半导体光电子学第2章-异质结讲课教案.ppt

半导体光电子学第半导体光电子学第2 2章章-异异质结质结p-n结的形成过程结的形成过程 当本征半导体的两边分别掺杂不当本征半导体的两边分别掺杂不同类型的杂质时，由于浓度差的同类型的杂质时，由于浓度差的作用，作用，n区的多数载流子电子和区的多数载流子电子和p区的多数载流子空穴分别向区的多数载流子空穴分别向p区区和和n区扩散。这样在区扩散。这样在p区和区和n区的区的分界面附近，分界面附近，n区由于电子扩散区由于电子扩散到到p区而留下不能移动的正离子，区而留下不能移动的正离子，p区由于空穴扩散到区由于空穴扩散到n区而留下不区而留下不能移动的负离子。这些不能移动能移动的负离子。这些不能移动的正负离子在分界面附近形成一的正负离子在分界面附近形成一个电场个电场E0，称为内置电场。内置，称为内置电场。内置电场的方向是从电场的方向是从n区指向区指向p区，阻区，阻碍着电子和空穴的扩散，它使碍着电子和空穴的扩散，它使n区的少数载流子空穴和区的少数载流子空穴和p区的少区的少数载流子电子分别向数载流子电子分别向p区和区和n区作区作漂移运动，漂移运动，当扩散的载流子数等于当扩散的载流子数等于漂移的载流子数时，达漂移的载流子数时，达到了动态平衡。这时在到了动态平衡。这时在分界面附近形成了稳定分界面附近形成了稳定的正负离子区，即的正负离子区，即p-n结，结，也称为空间电荷区也称为空间电荷区(space charge region)，或耗散，或耗散区区(depletion region)。空间电荷空间电荷空间电荷区空间电荷区在整个半导体中，在耗散区存在在整个半导体中，在耗散区存在由正离子区指向负离子区的电场，由正离子区指向负离子区的电场，这就使得耗散区出现电势的变化，这就使得耗散区出现电势的变化，形成形成p p区和区和n n区之间的电势差区之间的电势差V0V0。n n区的电势大于区的电势大于p p区的电势。因此，区的电势。因此，对空穴来说，对空穴来说，n n区的势能大于区的势能大于p p区区的势能，形成了一个势垒的势能，形成了一个势垒eV0eV0，这，这使得空穴只能在使得空穴只能在p p区，不能到达区，不能到达n n区。对电子来说，区。对电子来说，p p区的势能大于区的势能大于n n区的势能，也形成了一个势垒区的势能，也形成了一个势垒eV0eV0，使得电子只能在，使得电子只能在n n区，不能区，不能到达到达p p区。区。整个半导体的能带结构如图所示。整个半导体的能带结构如图所示。这个能带图是以电子能量为参照这个能带图是以电子能量为参照的。的。内建电场内建电场电势差电势差VDVD平衡平衡平衡平衡P-NP-N结的能带图结的能带图结的能带图结的能带图 N型、型、P型半导体的能带图，图中型半导体的能带图，图中EFn和和EFp分别表示分别表示N型和型和P型半导体的费米能级。型半导体的费米能级。EFn高于高于EFp表明两种半导体中的电子填充能带的水平不同。表明两种半导体中的电子填充能带的水平不同。当两块半导体结合形成当两块半导体结合形成P-N结时，按照费米能级的意义结时，按照费米能级的意义(即电子在不同能态上的填充水平即电子在不同能态上的填充水平)，电子将从费米能级高的，电子将从费米能级高的N区流向费米能级低的区流向费米能级低的P区，空穴则从区，空穴则从P区流向区流向N区。因而区。因而EFn不不断下移断下移，而，而EFp不断上移不断上移，直至，直至EFn=EFp。这时，这时，P-N结中有统结中有统一的费米能级一的费米能级EF，P-N结结处于平衡状态处于平衡状态，其能带图，其能带图如图所示。如图所示。能带相对移动的原因能带相对移动的原因是是P-N结空间电荷区中存结空间电荷区中存在内建电场的结果。在内建电场的结果。由于整个半导体处于由于整个半导体处于平衡状态，因此在半平衡状态，因此在半导体内各处的导体内各处的Fermi能级是一样的。可以能级是一样的。可以看到，这时由于势垒看到，这时由于势垒的存在，电子和空穴的存在，电子和空穴也没有机会复合也没有机会复合如果一个半导体的两端加一个电压，如果一个半导体的两端加一个电压，由于电场的作用，使得能带整体沿由于电场的作用，使得能带整体沿着电场方向倾斜。电子和空穴的势着电场方向倾斜。电子和空穴的势能也发生变化，电子势能逆着电场能也发生变化，电子势能逆着电场方向降低，而空穴势能顺着电场方方向降低，而空穴势能顺着电场方向降低。所以电子和空穴向两个相向降低。所以电子和空穴向两个相反方向移动。反方向移动。正向偏压正向偏压正向偏压正向偏压势垒区内载流子浓度很小，电阻很大，势垒区外的势垒区内载流子浓度很小，电阻很大，势垒区外的P区和区和N区中载流子浓度很大，电阻很小，所以区中载流子浓度很大，电阻很小，所以外加正向偏压基本外加正向偏压基本降落在势垒区降落在势垒区。一、非平衡状态下的一、非平衡状态下的pnpn结结1 1、外加电压下，、外加电压下，pnpn结势垒的变化及载流子的运动。结势垒的变化及载流子的运动。P-N结加正向偏压结加正向偏压V（即（即P区接电源正极，区接电源正极，N区接负极）区接负极）正向偏压在势垒区中产生了正向偏压在势垒区中产生了与内建电场方向相反与内建电场方向相反的电场，因而的电场，因而减弱减弱了势垒区中的电场强度，这就表明了势垒区中的电场强度，这就表明空间电荷相应减少空间电荷相应减少。故。故势垒区的宽度也减小势垒区的宽度也减小，同时，同时势垒高度从势垒高度从qVD下降为下降为q(VD-V)。势垒区电场减弱，势垒区电场减弱，破坏了载流子的扩散破坏了载流子的扩散运动和漂移运动之间运动和漂移运动之间的平衡，削弱了漂移的平衡，削弱了漂移运动，使运动，使扩散电流大扩散电流大于漂移电流于漂移电流。所以在加正向偏所以在加正向偏压时，产生了压时，产生了电子从电子从N区向区向P区以及空穴从区以及空穴从P区到区到N区的净扩散电流区的净扩散电流。由于由于pn结阻碍多数载流子的定向移动，因此从电路性质看，它结阻碍多数载流子的定向移动，因此从电路性质看，它是高阻区。如果在半导体两端有外加电压，那么电压基本上都是高阻区。如果在半导体两端有外加电压，那么电压基本上都施加在施加在pn结上。现在在半导体加一个电压结上。现在在半导体加一个电压V，p区结电源正极，区结电源正极，n区接负极，形成正向偏置。外加电压基本上都施加在区接负极，形成正向偏置。外加电压基本上都施加在pn结上，结上，这也等于在这也等于在pn上施加一个外加电场上施加一个外加电场E。外加电场的方向与内置。外加电场的方向与内置电场电场E0的方向相反，总电场的方向相反，总电场E0-E比原来的电场小了。这削弱了比原来的电场小了。这削弱了电子和空穴的势垒，由原来的电子和空穴的势垒，由原来的eV0变为变为e(V0-V)。同时空间电荷。同时空间电荷区宽度变窄，由原来的区宽度变窄，由原来的w0变为变为w。这就使得这就使得n区的电子比较容易克服势垒而扩散到区的电子比较容易克服势垒而扩散到p区，同时区，同时p区区的空穴也比较容易克服势垒而扩散到的空穴也比较容易克服势垒而扩散到n区。这就使得电子和空区。这就使得电子和空穴有机会复合产生光子。穴有机会复合产生光子。当对半导体施加电压时，半导体处于非平衡状态。原则上讲，当对半导体施加电压时，半导体处于非平衡状态。原则上讲，Fermi能级已无意义。但是，由于外加电压基本上施加在能级已无意义。但是，由于外加电压基本上施加在pn结结上，上，p区和区和n区所受到的影响相对比较小，可以把它们看成处区所受到的影响相对比较小，可以把它们看成处于局部平衡态，各自具有于局部平衡态，各自具有Fermi能级能级Efp和和Efn。当半导体处于。当半导体处于平衡状态时，平衡状态时，Efp=Efn=Ef。当对半导体施加电压时，。当对半导体施加电压时，Efp和和Efn不不相等。可以证明，相等。可以证明，EfpEfn=eV。不论是不论是n型或型或p型半导体材料，若型半导体材料，若Fermi能级都处于禁带中。能级都处于禁带中。轻掺杂半导体。轻掺杂半导体。这时在外加电压作用下电子和空穴虽然也能复合产生光子，这时在外加电压作用下电子和空穴虽然也能复合产生光子，但是由于载流子浓度有限，形成不了粒子数反转和受激辐射。但是由于载流子浓度有限，形成不了粒子数反转和受激辐射。这种材料只能用于发光二极管。这种材料只能用于发光二极管。为了使半导体材料在外界作用下实现粒子数反转，必须对半为了使半导体材料在外界作用下实现粒子数反转，必须对半导体进行重掺杂，使导体进行重掺杂，使n型的型的Fermi能级处于导带中，能级处于导带中，p型的型的Fermi能级处于价带中。能级处于价带中。这时，这时，p区有更多的区有更多的载流子空穴，载流子空穴，n区有区有更多的载流子电子。更多的载流子电子。当半导体正向偏置时，当半导体正向偏置时，可以证明：当可以证明：当EfpEfn=eVEg时，就可时，就可以实现粒子数反转。以实现粒子数反转。在以上介绍的在以上介绍的pnpn结半导体激光器中，结半导体激光器中，p p区和区和n n区是同一种材料，区是同一种材料，只是掺杂类型不同，因此整个半导体具有相同的禁带宽度。这只是掺杂类型不同，因此整个半导体具有相同的禁带宽度。这种半导体激光器存在一个缺点。当半导体激光器正向偏置时，种半导体激光器存在一个缺点。当半导体激光器正向偏置时，除了在除了在pnpn结附近电子和空穴复合外，还有一部分电子越过结附近电子和空穴复合外，还有一部分电子越过pnpn结，结，经过经过p p区扩散到电源正极。同样，还有相等一部分空穴越过区扩散到电源正极。同样，还有相等一部分空穴越过pnpn结，结，经过经过n n区扩散到电源负极。这部分电子和空穴没有复合产生光子，区扩散到电源负极。这部分电子和空穴没有复合产生光子，被浪费掉了。这就降低了半导体激光器的发光效率。被浪费掉了。这就降低了半导体激光器的发光效率。双异质结激光器的两边仍然是相同的材料，只是进行了不同类双异质结激光器的两边仍然是相同的材料，只是进行了不同类型的重掺杂，它们的禁带宽度是相同的。但是在它们之间加了型的重掺杂，它们的禁带宽度是相同的。但是在它们之间加了一个非常薄的不同半导体材料一个非常薄的不同半导体材料(0.2mm)0.2mm)，它的禁带宽度要比两，它的禁带宽度要比两边材料小，一般是非掺杂或轻掺杂的。在这里是边材料小，一般是非掺杂或轻掺杂的。在这里是p p型掺杂。这样型掺杂。这样在在pnpn+结形成很大的势垒，使结形成很大的势垒，使n n+区的电子不能越过它到达中间的区的电子不能越过它到达中间的p p区和左边的区和左边的p p+区。同时在区。同时在p p区和区和p p+区的分界面附近，由于掺杂区的分界面附近，由于掺杂浓度的差别，使得浓度的差别，使得p p+区的价带顶高于区的价带顶高于p p区的价带顶，即在区的价带顶，即在p p+区的区的空穴势能低于空穴势能低于p p区空穴的势能。这时空穴集中在区空穴的势能。这时空穴集中在p p+区。即在区。即在p p区区和和p p+区的分界面附近也形成一个势垒，但这个势垒的高度比区的分界面附近也形成一个势垒，但这个势垒的高度比pnpn+结势垒高度小得多。结势垒高度小得多。当半导体激光器正向偏置时，当半导体激光器正向偏置时，pnpn+结附近的势垒大大降低，结附近的势垒大大降低，使得电子能够越过势垒进入使得电子能够越过势垒进入p p区。同时，区。同时，p p区和区和p p+区分界面附区分界面附近的势垒也有一定程度的降低，使得空穴进入近的势垒也有一定程度的降低，使得空穴进入p p区。但是，区。但是，由于由于p p区和两边区域的材料不同，它们的禁带宽度不同，这区和两边区域的材料不同，它们的禁带宽度不同，这就使得在就使得在p p区和区和p p+区分界处导带是不连续的，区分界处导带是不连续的，p p+区的导带高于区的导带高于中间中间p p区的导带，相当于在区的导带，相当于在p p区和区和p p+区分界处存在一个势垒区分界处存在一个势垒EcEc，使，使p p区的电子不能越过势垒流过区的电子不能越过势垒流过p p+区到达电源正极。区到达电源正极。同时，在同时，在p p区和区和n n+区分界面处价带是不连续的，区分界面处价带是不连续的，n n+区的价带低区的价带低于中间于中间p p区的价带，这也相当于在区的价带，这也相当于在p p区和区和n+n+区分界处存在一个区分界处存在一个势垒势垒EvEv，使，使p p区的空穴不能越过势垒流过区的空穴不能越过势垒流过n n+区到达电源负区到达电源负极。这就把电子和空穴都限制在中间的极。这就把电子和空穴都限制在中间的p p区，迫使他们全部区，迫使他们全部地复合产生光子。这就提高了激光器的发光效率。这个限制地复合产生光子。这就提高了激光器的发光效率。这个限制电子和空穴的区域称为有源区。电子和空穴的区域称为有源区。采用双异质结结构除了将电子和空穴都限制有源区外，还采用双异质结结构除了将电子和空穴都限制有源区外，还可以得到另外一个好处。就是可以把激光器发出的光束缚可以得到另外一个好处。就是可以把激光器发出的光束缚在有源区附近。非常幸运的是，禁带宽度小的材料往往折在有源区附近。非常幸运的是，禁带宽度小的材料往往折射率大。这样，半导体结构有源区的折射率要大于两边区射率大。这样，半导体结构有源区的折射率要大于两边区域的折射率，光束就被束缚在有源区附近。即，双异质结域的折射率，光束就被束缚在有源区附近。即，双异质结又起着光波导的作用。又起着光波导的作用。有源区两边的区域也称为包层。这时仍然有一小部分光功有源区两边的区域也称为包层。这时仍然有一小部分光功率分布在包层中。率分布在包层中。采用双异质结还有一个好处，就是避免光子的吸收。由于采用双异质结还有一个好处，就是避免光子的吸收。由于有源区的带隙宽度要小于两边的带隙宽度，就使得有源区有源区的带隙宽度要小于两边的带隙宽度，就使得有源区发出的光子能量也小于周围的禁带宽度。这样，在有源区发出的光子能量也小于周围的禁带宽度。这样，在有源区两边传输的一部分光子不足以被吸收。因此，有源区周围两边传输的一部分光子不足以被吸收。因此，有源区周围对传播的光束是透明的，避免了吸收损耗。对传播的光束是透明的，避免了吸收损耗。2.1 异质结及其能带图异质结及其能带图异质结：异质结：两种不同材料之间的界面（广义）。半导体中是两种不同单晶半导体材料之间的晶体界面，也可以说是由两种基本物理参数不同的半导体单晶材料构成的晶体界面，不同的物理参数包括Eg，功函数（），电子亲和势（），介电常数（）。同质结：同质结：由同种材料构成的结。异型异质结：异型异质结：p-N；P，N宽带隙材料；p，n窄带隙材料。功函数：将一个电子从费米能级EF处转移到真空能级所需能量。电子亲和势：一个电子从导带底转移到真空能级所需的能量。真空能级：真空中静止电子的能量。功函数功函数 电子亲和势电子亲和势 真空能级真空能级 一、p-N异质结 作能带图的步骤是：以同一水平线的真空能级为参考能级，根据各自的、Eg值画出两种半导体材料的能带图，如图2.1-1所示图2.1-1两种材料形成异质结后应处于同一平衡系统中，因而两种材料形成异质结后应处于同一平衡系统中，因而各自的费米能各自的费米能级应相同级应相同；画出空间电荷区（由内建电势可求空间电荷区宽度），画出空间电荷区（由内建电势可求空间电荷区宽度），值在空间值在空间电荷区以外保持各自的值不变电荷区以外保持各自的值不变；真空能级连续与带边平行（弯曲总量为两边费米能级之差，每侧弯真空能级连续与带边平行（弯曲总量为两边费米能级之差，每侧弯曲程度由费米能级与本征费米能级之差决定，由掺杂浓度决定）；曲程度由费米能级与本征费米能级之差决定，由掺杂浓度决定）；而而各自的各自的、EgEg不变不变。原来两种材料导带、价带位置之间的关系在。原来两种材料导带、价带位置之间的关系在交界处不变。交界处不变。(即：即：EEc c、EEv v、E Eg g、E Eg g不变不变)Ev=Ev2-Ev1=（Eg2+2）-（Eg1+1）=Eg-=Eg-Ec Eg=Ec+Ev可以看到，导带和价带在可以看到，导带和价带在异质结界面处是不连续的，异质结界面处是不连续的，界面两边的导带出现明显界面两边的导带出现明显的的“尖峰尖峰”和和“尖谷尖谷”1=Ev1-F1，2=Ec2-F2VD 接触电势差（或内建电势差、扩散电势）VDp、VDN 交界面两侧p型半导体和p型半导体中的内建电势差eVD=1-2=F1-F2=e（VDp+VDN）EEc c=1 1-2 2=（2.1-12.1-1）由泊松方程 电荷守恒 Q 势垒区中单位面积上的空间电荷 Cj 单位面积势垒电容 上面讲的是平衡结（无外界作用）的情况，当在结两边加上正向电压Va后，它在结两边空间电荷区上的压降分别为V1和V2，这时的势垒高度就由原来的eVD降低到e（VD-Va）=e（VDp-V1）+（VDN-V2），只要用（VD-Va）、（VDp-V1）、（VDN-V2）分别代替VD、VDp、VDN，上面讲的公式仍然成立。如图如图 9 9 一一 10 10 所示，半导体异质所示，半导体异质 pN pN 结界面导带连接处存在一势垒尖峰，结界面导带连接处存在一势垒尖峰，根据尖峰高低的不同，可以有两种情况。图根据尖峰高低的不同，可以有两种情况。图 9 9 一一 10(a 10(a）表示势垒尖峰）表示势垒尖峰顶低于顶低于 p p 区导带底的情况，称为低势垒尖峰情形。在这种情形，由区导带底的情况，称为低势垒尖峰情形。在这种情形，由 N N 区扩区扩散向结处的电子流可以通过发射机制越过尖峰势垒进人散向结处的电子流可以通过发射机制越过尖峰势垒进人 p p 区，因此异质区，因此异质 Pn Pn 结的电流主要由扩散机制决定，可以由扩散模型处理。图结的电流主要由扩散机制决定，可以由扩散模型处理。图 9 9 一一 10(b 10(b）表示势垒尖峰顶较表示势垒尖峰顶较 p p 区导带底高的情况，称为高势垒尖峰情形。对于这种区导带底高的情况，称为高势垒尖峰情形。对于这种情形，如势垒尖峰顶较情形，如势垒尖峰顶较 p p 区导带底高得多，则由区导带底高得多，则由 N N区扩散向结处的电子，区扩散向结处的电子，只有能量高于势垒尖峰的才能通过发射机制进入只有能量高于势垒尖峰的才能通过发射机制进入 p p 区，故异质结电流主要区，故异质结电流主要由电子发射机制决定，计算异质由电子发射机制决定，计算异质 pN pN结电流应采用发射模型；结电流应采用发射模型；当异质结加正向偏压V时，通过异质结的总电流密度以下主要讨论低势垒尖峰情形异质 pN结的电流电压特性。Dn、Lnp型区少数载流子电子的扩散系数、扩散长度Dp、Lpn型区少数载流子空穴的扩散系数、扩散长度其中，电子扩散电流密度空穴扩散电流密度低势垒尖峰情形时，异质结的电一子流主要由扩散机制决定，可用扩散模型处理，上两式中，若np0和pn0 在同一数量级，则前面的系数也在同数量级，消去相同因式后，二式所不同的只是对于由窄禁带 p 型半导体和宽禁带 n 型半导体形成的异质 pN结，Ec和Ev都是正值，一般其值较室温时的 k值0.026eV大得多，故Jn Jp，表明通过结的电流主要由电子电流组成，空穴电流占比很小。这也可从图9-11中直接看出，由于导带阶Ec的存在，N区电子面临的势垒高度由qVD下降至 qVD-Ec，而空穴所面临的势垒高度由 qVD升高至qVD+Ev，从而导致电子电流大大超过空穴电流。异质异质pN结的注入特性结的注入特性n1 异质pN结的高注入比特性异质 pN结电子电流与空穴电流之注入比为E=Ec+Ev 在p区和n区杂质完全电离的情况，nn0和pp0分别等于n区的掺杂浓度ND和p区的掺杂浓度 NA，上式中Dn与Dp及Ln与Lp相差不大，都在同一数量级，而exp(E/kT)可以远远大于1。由上式可看到，即使 ND NA，仍可得到很大的注人比。以宽禁带n型Al0.3Ga0.7As和窄禁带p型GaAs组成的pN结为例，其禁带宽度之差E=0.21eV。设 p 区掺杂浓度为 21019 cm-3，n区掺杂浓度为 51017cm-3，则可得这表明即使宽禁带n区掺杂浓度较p区低近两个数量级，但注人比仍可高达 80 左右。异质 Pn 结的这一高注人特性是区别于同质 pn 结主要特点之一，得到重要应用。2 异质pN结的超注入现象超注入现象是指在异质超注入现象是指在异质 pN pN结中由宽禁带半导体注入到窄禁带半导体中的少数载流子结中由宽禁带半导体注入到窄禁带半导体中的少数载流子浓度可超过宽带半导体中多数载流子浓度，这一现象是首先在由宽禁带浓度可超过宽带半导体中多数载流子浓度，这一现象是首先在由宽禁带n n型型AlAlx xGaGa1-1-x xAsAs和窄禁带和窄禁带p p型型 GaAs GaAs 组成的异质组成的异质 pN pN结中观察到的。图结中观察到的。图 9 9 一一 14 14 为这种为这种 pn pn 结在结在加大的正向电压下的能带图，由图可看到，加正向电压时加大的正向电压下的能带图，由图可看到，加正向电压时n n区导带底相对区导带底相对p p区导带底区导带底随所加电压的增加而上升，当电压足够大时，结势垒可被拉平，由于导带阶的存在，随所加电压的增加而上升，当电压足够大时，结势垒可被拉平，由于导带阶的存在，n n区导带底甚至高于区导带底甚至高于p p区导带底。因为区导带底。因为p p区电子为少数载流子，其准费米能级随电子浓区电子为少数载流子，其准费米能级随电子浓度的上升很快，在正向大电流稳态时，结两边电子的准费米能级度的上升很快，在正向大电流稳态时，结两边电子的准费米能级 E EFnFn达到一致。在这达到一致。在这种情况下，由于种情况下，由于p p区导带底较区导带底较n n区导带底更低，距区导带底更低，距E EFnFn更近，故更近，故p p区导带的电子浓度高于区导带的电子浓度高于n n区。区。以np和nn分别表示 p 区和 n 区的电子浓度，Ec1和EC2分别表示p区和n区导带底的能值，根据玻尔兹曼统计可得式中 Npc和Nnc分别表示p型GaAs和n 型 AlxGa1-xAs导带的有效状态密度。Npc和Nnc一般相差不大，可粗略认为两者相等，则由上两式可得由于EC2 Ec1,故np/nn大于 l，即：np nn。因 kT 在常温下其值很小，只要n区导带底较p区导带底高的能值 EC2-Ec1较 kT大一倍，则由上式可得，np较nn大近一个数量级。超注人现象是异质结特有的另一重耍特性，在半导体异质结激光器中得到重要应用。应用这一效应，可使窄禁带区的注入少数载流子浓度达到1018cm-3 以上，从而实现异质结激光器所要求的粒子数反转条件。异质结的电流-电压特性 在所讨论的在所讨论的pN异质结模型中，因为电子势垒比空穴势垒小得多，来自宽禁异质结模型中，因为电子势垒比空穴势垒小得多，来自宽禁带带N型的电子流支配着异质结的电流一电压特性。在正向电压为零时，由型的电子流支配着异质结的电流一电压特性。在正向电压为零时，由右至左越过势垒右至左越过势垒eVD2的电子流与反方向越过势垒的电子流与反方向越过势垒 Ec eVD1的电子流相等，的电子流相等，即即A1、A2为常数，分别取决于半导体1和半导体2的杂质浓度及有效质量。加上正向电压后，两个方向的电子流不相等，净的电子流密度为加上正向电压后，两个方向的电子流不相等，净的电子流密度为同时考虑电子电流和空穴电流时，当异质结加正向偏压V时，通过异质结的总电流密度A A 为系数，为系数，方括号中的第一项在正向偏压下起主要作用，在反向偏压下则第二项起主要方括号中的第一项在正向偏压下起主要作用，在反向偏压下则第二项起主要作用作用无论正向还是反向，其电流密度均随电压的增加而指数增加无论正向还是反向，其电流密度均随电压的增加而指数增加。这是与。这是与同质同质pnpn结不同的。结不同的。异质nP结二、突变同型异质结 和异型异质结不同，同和异型异质结不同，同型异质结型异质结nNnN和和pPpP的性质的性质是由多数载流子决定的。是由多数载流子决定的。由于异质结两边材料的由于异质结两边材料的电子亲和势不同，使得电子亲和势不同，使得同型异质结的空间电荷同型异质结的空间电荷区是由宽禁带半导体一区是由宽禁带半导体一侧的固定空间电荷（电侧的固定空间电荷（电离施主或电离受主）和离施主或电离受主）和另一侧运动的电子或空另一侧运动的电子或空穴所构成的电偶极层构穴所构成的电偶极层构成，或者说是由宽带隙成，或者说是由宽带隙一侧的耗尽层与窄带隙一侧的耗尽层与窄带隙一侧载流子的积累层组一侧载流子的积累层组成。成。由于载流子积累层的厚度小于其耗尽层的厚度，所以外加电压主要降由于载流子积累层的厚度小于其耗尽层的厚度，所以外加电压主要降落在耗尽层上，因而可以取宽禁带半导体作基准来考虑这种异质结的正向落在耗尽层上，因而可以取宽禁带半导体作基准来考虑这种异质结的正向和反向电流一电压特性，因为在和反向电流一电压特性，因为在nNnN异质结中参与电流的载流子是电子，所异质结中参与电流的载流子是电子，所以越过导带尖峰势垒而到达窄带半导体的电子浓度和速度分布可以由类似以越过导带尖峰势垒而到达窄带半导体的电子浓度和速度分布可以由类似于热阴极的热电子发射来求出，从而可求出它的电流一电压特性。根据安于热阴极的热电子发射来求出，从而可求出它的电流一电压特性。根据安德森的计算，在正向电压德森的计算，在正向电压 V(=V V(=V1 1+V+V2 2)下电流密度下电流密度 J J 由下式给出：由下式给出：因为因为V V2 2VV1 100，2.2 异质结在半导体光电子学器件中的作用 一、在半导体激光器中的作用 1.pN异型异质结处在正向电压时，异质结势垒高度降低，N区的电子可以越过势垒和隧穿势垒而注入窄带隙p区，这种异质结有助于载流子从宽带隙区向窄带隙区的注入，同时该异质结在价带上的势垒也阻碍着空穴由p区向N区的注入。2.同型异质结pP有一个较高的势垒以阻挡注入p区的电子漏出。3.由于窄带隙半导体的折射率比宽带隙高，因此有源区两边的同型和异型异质结都能产生光波导效应，从而限制有源区中的光子从该区向宽带隙限制层逸出而损失掉。n1n3.4.在实际激光器的结构中，需要生长一层与前一层掺杂类型相同但杂质浓度很高（1020/cm3）的盖帽层（或顶层），这种同型异质结可用来减少与相继的金属电极层之间的接触电阻，实现良好的欧姆接触。二、异质结在发光二极管（LED）中的作用 光信息领域中使用的LED和半导体激光器一样，也是采用多层异质结构，其作用同样是载流子限制、光子限制，减少内部损耗。在表面发射LED中，还可以在靠近有源区的表面生长一个能透明的同型异质结，它一方面用来钝化表面，减少注入有源区的载流子与表面态复合而造成损失，提高器件稳定性，同时还可以减少器件与空气界面的反射损失，从而增加输出。三、异质结在光电二极管探测器中的应用作为光探测器，希望它有宽的光谱响应范围和高的光电转换效率。在包含有异质结的光电二极管中，宽带隙半导体成为窄带隙半导体的输入窗，利用这种窗口效应，可以使光电二极管的光谱响应范围加宽。如图2.2-1(a)，异质结由Eg1和Eg2两种半导体组成，Eg1Eg2，只要入射光子能量hEg1，则光能透过1，透射谱线如图中虚线所示。透过半导体1的光子，如果能量满足hEg2，则它被半导体2吸收，吸收谱线如图中实线。显然，图中阴影部分表示这种结构的光探测器能有效工作的范围，入射光子应满足Eg1hEg2。如图(b)中表示同质结的情况，可见这种结构半导体有效吸收的光子非常有限。第三节 异质结中的晶格匹配 形成理想的异质结，要求两种半导体材料在晶体结构上应尽量相近或相同，晶格常数应尽量匹配。以前的异质结都是由晶体结构相同的半导体材料构成的（如GaAlAs/GaAs、InGaAsP/InP都是具有闪锌矿结构），近年来由于光电子集成（OEIC-Optoelectronic Integrated Circuit）技术的迫切需要，并考虑到硅是一种常用来制造微电子学器件且制造与加工工艺均成熟的材料，因此在价格便宜的硅基体上用MBE和MOCVD技术生长GaAs而构成异质结的技术正不断发展。一般认为，构成异质结的两种不同半导体之间严格的晶格常数匹配是获取性能良好的异质结的重要条件，否则在异质结界面就会产生所谓悬挂键，这些悬挂键就构成所谓失配位错而使晶体承受内应力。由于存在于异质结界面失配位错的成核、增殖及其向晶体内部的传播，对半导体激光器的可靠性造成严重威胁实践已证明，位错是 GaAIAs/GaA s 半导体激光器失效的主要原因此外，由悬挂键所造成的界面态，将起到载流子陷阱或复合中心的作用，使异质结器件的量子效率降低和其它特性变坏。悬挂键悬挂键：晶格在表面的最外层的每个硅原子将有一个未配对的电子即有一个未饱和键，如图，这个键称为悬挂键，与之对应的电子能级就是表面态。表面态。复合中心：能够促进复合过程的杂质和缺陷。晶格常数：晶体学晶胞各个边的实际长度失配位错：两种材料晶格常数不相等，界面处形成位错。异质结界面上由悬挂键引起的界面态密度与半导体结构和晶面有关，不同晶面上界面态密度不同，在具有 面 心 立 方 结 构 的 金 刚 石 和 闪 锌 矿 晶 体 中（100）（110）（111）晶面上生长的异质结中所包含悬挂键或界面态密度分别为 由表可以看出，即使在这些晶格匹配较好的异质结中，由表可以看出，即使在这些晶格匹配较好的异质结中，也存在着也存在着10101212cmcm-2-2的界面态密度。在的界面态密度。在(111)(111)面上生长异质结面上生长异质结是较理想的。这一方面是因为在是较理想的。这一方面是因为在(111)(111)面上的界面态比其它面上的界面态比其它面要低很多；另一方面，在闪锌矿晶体结构中，面要低很多；另一方面，在闪锌矿晶体结构中，(111)(111)面面是滑移面，因此在该面上形成异质结的生长期间，悬挂键是滑移面，因此在该面上形成异质结的生长期间，悬挂键可以重新排列以尽可能调节晶格失配。遗憾的是，象闪锌可以重新排列以尽可能调节晶格失配。遗憾的是，象闪锌矿类型的晶体自然解理面是矿类型的晶体自然解理面是(110)(110)面，而半导体激光器正面，而半导体激光器正是用自然解理面来作光学谐振腔的，因此半导体激光器的是用自然解理面来作光学谐振腔的，因此半导体激光器的晶体生长面是晶体生长面是(110)(110)面。面。二二.表面态表面态（1）从能带角度）从能带角度当晶体存在表面，在垂直表面方向成了半无限周期势场当晶体存在表面，在垂直表面方向成了半无限周期势场表面存在而产生的附加电子能级表面存在而产生的附加电子能级表面能级表面能级对应的电子能态对应的电子能态表面态表面态（2）从化学键角度）从化学键角度表面是原子周期排列终止的地方表面是原子周期排列终止的地方未饱和键悬挂键未饱和键悬挂键纯净表面的表面态密度为纯净表面的表面态密度为实际表面的表面态密度实际表面的表面态密度 三三.表面电场效应表面电场效应1.表面电场表面电场（1）表面态与体内电子态之间交换电子）表面态与体内电子态之间交换电子（2）金属半导体接触）金属半导体接触（3）MOS结构和结构和MIS结构结构2.空间电荷层及表面势空间电荷层及表面势（1）n型型P型型A:电子从体内转移到表面态电子从体内转移到表面态 表面受主态表面受主态B:正空间电荷层正空间电荷层C:表面势为表面势为D:空间电荷层能带弯曲空间电荷层能带弯曲电子势垒电子势垒空穴势阱空穴势阱n型型P型型A:电子从表面态转移到体内电子从表面态转移到体内 表面施主态表面施主态B:负空间电荷层负空间电荷层C:表面势表面势D:电子势阱电子势阱空穴势垒空穴势垒n型型P型型空穴势垒电子势阱（2）n型型P型型3.空间电荷层内载流子浓度的变化空间电荷层内载流子浓度的变化体内体内在空间电荷层内，电势能在空间电荷层内，电势能 变化变化空间电荷层的载流子浓度与体内的关系空间电荷层的载流子浓度与体内的关系空间电荷层处于多子堆积状态空间电荷层处于多子堆积状态积累层积累层参考能级参考能级4.表面空间电荷层的三种基本状态表面空间电荷层的三种基本状态（1）积累层）积累层能带从体内到表面上弯能带从体内到表面上弯以以p型为例型为例反型层耗尽层（3）反型层）反型层n型导电性型导电性反型层反型层耗尽层耗尽层（2）耗尽层）耗尽层能带从体内到表面下弯能带从体内到表面下弯空间电荷层处于多子耗尽状态空间电荷层处于多子耗尽状态 耗尽层耗尽层7.4 异质结异质结导电类型相同的两种不同半导体材料所形成导电类型相同的两种不同半导体材料所形成 由导电类型相反的同种半导体材料接触而构成由导电类型相反的同种半导体材料接触而构成 同质结同质结由两种不同的半导体材料接触而构成由两种不同的半导体材料接触而构成 异质结异质结（1）同型异质结）同型异质结 p-p Ge-GaAs n-n Ge-GaAs（2）反型异质结）反型异质结导电类型相反的两种不同半导体材料所形成导电类型相反的两种不同半导体材料所形成 p-n Ge-GaAs n-p Ge-GaAs 禁带宽度较小的半导体材料写在前面禁带宽度较小的半导体材料写在前面一一.理想异质结的能带图理想异质结的能带图不考虑表面态不考虑表面态取决于禁带宽度、取决于禁带宽度、功函数、电子亲和能功函数、电子亲和能1.突变反型异质结能带图突变反型异质结能带图下标为下标为“1”者为禁带宽度小的者为禁带宽度小的半导体材料的物理参数半导体材料的物理参数下标为下标为“2”者为禁带宽度大的者为禁带宽度大的半导体材料的物理参数半导体材料的物理参数 两种材料的过渡两种材料的过渡 发生于几个原子间距发生于几个原子间距形成突变形成突变p-n异质结之前的能带图异质结之前的能带图（1）突变）突变p-n异质结异质结形成突变形成突变p-n异质结之后的平衡能带图异质结之后的平衡能带图电子从电子从n型半导体流向型半导体流向p 型型 空穴的流动方向相反空穴的流动方向相反直至两块半导体有统一的费米能级直至两块半导体有统一的费米能级交界面的两边形成空间电荷层交界面的两边形成空间电荷层 n型半导体一边为正空间电荷层型半导体一边为正空间电荷层 P型半导体一边为负空间电荷层型半导体一边为负空间电荷层不考虑界面态不考虑界面态正负空间电荷数相等正负空间电荷数相等空间电荷层内产生电场空间电荷层内产生电场能带发生弯曲能带发生弯曲形成突变形成突变p-n异质结之后的平衡能带图异质结之后的平衡能带图能带总的弯曲量能带总的弯曲量 异质结能带的特点：异质结能带的特点：A:能带在交界面处不连续，有一个突变能带在交界面处不连续，有一个突变导带底在交界面处的突变导带底在交界面处的突变价带顶在交界面处的突变价带顶在交界面处的突变而且而且对所有突变异质结都适用对所有突变异质结都适用 分别称为导带阶和价带阶分别称为导带阶和价带阶重要的物理量重要的物理量B:nB:n型半导体的导带底在界面处形成一向上的型半导体的导带底在界面处形成一向上的“尖峰尖峰”P P型半导体的导带底在界面处形成一向下的型半导体的导带底在界面处形成一向下的“凹口凹口”C:C:对于反型异质结，交界面两边都是耗尽层对于反型异质结，交界面两边都是耗尽层（2）突变）突变n-p异质结异质结形成突变形成突变n-pn-p异质结之前的能带图异质结之前的能带图形成突变形成突变n-p异质结之后的平衡能带图异质结之后的平衡能带图形成突变形成突变n-nn-n异质结之前的能带图异质结之前的能带图形成突变形成突变n-n异质结之后的平衡能带图异质结之后的平衡能带图禁带宽度小的禁带宽度小的n n型半导体一边形成电子的积累层型半导体一边形成电子的积累层禁带宽度大的禁带宽度大的n n型半导体一边形成电子的耗尽层型半导体一边形成电子的耗尽层（2）突变）突变p-p异质结异质结一边是空穴积累层一边是空穴积累层一边是空穴耗尽层一边是空穴耗尽层2.突变同型异质结能带图突变同型异质结能带图（1）突变）突变n-n异质结异质结二二.考虑界面态时的能带图考虑界面态时的能