半导体物理 第八章 精.ppt
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1、半导体物理 第八章 第1页,本讲稿共65页 目前总的说来,对异质结电流的认识仍然比较少,往往目前总的说来,对异质结电流的认识仍然比较少,往往难于对实验得到的伏安特性作出满意的说明。但看来难于对实验得到的伏安特性作出满意的说明。但看来并并不象同质不象同质pn结和肖特基势垒那样,对于异质结不存结和肖特基势垒那样,对于异质结不存在一种在多数情形下占主导地位的电流机制在一种在多数情形下占主导地位的电流机制。这一节先介绍扩散这一节先介绍扩散-发射电流为主的情形,然后说明复发射电流为主的情形,然后说明复合机制和隧穿机制的作用讨论只限于异质合机制和隧穿机制的作用讨论只限于异质pn结结 第2页,本讲稿共65页
2、 在异质结中,在势垒区,导带或价带可能包含有尖峰在异质结中,在势垒区,导带或价带可能包含有尖峰以图以图8.26(a)的异质结为例,在正向偏压下,的异质结为例,在正向偏压下,n区导区导带电子向带电子向p区的运动既包含有扩散,又包含有通过尖区的运动既包含有扩散,又包含有通过尖峰的发射峰的发射第3页,本讲稿共65页 下面我们来导出包括考虑尖峰发射在内的电子电流为了下面我们来导出包括考虑尖峰发射在内的电子电流为了清楚起见,我们把正向偏压下的导带略加放大,画在图清楚起见,我们把正向偏压下的导带略加放大,画在图827中。中。第4页,本讲稿共65页 为了能在尖峰处产生净发射电流,界面两边必定存在一定为了能在
3、尖峰处产生净发射电流,界面两边必定存在一定的费米能级差的费米能级差 EF,以使由,以使由n区向区向p区的发射超过由区的发射超过由p区区向向n区的发射。区的发射。由外加偏压由外加偏压V引起的费米能级差引起的费米能级差eV的的其余部分降落在其余部分降落在p区,用以驱动载流子向区,用以驱动载流子向p区扩散区扩散(在两在两极管理论适用的条件下,可以认为电子费米能级水平通极管理论适用的条件下,可以认为电子费米能级水平通过过n区区)这两部分费米能级降落的相对大小显然由电流连这两部分费米能级降落的相对大小显然由电流连续来调节。续来调节。第5页,本讲稿共65页 先考虑越过尖峰的发射电流尖峰处由先考虑越过尖峰的
4、发射电流尖峰处由n区向区向p区发射电区发射电流可写作流可写作 式中式中vr为描述电子发射的等效速度,它具有电子热为描述电子发射的等效速度,它具有电子热运动速度的数量级运动速度的数量级e(VDn Vn)代表偏压下的尖峰高代表偏压下的尖峰高度度(8-5-1)(8-2-5)第6页,本讲稿共65页 由于在界面处费米能级降落了由于在界面处费米能级降落了 EF,比比 降低了降低了exp(-EF/kT)因子,因此由因子,因此由p区向区向n区的发射电流可写作区的发射电流可写作(8-5-2)第7页,本讲稿共65页 通过尖峰的净热发射电流可写作:通过尖峰的净热发射电流可写作:其中其中式中式中nsp0为尖峰处平衡电
5、子浓度为尖峰处平衡电子浓度.(8-5-3)(8-5-4)第8页,本讲稿共65页第9页,本讲稿共65页 现在来考虑现在来考虑p型区内电子的扩散电流。与同质型区内电子的扩散电流。与同质pn结相结相比,由于驱动电子向比,由于驱动电子向p区内部扩散的费米能降落现在区内部扩散的费米能降落现在是是(eVEF),而不是,而不是eV,由界面向由界面向p区内部的扩散电区内部的扩散电流可以写作流可以写作(8-5-5)第10页,本讲稿共65页 第二个等号是由于平衡时第二个等号是由于平衡时p区导带底比区导带底比n区高出区高出eVDEc,因此有,因此有np0=nn0exp(eVDEc)/kT.式中式中VD为为扩散速度扩
6、散速度,vD=Dn/Ln。上式又可写作。上式又可写作其中其中(8-5-6)(8-5-7)第11页,本讲稿共65页 jI和和jD都受都受 EF调节调节 EF的大小应使两者相等,由式的大小应使两者相等,由式(8-5-3)解出解出exp(EF/kT),代入式,代入式(8-5-6),由电流连续:,由电流连续:jI=jD=jn,可解出电流可解出电流jn为为(8-5-8)(8-5-3)第12页,本讲稿共65页则则jn约化为约化为若若(8-5-9)(8-5-10)第13页,本讲稿共65页 和同质结的结果完全相同。即在条件(和同质结的结果完全相同。即在条件(8-5-9)满足)满足时,降落在界面两边的费米能级差
7、可以忽略不计。时,降落在界面两边的费米能级差可以忽略不计。在相反的条件下在相反的条件下jn约化为约化为(8-5-11)(8-5-12)(8-5-3)(8-5-8)第14页,本讲稿共65页第15页,本讲稿共65页 与式与式(8-5-3)对比可见,上式可由对比可见,上式可由eV代替式代替式(8-5-3)中的中的 EF得到即在上述情况下,费米能级主要降落在界得到即在上述情况下,费米能级主要降落在界面,电流是由界面尖峰处的电子发射决定的面,电流是由界面尖峰处的电子发射决定的 由由A和和B的表示式的表示式(8-5-4)和和(8-5-7),(8-5-9)和和(8-5-11)(8-5-11)第16页,本讲稿
8、共65页(8-5-4)(8-5-7)(8-5-9)(8-5-11)可归结为比较可归结为比较e(VDp Vp)+kTlnVr/VD和和 Ec的大小的大小e(VDp Vp)和和 Ec实际上分别代表实际上分别代表p区导带底和尖峰的区导带底和尖峰的相对高度相对高度(参看图参看图827)第17页,本讲稿共65页第18页,本讲稿共65页 当当p区导带底高于尖峰时,条件区导带底高于尖峰时,条件(8-5-9)成立,电流主要成立,电流主要由扩散决定而当尖峰高于由扩散决定而当尖峰高于p区导带底区导带底kTlnVr/VD时,时,条件条件(8-5-11)成立,发射模型适用成立,发射模型适用.但两者的相对高度但两者的相
9、对高度是随偏压变化的,因此按照上述理论有可能出现由是随偏压变化的,因此按照上述理论有可能出现由发射限制情形向扩散限制情形的过渡发射限制情形向扩散限制情形的过渡在足够大的在足够大的反向偏压下,反向偏压下,Vp有较大的值,有较大的值,VDp Vp总会大于总会大于 Ec,一般应趋向于扩散限制的情形一般应趋向于扩散限制的情形第19页,本讲稿共65页 综合式综合式(8-5-10)和和(8-5-12)可把正向扩散可把正向扩散发射电流一般发射电流一般表示为表示为(略去第二项的小量略去第二项的小量):考虑到考虑到VnkT的条件下,的条件下,即使即使NDNA,结电流结电流中的电子电流也可远超过空穴电流中的电子电
10、流也可远超过空穴电流.这是因为在这是因为在g很大很大时时,空穴所面临的势垒比电子的高得多空穴所面临的势垒比电子的高得多.jn/j称为电子注射称为电子注射效率效率.异质结最初正是由最预料它能在相反掺杂异质结最初正是由最预料它能在相反掺杂(例如例如p区区的受主掺杂比的受主掺杂比n区施主高区施主高)的情形下仍可获得高的电子的情形下仍可获得高的电子注射效率注射效率(电子注入远超过空穴电子注入远超过空穴)而引起人们注意而引起人们注意.第25页,本讲稿共65页 这里顺便指出,对于一边高掺杂的同质这里顺便指出,对于一边高掺杂的同质pn结,由于高掺结,由于高掺杂可导至禁带宽度的降低杂可导至禁带宽度的降低(与上
11、面讨论的情形相反与上面讨论的情形相反),过,过高的掺杂并不能提高注射效率高的掺杂并不能提高注射效率.甚至相反甚至相反,可导至注射可导至注射效率的降低效率的降低 在异质结中还存在所谓在异质结中还存在所谓“超注入超注入”现象现象:注入到窄禁带一注入到窄禁带一边的少数载流子浓度可超过宽禁带一边的多数载流子边的少数载流子浓度可超过宽禁带一边的多数载流子 第26页,本讲稿共65页 复合机制复合机制 Dolega 提出的复合电流的模型基于以下假设:在界面附提出的复合电流的模型基于以下假设:在界面附近存在一界面态密度很高的薄层近存在一界面态密度很高的薄层(图图8.28).越过势垒发越过势垒发射到该薄层的电子
12、和空穴在薄层中通过界面态实现射到该薄层的电子和空穴在薄层中通过界面态实现复合按照这个模型,复合按照这个模型,pn异质结相当于两个串联的异质结相当于两个串联的金属金属-半导体接触半导体接触Dolega的结果可以表示为以下的简的结果可以表示为以下的简单形式单形式:在在1和和2之间之间(8-5-17)第27页,本讲稿共65页第28页,本讲稿共65页 在用于激光二极管的在用于激光二极管的GaAsGaAlAs结中,在小偏压下,结中,在小偏压下,表面复合电流也可起重要作用表面复合电流也可起重要作用.第29页,本讲稿共65页隧穿机制隧穿机制 图图8.29为实验测得的为实验测得的npGeSi异质结在不同温度下
13、正向异质结在不同温度下正向伏安特性伏安特性(半对数坐标每一温度下的曲线都由两条半对数坐标每一温度下的曲线都由两条斜率不同的直线组成斜率不同的直线组成.低偏压部分的直线不同温度有低偏压部分的直线不同温度有不同斜率,且温度愈低斜率愈大不同斜率,且温度愈低斜率愈大,与式与式(8-5-13)的趋势的趋势一致但曲线的较高偏压部分,不同温度具有相近的一致但曲线的较高偏压部分,不同温度具有相近的斜率,而且对于同一偏压,不同温度下的电流值变化斜率,而且对于同一偏压,不同温度下的电流值变化相对较小相对较小.斜率不随温度变化斜率不随温度变化,电流大小对温度依赖较小,电流大小对温度依赖较小,这正是隧道电流的特征这正
14、是隧道电流的特征.(8-5-14)第30页,本讲稿共65页第31页,本讲稿共65页 图图8.30中的中的np Ge-GaAs结结的正向特性也有类似的的正向特性也有类似的情形情形在在0.7伏以下伏以下,77K和和296K的曲线具有相近的曲线具有相近的斜率的斜率电流对温度的依电流对温度的依赖比扩散赖比扩散发射机制的要发射机制的要弱得多弱得多第32页,本讲稿共65页 这这两种情况都可以通两种情况都可以通过过隧穿机制加以解隧穿机制加以解释释图图8.31所示所示为为几种可能的隧穿机制几种可能的隧穿机制.每一种情形下,每一种情形下,完整的完整的电电流流过过程都由程都由几个几个“串串联联”的的过过程构成程构
15、成 例如例如图图8.31(a)中的中的过过程由以下三个步程由以下三个步骤组骤组成:成:导带电导带电子子隧穿到界面隧穿到界面态态;由;由较较高的界面高的界面态跃态跃迁到迁到较较低的界面低的界面态态;空穴隧穿到空穴隧穿到较较低的界面低的界面态态 电电流的大小主要取决于流的大小主要取决于“阻力阻力”最大的最大的过过程程(速率限制速率限制过过程程)如果某一隧道如果某一隧道过过程是速率限制程是速率限制过过程,那么程,那么电电流流电压电压特性将由特性将由该该隧道隧道过过程的隧穿几率随程的隧穿几率随电压电压的的变变化决定化决定 第33页,本讲稿共65页第34页,本讲稿共65页 在在GaAsGaAlAs pn
16、异质结的正向异质结的正向I-V特性中,也可有很特性中,也可有很强的隧道成分强的隧道成分 将式将式(6-4-7)中的中的Vb由由K(VD V)代替,即可得到隧穿几率:代替,即可得到隧穿几率:K为发生隧穿的一侧分配到的电势差在总电势差中所为发生隧穿的一侧分配到的电势差在总电势差中所占的比例占的比例Ke(VD V)代表势垒高度代表势垒高度(8-5-18)第35页,本讲稿共65页因此在半对数坐标中电流电压有线性关系因此在半对数坐标中电流电压有线性关系 上式中上式中V的系数中的各量均与温度无关,因此斜率不的系数中的各量均与温度无关,因此斜率不随温度变化不同温度下电流大小的变化可由随温度变化不同温度下电流
17、大小的变化可由VD的变的变化加以解释在此式中,常数与化加以解释在此式中,常数与VD有关。有关。(8-5-19)第36页,本讲稿共65页 对于图对于图8.29的的np Ge-Si结的特性的分析表明,其电流过结的特性的分析表明,其电流过程符合隧穿程符合隧穿+复合模型。在较低偏压下复合是速率限制因复合模型。在较低偏压下复合是速率限制因素,曲线斜率随温度的增加而减小。但较大偏压下结电流素,曲线斜率随温度的增加而减小。但较大偏压下结电流的大小主要受隧穿的限制在上述电流机制占主导地位时的大小主要受隧穿的限制在上述电流机制占主导地位时显然不应有显著的少子显然不应有显著的少子第37页,本讲稿共65页第38页,
18、本讲稿共65页第九章第九章 半导体的光吸收和发光现象半导体的光吸收和发光现象 9.1 半导体的光吸收半导体的光吸收 光在导电媒质中传播时具有衰减现象,即产生光的吸收。光在导电媒质中传播时具有衰减现象,即产生光的吸收。半导体材料通常能强烈地吸收光能,具有数量级为半导体材料通常能强烈地吸收光能,具有数量级为105 cm-1的吸收系数。材料吸收辐射能导致电子从低能级的吸收系数。材料吸收辐射能导致电子从低能级跃迁到较高的能级。跃迁到较高的能级。对于半导体材料,自由电子和束对于半导体材料,自由电子和束缚电子的吸收都很重要。缚电子的吸收都很重要。第39页,本讲稿共65页 大量实验证明,大量实验证明,价带电
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- 半导体物理 第八章 半导体 物理 第八
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