則交界面兩邊的勢壘區(qū)中的電荷密度可以寫成

勢壘區(qū)總寬度為勢壘區(qū)內(nèi)的正負電荷總量相等,即式(9-13)可以化簡為設(shè)V(x)代表勢壘區(qū)中x電的電勢,則突變反型異質(zhì)結(jié)交界面兩邊的泊松方程分別為:(9-13)(9-12)(9-14)

由式(9-12)(9-14)得將上述兩式代入(9-30)得從而算得勢壘區(qū)寬度XD為(9-34)(9-33)(9-35)(9-36)

交VD1與VD2之比為以上是在沒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)時得到的一些公式。若在異質(zhì)結(jié)上施加外加電壓V。可以得到異質(zhì)結(jié)處于非平衡狀態(tài)時的一系列公式:(9-42)(9-43)(9-41)半導(dǎo)體異質(zhì)pn結(jié)的電流電壓特性及注入特性如圖半導(dǎo)體異質(zhì)pn結(jié)界面導(dǎo)帶連接處存在一勢壘尖峰,根據(jù)尖峰高低的不同有兩種情況。圖a表示勢壘尖峰低于p區(qū)導(dǎo)帶底的情況,稱為低勢壘尖峰情況,圖b表示勢壘尖峰高于p區(qū)導(dǎo)帶底的情況,稱為高勢壘尖峰情況(熱發(fā)射)。根據(jù)上述,低尖峰勢壘情形是異質(zhì)結(jié)的電子流主要由擴散機制決定,可用擴散模型處理,如圖9.11中圖a和圖b分別表示其零偏壓時和正偏壓時的能帶圖。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(9-59)(9-60)在穩(wěn)定情況下,p型半導(dǎo)體中注入少數(shù)載流子運動的連續(xù)性方程為其通解為從而求得電子擴散電流密度(9-62)(9-61)上式為由n型區(qū)注入p型區(qū)的電子擴散電流密度,以下計算由p型區(qū)注入n型區(qū)的空穴電流密度。從p區(qū)價帶頂?shù)目昭▌輭靖叨葹樵跓崞胶鈺rn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時在n區(qū)x=x2處的空穴濃度增加為(9-63)

從而求得空穴擴散電流密度、由(9-62)(9-65)可得外加電壓,通過異質(zhì)pn結(jié)的總電流為(9-66)(9-65)(9-64)異質(zhì)pn(擴散)結(jié)同質(zhì)pn結(jié):內(nèi)容半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的簡介異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)的特性異質(zhì)結(jié)的應(yīng)用簡介異質(zhì)結(jié)的一些特性和應(yīng)用注入特性:高注入比;超注入現(xiàn)象;界面二維電子氣;共振隧穿效應(yīng);超晶格結(jié)構(gòu);異質(zhì)pn結(jié)的注入特性異質(zhì)pn結(jié)電子電流與空穴電流的注入比為

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)低近兩個數(shù)量級,但注入比仍可高達,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)的主要特點之一,也因此得到重要應(yīng)用。

(9-75)超注入現(xiàn)象超注入現(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:二維電子氣在結(jié)平面上,電子可以自由運動;在與結(jié)平面垂直的方向上,電子被束縛在界面幾個到幾十個原子層的范圍內(nèi);高遷移率;能量量子化;應(yīng)用:HEMT(高電子遷移率晶體管)GaN-AlGaN器件高遷移率;寬禁帶;高熱導(dǎo)率和擊穿電壓;大功率微波器件;量子霍爾效應(yīng)RH=h/ie2 i為整數(shù)半導(dǎo)體超晶格半導(dǎo)體超晶格是指有交替生長兩種半導(dǎo)體材料薄層組成的一維周期性結(jié)構(gòu),而其薄層厚度的周期小于電子的平均自由程的人造材料。概念提出:1970江琦和朱照祥實現(xiàn):分子

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