第九章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)

第九章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)以前討論的pn結(jié)，是由導(dǎo)電類(lèi)型相反的同一種半導(dǎo)體單晶體材料組成的，通常也稱為同質(zhì)結(jié)。而兩種不同的半導(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(jiǎn)單介紹一些應(yīng)用。本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第1頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分9.1.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的能帶圖根據(jù)兩種半導(dǎo)體單晶材料的導(dǎo)電類(lèi)型，異質(zhì)結(jié)又分為以下兩類(lèi)：

1.反型異質(zhì)結(jié)，指有導(dǎo)電類(lèi)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)

2.同型異質(zhì)結(jié)，指有導(dǎo)電類(lèi)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)和緩變形異質(zhì)結(jié)兩種?！?.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)及其能帶圖本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第2頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

如果從一種半導(dǎo)體材料向另一種半導(dǎo)體材料得過(guò)渡只發(fā)生于幾個(gè)原子范圍內(nèi)，則稱為突變型異質(zhì)結(jié)。如果發(fā)生于幾個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度范圍內(nèi)，則稱為緩變形異質(zhì)結(jié)。

1.不考慮界面態(tài)時(shí)的能帶圖

（1）突變反型異質(zhì)結(jié)能帶圖

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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)。圖9.1形成突變pn異質(zhì)結(jié)之前和之后的平均能帶圖本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第4頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

如從圖中可見(jiàn)，在形成異質(zhì)結(jié)之前，p型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)EF1的位置為而n型的半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)EF2的位置為當(dāng)這兩塊導(dǎo)電類(lèi)型相反的半導(dǎo)體材料緊密接觸形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，由于n型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)位置高，電子將從n型半導(dǎo)體流向p半導(dǎo)體，同時(shí)空穴在與電子相反的方向流動(dòng)，直至兩塊半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)相等為止。(9-1)(9-2)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第5頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

這時(shí)兩塊半導(dǎo)體有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，即因而異質(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，是空間電荷區(qū)中的能帶發(fā)生彎曲。由于EF2比EF1高，則能帶總的彎曲量就是真空電子能級(jí)的彎曲量即(9-3)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第6頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

顯然處于熱平衡狀態(tài)的pn異質(zhì)結(jié)的能帶圖如圖9.1（b）所示。從圖中看到有兩塊半導(dǎo)體材料的交界面即附近的能帶可反應(yīng)出兩個(gè)特點(diǎn)：1.能帶發(fā)生了彎曲。2.能帶再交界面處不連續(xù)，有一個(gè)突變。兩種半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底在交界面的處突變?yōu)槎鴥r(jià)帶頂?shù)耐蛔優(yōu)?9-5)(9-4)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第7頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

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。下圖9.2為實(shí)際的p-n-Ge-GaAs異質(zhì)結(jié)的能帶圖圖9.2p-n-Ge-GaAs異質(zhì)結(jié)的能帶圖(9-6)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第8頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

表9-1為實(shí)驗(yàn)測(cè)定的p型Ge與n型GaAs的有關(guān)常數(shù)值。圖9-3為突變np異質(zhì)結(jié)能帶圖，其情況與pn異質(zhì)結(jié)類(lèi)似。

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（2）突變同型異質(zhì)結(jié)的能帶圖圖9-4(a)均是n型的兩種不同的半導(dǎo)體材料形成的異質(zhì)結(jié)之間的平衡能帶圖；（b）為形成異質(zhì)結(jié)之后的平衡能帶圖。當(dāng)兩種半導(dǎo)體材料緊密接觸形成異質(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)。本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第10頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

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，一般必有一變成為積累層。圖9.5為pp異質(zhì)結(jié)在熱平衡時(shí)的能帶圖。其情況與nn異質(zhì)結(jié)類(lèi)似。實(shí)際上由于形成異質(zhì)結(jié)的兩種半導(dǎo)體材料的禁帶寬度、電子親和能及功函數(shù)的不同，能帶的交界面附近的變化情況會(huì)有所不同。本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第11頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

2.考慮界面態(tài)時(shí)的能帶圖

通常制造突變異質(zhì)結(jié)時(shí)，是把一種半導(dǎo)體材料在和它具有相同的或不同的晶格結(jié)構(gòu)的另一種半導(dǎo)體材料上成長(zhǎng)而成。生長(zhǎng)層的晶格結(jié)構(gòu)及晶格完整程度都與這兩種半導(dǎo)體材料的晶格匹配情況有關(guān)。表9-2列出若干半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的晶格失配的百分?jǐn)?shù)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第12頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

在異質(zhì)結(jié)中，晶格失配是不可避免的由于晶格失配，在兩種半導(dǎo)體材料的交界面處產(chǎn)生了懸掛鍵，引入了表面態(tài)。圖9.6表示產(chǎn)生懸掛鍵的示意圖。突變異質(zhì)結(jié)的交界面處的懸掛鍵密度為兩種半導(dǎo)體材料在交界面處的鍵密度之差。即下面計(jì)算具有金剛石型結(jié)構(gòu)的兩塊半導(dǎo)體所形成的異質(zhì)結(jié)的懸掛鍵密度圖9.6產(chǎn)生懸掛鍵的示意圖

(9-7)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第13頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

如圖9.7所示因此對(duì)于晶格常數(shù)分別為a1、a2的兩塊半導(dǎo)體形成的異質(zhì)結(jié)，以（111）晶面為交界面的時(shí)懸掛鍵密度為同理（110）晶面，懸掛鍵密度為圖9.7金剛石結(jié)構(gòu)（111）面內(nèi)的鍵數(shù)(9-9)(9-8)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第14頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

同理（110）晶面，懸掛鍵密度為應(yīng)用以上公式，計(jì)算得Ge-GaAs異質(zhì)結(jié)的懸掛鍵密度如表9-3所示(9-10)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第15頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

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)，在表面處的費(fèi)米能級(jí)位于禁帶寬度的1/3處，如圖9-8所示。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。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。對(duì)與異質(zhì)結(jié)來(lái)說(shuō)，當(dāng)懸掛鍵起施主作用時(shí)，則pn、np、pp異質(zhì)結(jié)的能帶圖如9-9中的（a）、（b）、（c）所示本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第16頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

當(dāng)懸掛鍵起受主作用時(shí)，則pn、np、pp異質(zhì)結(jié)的能帶圖如圖9-9中的（d）（e）（f）圖所示。以上討論可知，當(dāng)兩種半導(dǎo)體的晶格常數(shù)極為接近時(shí)，晶格間匹配較好，一般可以不考慮界面態(tài)的影響。但是在實(shí)際中，即使兩種半導(dǎo)體材料的晶格常數(shù)在室溫時(shí)相同，但考慮它們的熱膨脹系數(shù)不同，在高溫下，也將發(fā)生晶格適配從而產(chǎn)生懸掛鍵，在本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第17頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

交界面處引入界面態(tài)。

9.1.2突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差及勢(shì)壘區(qū)寬度以突變pn異質(zhì)結(jié)為例設(shè)p型和n型半導(dǎo)體中的雜志都是均勻分布的，則交界面兩邊的勢(shì)壘區(qū)中的電荷密度可以寫(xiě)成(9-11)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第18頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

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：(9-13)(9-12)(9-14)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第19頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

將(9-15)(9-16)積分一次得(9-15)(9-16)(9-17)(9-18)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第20頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

因勢(shì)壘區(qū)外是電中性的，電場(chǎng)集中在勢(shì)壘區(qū)內(nèi)，故邊界條件為有邊界條件定出因此，式（9-17）、式（9-18）為(9-19)(9-20)(9-21)(9-22)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第21頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

對(duì)式（9-21）、式（9-22）積分得在熱平衡條件下，異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差VD為而VD在交界面p型半導(dǎo)體一側(cè)的電勢(shì)差為(9-24)(9-23)(9-25)(9-26)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第22頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

而VD在交界面n型半導(dǎo)體一側(cè)的電勢(shì)差為在交界面處，電勢(shì)連續(xù)變化，故令V1(x)=0，則VD=V2(x)，并代入式（9-23）、式（9-24）中得因此，將D1、D2分別代入式(9-23)及式（9-24）得(9-27)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第23頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

由V1(x0)=V2(x0)，即得接觸電勢(shì)差VD為而(9-29)(9-28)(9-31)(9-30)(9-32)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第24頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

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(9-34)(9-33)(9-35)(9-36)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第25頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

在交界面兩側(cè)，兩種半導(dǎo)體中的勢(shì)壘寬度分別為

將上述兩式分別代入（9-31）（9-32）(9-38)(9-37)(9-39)(9-40)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第26頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

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：(9-42)(9-43)(9-41)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第27頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

(9-44)(9-46)(9-45)(9-48)(9-47)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第28頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

以上所得公式，將下標(biāo)1與2互換之后，就能用于突變np異質(zhì)結(jié)。

9.1.3突變反型異質(zhì)結(jié)的勢(shì)壘電容突變反型異質(zhì)結(jié)的勢(shì)壘電容，可以用和計(jì)算普通pn結(jié)的勢(shì)壘電容類(lèi)似的方法計(jì)算如下：將（9-13）代入（9-12）得

將式（9-43）代入（9-49）得(9-50)(9-49)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第29頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

有微分電容C=dQ/dV，即可求的單位面積勢(shì)壘電容和外加電壓的關(guān)系為：若結(jié)面積為A，則勢(shì)壘電容為將（9-52）寫(xiě)成如下形式(9-53)(9-52)(9-51)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第30頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

可見(jiàn)，與外電壓V呈線性關(guān)系。而直線的斜率是若已知一種半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)濃度，則由斜率可算出另一種半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)濃度。

9.1.4突變同型異質(zhì)結(jié)的若干公式

對(duì)于突變同型異質(zhì)結(jié)，禁帶寬度小的半導(dǎo)體一側(cè)是積累層，禁帶寬度大的半導(dǎo)體一側(cè)是耗盡層。從電中性條件和泊松方程求得的接觸電勢(shì)差為超越函數(shù)。有關(guān)公式如下：(9-54)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第31頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

在時(shí)，有

(9-57)(9-56)(9-55)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第32頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

以上各式nn異質(zhì)結(jié)在熱平衡狀態(tài)下求得的。安迪生證明，對(duì)于nn異質(zhì)結(jié)，在雜質(zhì)時(shí)，用類(lèi)似于金屬—半導(dǎo)體接觸間的電容方法，得到每單位面積結(jié)電容公式為作1/C2對(duì)V的直線，從直線斜率，可以求出半導(dǎo)體2的施主雜質(zhì)濃度ND2。如將施主雜質(zhì)濃度改為受主雜質(zhì)濃度，結(jié)得到適用于pp異質(zhì)結(jié)的公式。(9-58)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第33頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分9.2.1突變異質(zhì)結(jié)pn結(jié)的電流—電壓特性如圖半導(dǎo)體異質(zhì)pn結(jié)界面導(dǎo)帶連接處存在一勢(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§9.2半導(dǎo)體異質(zhì)pn結(jié)的電流電壓特性及注入特性本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第34頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分根據(jù)上述，低尖峰勢(shì)壘情形是異質(zhì)結(jié)的電子流主要有擴(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)(9-59)(9-60)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第35頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分在穩(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)性方程為其通解為從而求得電子擴(kuò)散電流密度(9-62)(9-61)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第36頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分上式為由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(9-63)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第37頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

從而求得空穴擴(kuò)散電流密度、由（9-62）（9-65）可得外加電壓，通過(guò)異質(zhì)pn結(jié)的總電流為(9-66)(9-65)(9-64)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第38頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分上式證明正向電壓時(shí)電流隨電壓按指數(shù)關(guān)系增加。分別用n區(qū)和p區(qū)的多數(shù)載流子濃度n20和p10表為故，表明通過(guò)結(jié)的電流主要由電子電流組成，空穴電流占比很小。單位時(shí)間從n區(qū)撞擊到勢(shì)壘處單位面積上的電子數(shù)為(9-69)(9-68)(9-67)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第39頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分故由n區(qū)注入p區(qū)的電子電流密度同理得到從p區(qū)注入n區(qū)電子流密度為得到(9-70)(9-71)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第40頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分總電流密度由于異質(zhì)結(jié)情況的復(fù)雜性，上式也只得到了小部分異質(zhì)結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的證實(shí)。正向電壓時(shí)，主要由從n區(qū)注入p區(qū)的電子流形成，則說(shuō)明發(fā)射模型也同樣得到正向時(shí)電流隨電壓按指數(shù)關(guān)系增加。（9-72）不能用于加反向電壓的情況。(9-72)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第41頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

9.2.2異質(zhì)pn結(jié)的注入特性1.異質(zhì)pn結(jié)的高注入比特性及其應(yīng)用

由式(9-67)和式(9-68)可得異質(zhì)pn結(jié)電子電流與空穴電流的注入比為在p區(qū)和n區(qū)雜質(zhì)完全電離的情況上式可表為：(9-74)(9-73)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第42頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分以寬禁帶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。在npn雙極晶體管，發(fā)射結(jié)效率定義為(9-76)(9-75)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第43頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分式中Jn和Jp分別表示由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子電流濃度和由基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的空穴電流密度，當(dāng)接近于1時(shí)，才能獲得高的電流放大倍數(shù)。對(duì)于同質(zhì)結(jié)的雙晶體管，為了提高電子發(fā)射效率，發(fā)射區(qū)的摻雜濃度應(yīng)較基區(qū)摻雜濃度高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這就限制了基區(qū)摻雜濃度不能太高，增加基區(qū)的電阻，而為了減小基區(qū)電阻，基區(qū)寬度就不能太薄，影響了頻率特性的提高。從前面的討論可得到，采用寬禁帶n型半導(dǎo)體和窄禁帶p型半導(dǎo)體形成的異質(zhì)結(jié)作為發(fā)射結(jié)，則獲得高的注入比和發(fā)射效率，使基區(qū)厚度大大減薄，從而大大提高晶體管的頻率特性。使用這種結(jié)構(gòu)制作的雙極晶體管稱為異質(zhì)結(jié)雙極晶體管。本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第44頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分2.異質(zhì)pn結(jié)的超注入現(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(guò)寬帶半導(dǎo)體中發(fā)多數(shù)載流子濃度，這一現(xiàn)象首先在由寬禁帶n型和窄禁帶p型GaAs組成的異質(zhì)pn結(jié)中觀察到的。加正向電壓時(shí)n區(qū)導(dǎo)帶底相對(duì)p區(qū)導(dǎo)帶底隨所加電壓的增加而上升，當(dāng)電壓足夠大時(shí)，結(jié)勢(shì)壘可被拉平由于導(dǎo)帶價(jià)的存在，n區(qū)導(dǎo)帶底甚至高于p區(qū)導(dǎo)帶底。超注入現(xiàn)象是異質(zhì)結(jié)構(gòu)特有的另一重要特性，在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)激光器中得到重要應(yīng)用。本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第45頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

9.3.1半導(dǎo)體調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面量子阱1.界面量子阱中二維電子氣的形成及其電子能態(tài)由寬禁帶重?fù)诫s的n型與不摻雜GaAs組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，由于重?fù)诫s的n型的費(fèi)米能級(jí)距離禁帶底很近，遠(yuǎn)高于位于禁帶中部附近的GaAS費(fèi)米能級(jí)，因此形成結(jié)后，電子將從注入到GaAs中，最后達(dá)到平衡時(shí)，結(jié)兩邊費(fèi)米能級(jí)相等，在結(jié)處形成空間電荷區(qū)?！?.3半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)量子阱結(jié)構(gòu)及其電子能態(tài)與特性本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第46頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分空間電荷區(qū)正負(fù)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)，使結(jié)附近的能帶發(fā)生彎曲，如圖（a）所示。在GaAs近結(jié)處形成勢(shì)阱。以下討論勢(shì)阱中電子的能態(tài)。去垂直與異質(zhì)結(jié)界面方向?yàn)閦軸，從（b）中可以看到電子在勢(shì)阱場(chǎng)作用下的勢(shì)能為z軸。

本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第47頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分根據(jù)有效質(zhì)量近似，勢(shì)阱中電子的波函數(shù)和能量E滿足以下方程用分離變量法求解令代入式(9-77)分別滿足方程(9-77)(9-78)(9-79)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第48頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分式中由(9-78)可解得為一在x-y平面內(nèi)的平面波對(duì)應(yīng)的能量上述結(jié)果顯示勢(shì)阱中的電子在與結(jié)平行的平面內(nèi)做自由電子運(yùn)動(dòng)，實(shí)際就是在量子勢(shì)阱內(nèi)的準(zhǔn)二維運(yùn)動(dòng)，故稱為二維電子氣。2.二維電子氣的子帶與態(tài)密度以上討論中得到異質(zhì)結(jié)市井電子的能量(9-80)(9-82)(9-81)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第49頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分式電子能值還可因kx和ky取值不同而取不同的能指，這些Ei相同，(kx,ky)取之不同的電子能態(tài)組成一個(gè)帶，成為子帶。以下求子帶中電子的態(tài)密度。2DEG單位面積能量間隔的子帶態(tài)密度上式給出任一子帶i中2DEG的態(tài)密度相加后，就可得到異質(zhì)結(jié)2DEG的電子態(tài)密度(9-84)(9-83)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第50頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分D(E)與能量的關(guān)系呈梯度裝，如圖(b)所示，圖(a)表示Ei在異質(zhì)結(jié)勢(shì)阱中的位置3.調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的電子的高遷移特性由重?fù)诫sn型與不摻雜GaAs組成的調(diào)制摻雜結(jié)構(gòu)其主要優(yōu)點(diǎn)為，電子供給區(qū)是在重?fù)诫s的n型中，而電子輸運(yùn)過(guò)程則是再不摻雜的GaAs中進(jìn)行的。本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第51頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分由于二者在空間中是分開(kāi)的，這就消除了電子在輸運(yùn)過(guò)程中所受的電力雜質(zhì)的散射作用，從而大大提高電子遷移率。圖為早期用與不摻雜GaAs在絕緣體GaAs襯底上制作的HEMT結(jié)構(gòu)示意圖本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第52頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

9.3.2雙異質(zhì)結(jié)間的單量子阱結(jié)構(gòu)1.導(dǎo)帶量子阱中電子能態(tài)在寬禁帶半導(dǎo)體材料上異質(zhì)外延較厚的GaAs然后再異質(zhì)外延較厚的就可以形成單量子阱結(jié)構(gòu)。如不考慮這種結(jié)構(gòu)中與GaAs間電子和空穴交換而引起的能帶彎曲，如圖(a)表示。GaAs導(dǎo)帶中電子在量子勢(shì)阱中的勢(shì)能分布如圖(b).

本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第53頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分設(shè)勢(shì)阱的寬度為l，取垂直于界面方向?yàn)閦軸，勢(shì)阱中間點(diǎn)為原點(diǎn)，則勢(shì)能函數(shù)V(z)為

由于量子阱中電子在平衡與界面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)是自由的，形成二維電子氣。與z方向?qū)?yīng)的電子波函數(shù)u(z)仍滿足將式(9-85)中的V(z)代入上式得(9-85)(9-88)(9-87)(9-86)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第54頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分對(duì)于電子能量Ez自傲與勢(shì)阱高度的束縛態(tài)，，求解式(9-88),并應(yīng)用波函數(shù)u(z)處有限量子條件，可得說(shuō)明，電子能量Ez小于勢(shì)阱高度時(shí)，電子在阱外的幾率隨遠(yuǎn)離勢(shì)阱而指數(shù)地減小。在的阱內(nèi)區(qū)域，由式(9-87)可得到兩個(gè)解波函數(shù)為奇宇稱態(tài)，為偶宇稱態(tài)。(9-90)(9-89)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第55頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分對(duì)于偶宇稱態(tài)，連續(xù)性條件為可得令，，得式中u和v都是Ez的函數(shù)，可用數(shù)值方法或圖解方法求解，則可得到對(duì)應(yīng)偶宇稱態(tài)的分離值。(9-92)(9-91)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第56頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分同理，對(duì)于奇宇稱態(tài)，可得則得對(duì)應(yīng)奇宇稱態(tài)能量Ez的本征值。以上討論說(shuō)明：1.當(dāng)時(shí)，在勢(shì)阱區(qū)兩邊勢(shì)壘區(qū)有一定的穿入深度；2.電子態(tài)的能值為位于勢(shì)阱內(nèi)的一些分離能級(jí)E1，E2，E3、、Ei、、對(duì)應(yīng)于電子的束縛態(tài)；3.從(9-92)可看到，不管值大小，至少有一個(gè)解存在，即阱內(nèi)總有一個(gè)束縛態(tài)存在，4.勢(shì)阱深度越大，阱內(nèi)的束縛態(tài)越多。(9-93)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第57頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分當(dāng)為無(wú)窮大時(shí)，由式(9-88)和式(9-89)可看到時(shí)，U(z)在區(qū)相等于零，根據(jù)波函數(shù)連續(xù)的條件得可得對(duì)于奇宇稱態(tài)式中2n取偶數(shù)值，對(duì)偶宇稱態(tài)式中2n+1取一切奇數(shù)值。(9-94)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第58頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分合并上二式，則得束縛態(tài)能值上式表示在無(wú)限深勢(shì)阱束縛態(tài)的能量，對(duì)應(yīng)的波函數(shù)可從式(9-90)(9-94)求的如下這些波函數(shù)為在處其值為零的駐波如圖所示。(9-96)(9-95)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第59頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分合與前節(jié)所討論的情況相同，計(jì)及電子在平行于結(jié)平面準(zhǔn)二維運(yùn)動(dòng)的能量，勢(shì)阱中電子的能量為在i取定后，由不同(kx,ky)取值的電子能態(tài)組成能帶，可求的子帶的態(tài)密度Di(E)及總態(tài)密度仍由(9-83)和(9-84)表示。量子阱中電子態(tài)的主要特征有圖表示(9-97)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第60頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分2.價(jià)帶量子阱中的空穴能態(tài)在量子阱中輕、重空穴的簡(jiǎn)并消除了，由于輕、重空穴有效質(zhì)量的不同，它們所受到的量子尺度效應(yīng)不同，因而量子化束縛態(tài)能級(jí)分裂程度不同，重空穴束縛態(tài)能級(jí)分布較密，而輕空穴束縛態(tài)能級(jí)分布較稀。如圖(a)給出GaAs價(jià)帶量子阱中空穴束縛態(tài)能級(jí)分布圖的示意圖，圖(b)為量子阱中束縛態(tài)能級(jí)的完整圖像。本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第61頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分3.量子阱中的激子半導(dǎo)體中電子和空穴因庫(kù)侖力相互作用可形成束縛的電子、空穴對(duì)，稱為激子。在半導(dǎo)體量子阱中電子和空穴也可因庫(kù)倫作用而形成激子，所不同的是，激子是處于封閉的量子阱中，受到量子尺寸效應(yīng)的限制，是準(zhǔn)二維的。當(dāng)量子阱寬度l減小時(shí)，電子和空穴間的庫(kù)倫相互作用增強(qiáng)，激子半徑減小，因而其結(jié)合能較體材料中激子的結(jié)合能強(qiáng)得多。由于價(jià)帶量子阱中同時(shí)存在束縛態(tài)輕、重空穴，因而有輕空穴和重空穴之分。本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第62頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

9.3.3雙勢(shì)壘單量子阱結(jié)構(gòu)及共振隧穿效應(yīng)1.如圖給出了雙勢(shì)壘單量子阱樣品的電流—電壓特性和導(dǎo)電—電壓特性。在圖(a)中可以看到由勢(shì)阱中部到左電極的電壓降為外加電壓的一半時(shí)，費(fèi)米能級(jí)EF的升高等于勢(shì)阱中能級(jí)E1故有，V1為共振時(shí)加的電壓，此處對(duì)應(yīng)于第一次共振隧穿。同理當(dāng)外加電壓升高至V2，使左方EF下導(dǎo)帶中的電子與E2對(duì)齊時(shí)發(fā)生第二次共振隧穿如圖(c)所示，此時(shí)。本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第63頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分上圖看到在(c)處附近發(fā)生明顯的負(fù)微分電阻區(qū)，表明該處出現(xiàn)負(fù)阻效用。隨著外延材料質(zhì)量及器件設(shè)計(jì)技術(shù)的改進(jìn)，有報(bào)道用共振隧穿二極管在4.2K低溫下測(cè)得尖銳的電流—電壓曲線如圖所示。圖中右上方小圖表示所用樣品結(jié)構(gòu)及其能帶圖。由圖中可看到有尖銳的共振隧穿電流峰和很強(qiáng)的微分負(fù)阻效應(yīng)。本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第64頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分組成半導(dǎo)體異質(zhì)節(jié)的兩種材料的晶格失配時(shí)，在界面處會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)缺陷，對(duì)異質(zhì)結(jié)器件有不利的影響。界面缺陷錯(cuò)位對(duì)載流子的散射等作用將使遷移率下降，導(dǎo)致器件性能下降。因此在器件應(yīng)用中，要求選取晶格匹配的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)。在實(shí)際中半導(dǎo)體中兩種材料晶格常數(shù)相等的情形幾乎沒(méi)有如圖，晶格失配小于0.1%的材料也是極少?！?.4半導(dǎo)體應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第65頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

9.4.1應(yīng)變異質(zhì)結(jié)

以上討論兩種晶格常數(shù)很接近的半導(dǎo)體材料，所組成的晶格匹配異質(zhì)結(jié)，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)在一種材料襯底上外延另一種晶格常數(shù)不匹配的材料時(shí)，只要兩種材料的晶格常數(shù)常數(shù)相差不是太大，外延層的厚度不超過(guò)某個(gè)臨界值時(shí)，仍可獲得晶格匹配的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。但生長(zhǎng)的外延層發(fā)生了彈性應(yīng)變，在平衡結(jié)方向產(chǎn)生張應(yīng)變或壓縮應(yīng)變，使晶格常數(shù)改變?yōu)榕c襯底的晶格相匹配，同時(shí)在與結(jié)平面垂直的方向上也產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變。這種異質(zhì)結(jié)稱為應(yīng)變異質(zhì)結(jié)。當(dāng)外延層的厚度超過(guò)臨界厚度時(shí)，則外延層的應(yīng)變消失，恢復(fù)原來(lái)的晶格常數(shù)，成為馳豫。本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第66頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分應(yīng)變異質(zhì)結(jié)的生長(zhǎng)與弛豫過(guò)程可有圖示意表示，在(a)中表示下面襯底的晶格常數(shù)小于上面將外延材料的晶格常數(shù)，(b)表示外延生長(zhǎng)后形成的應(yīng)變異質(zhì)結(jié)，(c)表示馳豫后的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在界面處因晶格不匹配而產(chǎn)生缺陷。由于發(fā)生應(yīng)變，同時(shí)伴有應(yīng)變存在，這種力稱為內(nèi)應(yīng)力。從圖(b)中還可看到應(yīng)變異質(zhì)結(jié)界面晶格是匹配的，不存在因晶格不匹配而產(chǎn)生的界面缺陷，因此可很好地應(yīng)用于器件制作。本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第67頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

9.4.2應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)中應(yīng)變層資料能帶的改性應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，不僅擴(kuò)展了異質(zhì)結(jié)材料的種類(lèi)，還提供了應(yīng)變異質(zhì)結(jié)贗晶層的應(yīng)變使材料的能帶結(jié)構(gòu)及其他一些特性發(fā)生改變以實(shí)現(xiàn)材料人工改性的新途徑。目前最受重視的就是在無(wú)應(yīng)變的Si1-xGe晶體上異質(zhì)生長(zhǎng)應(yīng)變Si的技術(shù)與應(yīng)用。理論和實(shí)驗(yàn)研究證明，橫向張應(yīng)變導(dǎo)致k空間和軸的兩個(gè)極值點(diǎn)的能量值相對(duì)于其他4個(gè)極值點(diǎn)的能量下降，即應(yīng)變使原來(lái)六度簡(jiǎn)并的能谷分裂為方向的二度簡(jiǎn)并能谷和垂直于軸平面內(nèi)的四度簡(jiǎn)并能谷。本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第68頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分如圖所示(a)為無(wú)應(yīng)變Si情形，導(dǎo)帶電子均分布于6個(gè)能谷中，圖(b)為應(yīng)變情形，軸的能谷容納了更多的電子，其他4個(gè)能谷中的電子減少。因此應(yīng)變Si導(dǎo)帶電子中，低能谷的電子所占的比重較無(wú)應(yīng)變Si情形大大增加。本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第69頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分當(dāng)軸能谷中的電子在垂直于軸的平面做橫向輸運(yùn)時(shí)，由于其有效質(zhì)量mt小，在導(dǎo)帶總電子數(shù)中占得比重又大，因而應(yīng)變Si的橫向電子遷移率較無(wú)應(yīng)變Si中大得多，這一結(jié)論已得到實(shí)驗(yàn)的證實(shí)，實(shí)驗(yàn)用的樣品為調(diào)制摻雜結(jié)構(gòu)如圖。本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第70頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分由以上所述可得，使用應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)的目的是利用異質(zhì)外延半導(dǎo)體應(yīng)變薄層中某些特性的改善，以提高器件和集成電路特性。本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第71頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

9.5.1GaN,AlGaN和InGaN的極化效應(yīng)AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)所以具有極高面密度的二維電子氣與材料內(nèi)部的極化效應(yīng)有關(guān)。一般在藍(lán)寶石(Al2O3)和SiC基片上外延制備的GaN精膜是沿或方向生長(zhǎng)的，當(dāng)GaN膜的上表面為Ga原子下表面為N原子時(shí)，稱為Ga的GaN，其自發(fā)極化強(qiáng)度Psp沿方向，即從表面指向內(nèi)部，如圖。§9.5GaN基半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第72頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分由于自發(fā)極化在GaN膜的上表面形成負(fù)束縛面電荷，下表面形成正束縛面電荷，其電荷面密度以和表示之。AlN,AlGaN,InN,InGaN膜的自發(fā)極化情況基本與GaN膜相似，如圖表示。至于AlxGa1-xN和InGa1-xN的自發(fā)極化強(qiáng)度數(shù)值，則分別有以下二式給出本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第73頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

AlxGa1-xN/GaN和InGa1-xN/GaN應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的AlxGa1-xN層和InGa1-xN層的壓電極化強(qiáng)度數(shù)值可分為由以下兩式給出故AlxGa1-xN/GaN應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)的AlxGa1-xN層總極化強(qiáng)度值為二者之和，較GaN層的自發(fā)極化強(qiáng)度值大66.6%。由式(9-101)看出InGa1-xN層的壓電極化強(qiáng)度值為正，表示[0001]方向，與自發(fā)極化強(qiáng)度方向相反(9-100)(9-99)(9-98)(9-101)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第74頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

9.5.2AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中二維電子氣的形成如圖為實(shí)際器件制作中通常采用AlxGa1-xN/GaN應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)及其中極化強(qiáng)度和束縛面電荷分布的示意圖AlxGa1-xN層的上表面，即頂層為Al和Ga原子。由于極化效應(yīng)，在AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的上下表面和異質(zhì)結(jié)界面處要產(chǎn)生束縛面電荷，在AlxGa1-xN層的下表面為正電荷，上表面為負(fù)電荷。本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第75頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分根據(jù)電學(xué)原理，可得當(dāng)Al組分x=0.3時(shí)，可得AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的GaN層中只存在自發(fā)極化，在GaN層上表面產(chǎn)生負(fù)束縛電荷，以表示其面密度，由可得在AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處的凈束縛電荷面密度為(9-103)和(9-104)二式的代數(shù)和。(9-104)(9-103)(9-102)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第76頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分以電子電量為單位，異質(zhì)結(jié)界面處的凈束縛電荷面密度為相當(dāng)每cm2有約個(gè)電子電量。在異質(zhì)結(jié)界面處產(chǎn)生如此高面密度的凈束縛正電荷，就會(huì)吸引帶負(fù)電的電荷，因而在異質(zhì)結(jié)界面GaN一側(cè)的三角形勢(shì)阱中形成高面密度的二維電子氣，異質(zhì)結(jié)界面處的束縛正電荷大部分被界面勢(shì)阱中二維電子氣的負(fù)電荷所補(bǔ)償。AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中極化效應(yīng)在AlxGa1-xN層的上表面所產(chǎn)生的高面密度負(fù)束縛電荷也會(huì)在表面上形成補(bǔ)償?shù)恼姾晌綄印?9-105)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第77頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分以上說(shuō)明了AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)界面處所產(chǎn)生高面密度二維電子氣與材料中的自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)有密切關(guān)系。AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)結(jié)界面的導(dǎo)帶節(jié)在一定溫度下是Al組分x的函數(shù)，計(jì)算式如下：禁帶寬度有以下式計(jì)算由式(9-106)和式(9-107)算的溫室下x為0.3時(shí)AlxGa1-xN的禁帶寬度4.03eV而(9-108)(9-107)(9-106)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第78頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分上述結(jié)果說(shuō)明異質(zhì)結(jié)界面處的勢(shì)阱是較深的。以下是給出最近的計(jì)算結(jié)果。計(jì)算所取得的AlxGa1-xN/GaN應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)由Al組分為0.3，厚度為30nm的AlxGa1-xN和較厚的GaN層組成，表面吸附正電荷厚度為2nm，計(jì)算結(jié)果如圖所示。從圖可看出二維電子氣被局限在厚度為幾毫米的薄層內(nèi)。本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第79頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分AlxGa1-xN/GaN應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要作用之一為制作微波高溫高功率HEMT，或稱HFET，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第80頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分

9.5.3AlxGa1-xN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)據(jù)報(bào)道InxGa1-xN的禁帶寬度和InxGa1-xN與GaN間的導(dǎo)帶價(jià)可分別有以下二式計(jì)算：

InxGa1-xN/GaN雙異質(zhì)結(jié)藍(lán)色發(fā)光管的基本結(jié)構(gòu)是由n-GaN及在其上先后外延生長(zhǎng)的InxGa1-xN和p-GaN層結(jié)構(gòu)的，其中InxGa1-xN層形成勢(shì)阱，為激活區(qū)。如圖這一結(jié)構(gòu)為在正向電壓下的能帶圖。(9-110)(9-109)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第81頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分在加正向電壓Va后p-GaN區(qū)的能帶相對(duì)n-GaN區(qū)下降了qVa如圖所示，這是n-GaN區(qū)的電子注入InGaN層填充其導(dǎo)帶，而p-GaN區(qū)的空穴亦注入InGaN層填充其價(jià)帶。與此同時(shí)，分別進(jìn)入InGaN區(qū)導(dǎo)帶和價(jià)帶的電子和空穴不斷符合而發(fā)出光子，即發(fā)光。因此發(fā)射光子的能量應(yīng)等于InGaN層的禁帶寬度，即由此得出發(fā)光的波長(zhǎng)為：對(duì)x=0.13的InxGa1-xN層，從上式可的發(fā)光的波長(zhǎng)為0.4263nm屬于紫光范圍。(9-111)本文檔共92頁(yè)；當(dāng)前第82頁(yè)；編輯于星期六\10點(diǎn)23分半導(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)，而其薄層厚度的周期小于電子的平均自由程的人造材料。金屬有機(jī)化合物汽相淀積技術(shù)也