异质PN结能带图的绘制

异质结发展现状和原理

异质结发展现状及原理 pn结是组成集成电路的主要细胞。50年代pn结晶体管的发明和其后的发展奠定了这一划时代的技术革命的基础。pn结是在一块半导体单晶中用掺杂的办法做成两个导电类型不同的部分。一般pn结的两边是用同一种材料做成的(例如锗、硅及砷化镓等)，所以称之为“同质结”。如果把两种不同的半导体材料做成一块单晶，就称之为“异质结“。结两边的导电类型由掺杂来控制，掺杂类型相同的为“同型异质结”。掺杂类型不同的称为“异型异质结”。另外,异质结又可分为突变型异质结和缓变型异质结,当前人们研究较多的是突变型异质结。 1 异质结器件的发展过程 pn结是组成集成电路的主要细胞,50年代pn结晶体管的发明及其后的发展奠定了现代电子技术和信息革命的基础。 1947年12月,肖克莱、巴丁和布拉顿三人发明点接触晶体管。1956年三人因为发明晶体管对科学所做的杰出贡献,共同获得了科学技术界的最高荣誉——诺贝尔物理学奖。 1949年肖克莱提出pn结理论,以此研究pn结的物理性质和晶体管的放大作用,这就是著名的晶体管放大效应。由于技术条件的限制,当时未能制成pn结型晶体管,直到1950年才试制出第一个pn结型晶体管。这种晶体管成功地克服了点接触型晶体管不稳定、噪声大、信号放大倍数小的缺点。 1957年,克罗默指出有导电类型相反的两种半导体材料制成异质结,比同质结具有更高的注入效率。 1962年,Anderson提出了异质结的理论模型,他理想的假定两种半导体材料具有相同的晶体结构,晶格常数和热膨胀系数,基本说明了电流输运过程。

1968年美国的贝尔实验室和苏联的约飞研究所都宣布做成了双异质结激光器。 1968年美国的贝尔实验室和RCA公司以及苏联的约飞研究所都宣布做成了GaAs—AlxGal—。As双异质结激光器l；人5)．他们选择了晶格失配很小的多元合金区溶体做异质结对． 在70年代里，异质结的生长工艺技术取得了十分巨大的进展．液相夕随(LPE)、气相外延(VPE)、金属有机化学气相沉积(MO—CVD)和分子束外延(MBE)等先进的材料生长方法相继出现，因而使异质结的生长日趋完善。分子束外延不仅能生长出很完整的异质结界面，而且对异质结的组分、掺杂、各层厚度都能在原子量级的范围内精确控制。 2 异质结的结构、原理、 异型异质结 两块导电类型不同相同的半导体材料组成异质结称为异型异质结，有pN和Pn 两种情况，在这里只分析pN异质结。两种材料没有接触时各自的能带如图所示。接触以后由于费米能级不同而产生电荷转移，直到将费米能级拉平。这样就形成了势垒，但由于能带在界面上断续，势垒上将出现一个尖峰．如图3．2m。我们称这一模型为Anderson模型。

异质结

1异质结的理想能带结构 先不考虑界面态的影响来讨论异质结的理想能带图。 (1)异质结的形成 当两种不同导电类型的不同半导体材料构成异质结时，由于半导体的能带结构包括费米能级以及载流予浓度的不同，在不同半导体之间会发生载流子的扩散、转移，直到费米能级拉平，这样就形成了势垒。此时的异质结处于热平衡状态，如图1．2所示(n型的禁带宽度比p型的大)。与此同时，在两种半导体材料交界面的两边形成了空间电荷区(即势垒区或耗尽区)。n型半导体一边为正空间电荷区，p型半导体一边为负空间电荷区，由于不考虑界面态，所以在势垒区中正空间电荷数等于负空间电荷数。正、负空间电荷问产生电场，也称为内建电场，方向n—p，使结区的能带发生弯曲。 由于组成异质结的两种半导体材料的介电常数不同，各自禁带宽度不同，因而内建电场在交界面是不连续的，导带和价带在界面处不连续，界面两边的导带出现明显的“尖峰”和“尖谷”，价带出现断续，如图1．2所示。这是异质结与同质结明显不同之处。 （2）不同导电类型和禁带宽度构成的异质结 由两种半导体材料(导电类型和禁带宽度不同)构成的异质结，其能带结构有四种不同的类型(图1．3)。 在异质结器件中我们首先关心的是少子的运动。因为在这种“p窄n宽”的异质结中图l.3(a)，导带底在交界面处的突变△Ee对P区中的电子向n区的运动起势垒的作用，所以对电子的输运影响较大。而价带虽然也有一个断续，但它对n区中的空穴向p区运动没有明显的影响，～般情况下可以不加考虑。 反之，对于“p宽n窄”的异质结[图1．3(d)]，情况正好相反，界面两边的价带出现明显的“尖峰”和“尖谷”，

所以对空穴的输运影响较大。导带出现断续，但它对p区的电子向n区运动也没有明显的影响。同型异质结也同样存在“尖峰”和“尖谷”[图1．3(b)、(c)]。异质结内尖峰的存在阻止了电子的输运，这就是所谓的“载流予的限制作用”。 （3）各自掺杂浓度来决定尖峰在势垒区中的位置 尖峰的位置处于势垒上的什么位置将由两边材料的相对掺杂浓度来决定。可能出现几种情况(图1．4示)：（a）当宽带掺杂比窄带少得多时，势垒主要落在宽带区，尖峰靠近势垒的项部；(b)两边掺杂差不多时，势垒尖峰在平衡时并不露出P区的导带底，但在有正向外加电压时有可能影晌载流子的输运；(c)窄带掺杂比宽带少得多时势垒主要降在窄带区，尖峰靠近势垒的根部。

异质结

1.太阳能电池在光学设计优化中主要采取的措施。 A.在电池表面镀上减反射膜； B.增加电池厚度以提高吸收； C.表面制绒； D.通过表面制绒与光陷阱的结合来增加电池中的光径长度； 2.名词解释: 弗伦克尔缺陷：弗伦克尔缺陷是指原子离开其平衡位置而进入附近的间隙位置，在原来的位置上留下空位所形成的缺陷。其特点是填隙原子与空位总是成对出现。 光生伏特效应 反型异质结光谱响应的窗口效应：对于反型异质结，光从宽带隙材料表面入射并且垂直结平面。高能量的光子被宽带隙材料吸收，低能量的光子穿过宽带材料并且在界面附近被窄带材料吸收。 自发辐射：在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去 受激辐射：在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1上与穴复合，释放的能量产生光辐射 反向饱和电流：在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关 相干光：频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同 非相千光：其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的 2.PN异质结可能存在的几种主要的电流输运机构。 A.扩散（发射）模型； B.简单隧道模型； C.界面复合模型； D.隧道复合模型； E.界面—隧道复合模型； 4.电子跃迁的基本方式。 A.带间跃迁 B.经由杂质或缺陷的跃迁 C.热载流子的带间跃迁 5.突变反型异质结的扩散模型要满足的四个条件。 A.突变耗尽条件：电势集中在空间电荷区，注入的少数载流子在空间电荷区之外是纯扩散运动； B.波尔兹曼边界条件：载流子分布在空间电荷区之外满足波尔兹曼统计分布； C.小注入条件：注入的少数载流子浓度比平衡多数载流子浓度小得多； D.忽略载流子在空间电荷区的产生和复合。 6、半导体激光器的工作原理 向半导体PN 结注入电流，实现离子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡。 半导体发光二极管的工作原理 给发光二极管加上正向电压后，从P区到N 区的空穴和N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。 太阳能电池的工作原理：

第四章 半导体异质结

第4章半导体异质结 4.1 半导体异质结界面 4.2 半导体异质结的能带突变 4.3 半导体异质结的能带图 4.1 半导体异质结界面 半导体异质结概念 同质结（p-n结）：在同一块单晶材料上，由于掺杂的不同形成的两种导电类型不同的区域，区域的交接面就构成了同质结。 若形成异质结的两种材料都是半导体，则为半导体异质结。若一方为半导体一方为金属，则为金属－半导体接触，这包括Schottky结和欧姆接触。 1957年，德国物理学家赫伯特.克罗默指出有导电类型相反的两种半导体材料制成异质结，比同质结具有更高的注入效率。1960年，Anderson制造了世界上第一个Ge－GaAs异质结。1962年，Anderson提出了异质结的理论模型，他理想的假定两种半导体材料具有相同的晶体结构，晶格常数和热膨胀系数，基本说明了电流输运过程。 1968年美国的贝尔实验室和苏联的约飞研究所都宣布做成了GaAs-AlxGa1-xAs双异质结激光器。在70年代里，金属有机物化学气相沉积（MOCVD）和分子束外延(MBE)等先进的材料成长方法相继出现，使异质结的生长日趋完善。 半导体异质结分类 1.根据半导体异质结的界面情况，可分为三种： （1）晶格匹配的异质结。300K时，如： Ge/GaAs(0.5658nm/0.5654nm) GaAs/AlGaAs（0.5654nm/0.5657nm）、 InAs/GaSb（0.6058nm/0.6095nm） （2）晶格不匹配的异质结 （3）合金界面异质结 2.根据过渡空间电荷分布情况及过渡区宽度的不同： （1）突变异质结：在不考虑界面态的情况下，从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡只发生于几个原子距离（≤1μm）范围内。 （2）缓变异质结：在不考虑界面态的情况下，从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡发生于几个扩散长度范围内。 3.根据构成异质结的两种半导体单晶材料的导电类型： （1）反型异质结：由导电类型相反的两种半导体单晶材料所形成的异质结。 如（p）GaAs－（n）AlGaAs （2）同型异质结：由导电类型相同的两种半导体单晶材料所形成的异质结。 如（n）GaAs－（n）AlGaAs 为了方便讨论两种不同带隙的半导体相接触所形成的异质结在使用符号上作了一些规定，用小写字母n和p表示窄禁带半导体的导电类型，用大写字母P和N表示宽带隙半导体导电类型。例如：p型窄带隙半导体GaAs和n型宽带隙半导体AlGaAs构成的异质结，p －N GaAs－AlGaAs，p型窄带隙半导体Ge和p型窄带隙半导体GaAs，p－p Ge－GaAs。另外，n－P GaAs－GaP，n－N Si－GaP