半导体器件物理CH2-4分析.ppt

2.2 异质结 在两种不同的半导体之间形成的结 1。基本器件模型 2.3 金属-半导体接触 导电类型相同?同型异质结 导电类型不同?异型异质结 发光二级管 光电探测器 太阳电池 基本器件模型 异质结器件 主要内容: 形成异质结的两种材料通常具有不同的能隙宽度Eg和介电常数 ? 。 理想突变异质结的能带模型 功函数 ?m 电子亲合势 ? 从费米能级将一个电子移到刚巧在该种材料之外的一个位置(真空能级)所需的能量 从导带底将一个电子移到刚巧在该种材料之外的一个位置(真空能级)所需的能量 带阶 价带边的能量差 ?EV ?价带带阶 Anderson 异质结能带模型 几个概念 导带边的能量差 ?EC ?导带带阶 能够初步解释部分输运过程 两种材料晶格结构、晶格常数、热膨胀系数相同，忽略悬键的产生和界面态。 1。基本器件模型 两片孤立半导体能带图 理想n-p异质结（窄带隙的n型和宽带隙的p型） 形成结时，热平衡状态下理想n-p异质结的能带图 平衡时： 1。基本器件模型 1和2 在结处各形成耗尽区=x1+x2 结处能带弯曲： 1中局部电子耗尽，能带向上弯 2中局部空穴耗尽，能带向下弯 真空能级在各处平行于带边； 费米能级在两侧一致； 总内建势为Vb1+Vb2=EF1-EF2； 电子亲和势不连续，界面处能量突变，形成带阶: ?Ec=?1-?2； ?Ev= ? Eg- ? ?； ?Ev+ ?Ec= ? Eg 耗尽层宽度： 求解界面两侧的突变结泊松方程得到耗尽层宽度和电容。 电容 ： 各半导体中承受的相对电压 ： 1。基本器件模型 理想n-n同型异质结 理想n-n同型异质结能带图 1。基本器件模型 理想p-n异质结能带图 理想 p-n异质结（窄带隙的p型和宽带隙的n型） 1。基本器件模型 理想p-p异质结能带图 理想p-p异质结 1。基本器件模型 导电机制?热电子发射 有效里查孙常数 电流密度 电流-电压关系 反向电流不会饱和，随V线性增加 正向电流： 1。基本器件模型 电流-电压特性-----理想n-n同型异质结 电流-电压特性 1。热发射模型?Anderson 2。考虑隧道效应 3。考虑界面复合 能够说明异质结的电流输运特点，得到电流-电压方程，但与实际结果有比较大的差异。 能带不连续的突变和尖峰，引起载流子的隧道效应。 在异质结的制备和处理过程中，必然会有悬键存在，还存在各种缺陷态，这些都可能构成禁带中的界面态，有界面复合电流存在。 根据以上三种输运过程，有很多输运模型提出，实际的异质结的输运机制，要根据能带不连续性和界面态参数等来确定，往往同时存在多种电流输运机制。 1。基本器件模型 2。异质结器件 异质结特点： 1）界面处出现能带的突起和凹陷，可以促进或阻挡载流子。 2）界面处存在局域态，起到复合和俘获中心的作用。 3）两侧材料带隙宽度不同，宽带材料成为窄带材料的窗口。 4）两侧材料折射率不同，折射率小的材料成为折射率大的材料的反射层，使光封闭于高折射率的材料中。 光电池、发光管、激光器。。。。。 2。异质结器件 外延工艺? 晶格匹配的同型和异型异质结 最重要的应用：光电子器件方面 半导体激光器 光探测器 太阳电池 单极整流结构： 组分缓变 当 X= 0?0.4， 带隙=1.42?1.92eV 组分变化示意图。 平衡能带图。 正向偏置：电压降加在缓变层上，使势垒的斜率降低，并增加越过势垒的热电子发射。 反向偏置：电子受阻，不能通过电势突变不连续处。 2。异质结器件 正向偏置下的能带图。 超晶格结构： 2）有一种半导体的掺杂浓度发生周期性变化，一系列同质结 1）多层异质结排列 GaAs, AlxGa1-xAs ,未掺杂超晶格结构能带图 调制掺杂超晶格结构能带图 高迁移率特性 2。异质结器件 体 GaAs 和调制掺杂超晶格结构的迁移率与温度的关系 2。异质结器件 金属-半导体接触，在界面处形成势垒。 1。能带关系 理想状态和高表面态 考虑两种极限情形 1。不存在表面态的情况 金属-半导体接触的能带图 对n型半导体，势垒高度