化合物半导体器件第三章半导体异质结.ppt

* 化合物半导体器件 化合物半导体器件Compound Semiconductor Devices微电子学院戴显英2010.5 第三章 半导体异质结 异质结及其能带图 异质结的电学特性 量子阱与二维电子气 多量子阱与超晶格 半导体应变异质结 3.1 异质结及其能带图 3.1.1 异质结的形成 图3.1 III-V族和II-VI族化合物 半导体的禁带宽度和晶格常数 1）异质结 2）异质结形成的工艺 3）异质结的类型 4）异质结形成的关键 5）晶格失配 3.1 异质结及其能带图 图3.3 晶格失配形成位错缺陷 6）单位面积的悬挂键数 （张）应变Si示意图 3.1 异质结及其能带图 图3 半导体能带边沿图 图4 孤立的n型和p型半导体能带图 3.1.2 异质结的能带图 3.1 异质结及其能带图 3.1.2 异质结的能带图 图3.4 形成异质结之前(a)和之后(b)的平衡能带图 （以突变异质结为例） (a) (b) 1)突变反型异质结能带图 1、不考虑界面态时的能带图（理想状态） 3.1 异质结及其能带图 热平衡下的能带图（p-GaAs/N-AlGaAs） 图7 同质pn结平衡能带图 异质结pn平衡能带图 3.1 异质结及其能带图 热平衡下的能带图 突变反型np异质结平衡能带图 3.1 异质结及其能带图 Anderson定则（模型）： 异质结平衡能带的特点： ①能带发生弯曲 ② 能带在界面处不连续，有突变。 ①ΔEC=χ1-χ2 ②ΔEV=(Eg2-Eg1)-(χ1-χ2) = ΔEg- Δχ ③ΔEC+ΔEV = ΔEg 异质结能带的新要点 （特征）： 3.1 异质结及其能带图 3.1.2 异质结的能带图 2)突变同型异质结能带图 突变同型nn异质结平衡能带图 3.1 异质结及其能带图 3.1.2 异质结的能带图 2)突变同型异质结能带图 突变同型pp异质结平衡能带图 3.1 异质结及其能带图 2、考虑界面态时的能带图 3.1.2 异质结的能带图 3.1 异质结及其能带图 2、考虑界面态时的能带图 1）界面态 2）界面态密度ΔNS 3.1 异质结及其能带图 2、考虑界面态时的能带图 3）降低界面态 4）界面态的类型 5）巴丁极限 3.1 异质结及其能带图 2、考虑界面态时的能带图 6）考虑界面态影响的异质结能带示意图 3.1 异质结及其能带图 3、渐变异质结能带图 1）渐变的物理含义 3.1.2 异质结的能带图 2）渐变异质结的近似分析：能带的叠加 3）渐变能级 3.1 异质结及其能带图 1、势垒区宽度XD 3.1.3 突变反型异质结的接触势垒差及势垒区宽度 2、接触电势差VD 3、外加电压V 4、np突变异质结 （以pn异质结为例） 推导过程参考刘恩科等著《半导体物理》第9章 第三章 半导体异质结 异质结及其能带图 异质结的电学特性 量子阱与二维电子气 多量子阱与超晶格 半导体应变异质结 3.2 异质结的电学特性 3.2.1 突变异质结的I-V特性 (a) (b) 图3.8 异型异质结的两种势垒示意图 （a）负反向势垒；（b）正反向势垒 突变异质结的I-V模型：扩散模型、发射模型、发射-复合模型、隧道模型、隧道复合模型。 两种势垒尖峰： （a）低势垒尖峰- 负反向势垒 （b）高势垒尖峰- 正反向势垒 3.2 异质结的电学特性 1、低势垒尖峰（负反向势垒异质结）的I-V特性 2）载流子浓度 3）电子扩散电流密度Jn 4）空穴扩散电流密度Jp 5）总电流密度J=Jn+Jp 6）Jn、Jp大小对比分析 1）电流模型：主要由扩散机制决定 特征：势垒尖峰低于p区的EC 2、高势垒尖峰（正反向势垒异质结）的I-V特性 3.2 异质结的电学特性 3.2.1 突变异质结的I-V特性 1）电流模型：由热电子发射机制决定 2）电流密度 特征：势垒尖峰高于p区的EC 3.2.2 异质pn结的注入特性 3.2 异质结的电学特性 1.异质pn结的高注入比特性及其应用 例如，p-GaAs（窄禁带）/n-Al0.3Ga0.7As（宽禁带）， ΔEg=0.21eV，设p区掺杂浓度NA1=2X1019cm-3, n区掺杂浓度 ND2=5X1017cm-3，则 注入比 发射效率 同质结的BJT：基区不能太薄，频率特性不高； 异质结的HBT：基区可以很薄，频率特性很高； 3.2 异质结的电学特性 1.异质pn结的高注入比特性及其应用 异质结的应用 异质结双极晶体管（Heterojunctiong Bipolar Transistor，HBT），应用 于微波、毫米波领域