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第三章异质结构

名词解释：异质结、突变结、界面态、功函数、电子亲和势、超注入、注入比。异质结：由两种禁带宽不同的单晶材料组成的晶体界面。

突变结：在异质结界面附近，异质结两边的组分、掺杂浓度发生突变，有明显的空间电荷区边界，其厚度仅为若干原子间距，则这种异质结构为突变结。

界面态：一般是指异质结界面处位于禁带中的能级或能带，界面态可以在很短的时间内和半导体交换电荷，又称快界面态。能够引起非辐射跃迁，分为施主和受主两种，不论能级在禁带中的位置如何，若能级被电子占据时呈电中性，施放电子后成正电，则称之为施主型界面态；同理，若能级空着的时候为电中性，而接受电子后带负电，则称之为受主型界面态。

功函数：功函数是由电子费米能级跃迁至自由空间能级E0处所需要的能量，Φ

=E0-EF。

电子亲和势：电子由导带底EC跃迁至自由空间能级所需的能量，χ=E0-EC。

图1.1半导体功函数与电子亲和势能带示意图

超注入：以N-AlxGa1-xAs/p-GaAs能带为例，加了较大正向偏置电压之后，位于N区的导带上的电子的能量比p区的导带底的能量还高，在外加电压的作用下，电子注入到p区的导带中，至使p区的电子比N区的电子还多(常规情况下是N区的电子多p区的电子比N区的电子还多(常规情况下是N区的电子多，p区的空穴多)。以至于达到简并化的程度，这就是超注入现象，示意图如下。

图1.2超注入现象能带示意图

注入比：在pN结上加有正向电压时，由N区注入的电子流JN→p，同p区注入N

区注入的空穴电流J

p→N

之比，即r?JN?p

Jp?N

。理论分析r?Dexp??Eg

??

?

?，D为

kT

kT?

常数。

安得逊模型的假定条件是什么？主要结论是什么？异型异质结、同型异质结的

V—I特性如何？试给出表达式并给予物理解释。

解析：

安得逊模型的假定条件：

在异质结界面处不存在界面态和偶极态；

异质结界面两边的空间电荷层（或耗尽层中)，空间电荷的符号相反、大小相等；

异质结界面两边的介电常数分别为ε1和ε2，且ε1?ε2，界面处的电场不连续，而电位移矢量连续：E1?E2，ε1E1?ε2E2。

安得逊模型成功描绘了异质结的能带结构，并且被用来解释许多光电性质，得出的主要结论包括：

异质结构的界面处，无论是导带还是价带都会出现不连续性。

在异质结界面处，能带图不再像同质结那样平滑过渡，存在的ΔEC和ΔEV

突变阶梯为载流子的输运提供了限制势垒。

异质结构中，少子起主要作用，外加电压Va时的电流密度从p区流入N区的电子和N区流入p区的空穴所决定，伏安特性可表达为：

J?JP?N?JN?p

?Aexp??e?VD2?VA1???Aexp???EC?e?VD1?VA1??

?2 ??

?

kT ?? 1 ??

kT ??

? ? eVD2?? ?eVA2?

? eVA1??

A2exp??kT??exp?kT

??exp?? ? 1

kT

? ?? ? ? ? ??

Dn1τn1当流入少子（为电子时）主要是扩散机理时，A?exeDn1N

Dn1τn1

exeDn1np

exeDn1np0

Dn1τn1

Aexp??

? kT

??

?

，式中xe为电子跨越界面的传输系数，大小等于位

于p区的?xp处的电子浓度同N区xN处的电子浓度之比，即越过界面到达相应位置电子浓度比；Dn1为p区中的电子扩散长度；τn1为其寿命。

表达式1中，第一项在正向偏压时起主要作用，第二项在反偏压下起主要作用。无论是正偏还是反偏压下，pN突变异质结的V-I特性都呈指数关系，对于异型缓变异质结的正向和反向V-I特性也都呈指数关系。

同型异质结中，多数载流子起主要作用，通常在宽带隙一侧的施主（nN结中的N侧）或受主（pP结的P侧）电离产生足够的空间电荷，而窄带隙一侧出现多子积累，即同型异质结是由宽带一侧的耗尽层和窄带一侧的载流子积累层构成的电偶极区。

?外 加 正 向 电 压 Va时 的 V-I特 性 为 ：

?

J? ?

eVD2?? ?eVa1?

? eVa2??

Bexp?-

kT??exp?kT

??exp?? ?

kT

? ?? ? ? ? ??

1

?kT?2

?e?式中B?exeND2?2πm

?

e?

若考虑到外加电压的压降主要出现在窄带隙区，Va1??Va2?0，因此有：

J? ?