第九章

半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的組成與生長(zhǎng)第九章

半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的組成與生長(zhǎng)Part1第九章9.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的一般性質(zhì)9.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)9.3異質(zhì)PN結(jié)的注入特性9.4理想突變異質(zhì)結(jié)的伏安特性Part1第九章9.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的一般性質(zhì)9.2半9.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的一般性質(zhì)9.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的一般性質(zhì)

由兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料形成的PN結(jié)稱為異質(zhì)結(jié)。

1951年由Gubanov首先提出了異質(zhì)結(jié)的概念；1957年克羅默得到了“導(dǎo)電類型相反的兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料制成的異質(zhì)結(jié)，比同質(zhì)結(jié)具有更高的注入效率?！边@一重要結(jié)論。

1960年IBM公司利用汽相外延生長(zhǎng)技術(shù)成功地實(shí)現(xiàn)了異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

1969年人類制備出了第一支異質(zhì)結(jié)激光二極管。由兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料形成的PN結(jié)稱為異質(zhì)結(jié)。(1)反型異質(zhì)結(jié)(2)同型異質(zhì)結(jié)

由導(dǎo)電類型相反的兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料形成的異質(zhì)結(jié)稱為反型異質(zhì)結(jié)。如：P型Ge與N型GaAs構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)，記為p-nGe-GaAs或(p)Ge-(n)GaAs

由導(dǎo)電類型相同的兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料形成的異質(zhì)結(jié)稱為同型異質(zhì)結(jié)。如：n型Ge與n型GaAs所形成的結(jié)，記為n-nGe-GaAs或(n)Ge-(n)GaAs一、異質(zhì)結(jié)的分類1.按兩種材料導(dǎo)電類型的不同來分：(1)反型異質(zhì)結(jié)(2)同型異質(zhì)結(jié)由導(dǎo)電類型相反一、異質(zhì)結(jié)的分類（1）I型異質(zhì)結(jié)：禁帶寬度小的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂均處于寬禁帶半導(dǎo)體材料的禁帶內(nèi)。（2）

I’型異質(zhì)結(jié)：兩種半導(dǎo)體材料的禁帶相互交錯(cuò)。

（3）Ⅱ型異質(zhì)結(jié)：兩種半導(dǎo)體材料的禁帶完全錯(cuò)開。2.按兩種材料能帶的相對(duì)位置來分：一、異質(zhì)結(jié)的分類（1）I型異質(zhì)結(jié)：禁帶寬度小的半導(dǎo)體材料的一、異質(zhì)結(jié)的分類（1）突變型異質(zhì)結(jié)：從一種半導(dǎo)體材料向另一種半導(dǎo)體材料的過渡只發(fā)生在幾個(gè)原子距離范圍內(nèi)。（2）緩變型異質(zhì)結(jié)：從一種半導(dǎo)體材料向另一種半導(dǎo)體材料的過渡發(fā)生于幾個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度范圍內(nèi)。

3.按從一種材料向另一種材料過渡的變化程度來分：一、異質(zhì)結(jié)的分類（1）突變型異質(zhì)結(jié)：3.按從一種材料向另一二、異質(zhì)結(jié)的組成1、元素半導(dǎo)體：Ge、Si；2、Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體：GaAs、AlAs、InAs、GaP、InP、GaSb、InSb、AlSb等立方系閃鋅礦；

Ⅲ-Ⅴ族氮化物：BN、GaN、InN、AlN等六方晶系；3、Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體：CdTe、HgTe、ZnTe、ZnSe、CdS、ZnS、CdS等閃鋅礦；4、Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體：PbTe、SnTe等NaCl結(jié)構(gòu)（離子晶體）；5、氧化物半導(dǎo)體：ZnO。二、異質(zhì)結(jié)的組成1、元素半導(dǎo)體：Ge、Si；三、異質(zhì)結(jié)的生長(zhǎng)技術(shù)1.液相外延技術(shù)（LPE）2.汽相外延技術(shù)（VPE）3.金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積技術(shù)（MOCVD）4.分子束外延技術(shù)（MBE）三、異質(zhì)結(jié)的生長(zhǎng)技術(shù)1.液相外延技術(shù)（LPE）9.2異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)9.2異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)概述

當(dāng)兩種半導(dǎo)體材料接觸在一起形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，異質(zhì)結(jié)兩邊的費(fèi)米能級(jí)要趨于一致，引起電荷的流動(dòng)，導(dǎo)致在界面附近形成空間電荷區(qū)、內(nèi)建電場(chǎng)，由于結(jié)兩邊材料不同，特別是兩邊材料介電常數(shù)的不同，導(dǎo)致在異質(zhì)結(jié)的界面處盡管電通量是連續(xù)的，但場(chǎng)強(qiáng)一般不連續(xù)，形成界面處電場(chǎng)和電勢(shì)的突變。概述當(dāng)兩種半導(dǎo)體材料接觸在一起形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，概述

由于電勢(shì)的不連續(xù)以及禁帶寬度的不一致，使得異質(zhì)結(jié)界面附近的能帶產(chǎn)生突變，即產(chǎn)生了“尖峰”、“凹口”（或下陷）一些與同質(zhì)結(jié)不同的情況，這些將嚴(yán)重地影響載流子的運(yùn)動(dòng)，使得異質(zhì)結(jié)具有一些同質(zhì)結(jié)所沒有的特性。

概述由于電勢(shì)的不連續(xù)以及禁帶寬度的不一致，使得異質(zhì)結(jié)一、不考慮界面態(tài)1、突變反型異質(zhì)結(jié)

一個(gè)P型A材料和一個(gè)n型B材料形成的異質(zhì)結(jié)。A、B兩材料在未形成異質(zhì)結(jié)前的熱平衡能帶圖如下圖所示：

下標(biāo)為1的參數(shù)為禁帶寬度小的半導(dǎo)體材料的物理參數(shù)；

下標(biāo)為2的參數(shù)為禁帶寬度大的半導(dǎo)體材料的物理參數(shù)。一、不考慮界面態(tài)1、突變反型異質(zhì)結(jié)一個(gè)P型A材料和一個(gè)n型一、不考慮界面態(tài)形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，由于n型半導(dǎo)體（B材料）的費(fèi)米能級(jí)高于P型半導(dǎo)體（A材料），因此電子從n型半導(dǎo)體流向P型半導(dǎo)體，直到兩塊半導(dǎo)體具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。由于電子與空穴的流動(dòng)，在n型和P型半導(dǎo)體的交界面附近形成空了間電荷區(qū)，產(chǎn)生自建電場(chǎng)，使電子在空間電荷區(qū)中各點(diǎn)的電勢(shì)分布不同，即有附加電勢(shì)能存在，使空間電荷區(qū)中的能帶發(fā)生彎曲。

即顯然

由于兩種材料的禁帶寬度不同，能帶彎曲不連續(xù)，出現(xiàn)了“尖峰”和“凹口”。尖峰阻止了電子向?qū)拵б粋?cè)的運(yùn)動(dòng)，這就是所謂的“載流子的限制作用”。

一、不考慮界面態(tài)形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，由于n型半導(dǎo)體（B材料一、不考慮界面態(tài)一、不考慮界面態(tài)一、不考慮界面態(tài)

異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)與同質(zhì)結(jié)的相比有以下特點(diǎn)：

其一、能帶發(fā)生了彎曲。n型半導(dǎo)體能帶的彎曲量是qVD2，且導(dǎo)帶底在交界面處形成一個(gè)向上的“尖峰”。P型半導(dǎo)體能帶的彎曲量是qVD1，導(dǎo)帶底在交界面處形成一個(gè)向下的“凹口”；其二、能帶在交界面處，有一個(gè)突變。即顯然

△Ec稱為導(dǎo)帶階，△Ev稱為價(jià)帶階。

一、不考慮界面態(tài)異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)與同質(zhì)結(jié)的相比有以下特點(diǎn)其三、尖峰的位置處于勢(shì)壘上的什么位置由兩邊材料的相對(duì)摻雜濃度決定。其四、在半導(dǎo)體器件中關(guān)心的是少子運(yùn)動(dòng)。因?yàn)樵赑N異質(zhì)結(jié)中，△Ec

對(duì)P區(qū)電子向N區(qū)的運(yùn)動(dòng)起勢(shì)壘作用，而△Ev則對(duì)N區(qū)空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)沒有明顯的影響。一、不考慮界面態(tài)其三、尖峰的位置處于勢(shì)壘上的什么位置由兩邊材料的相對(duì)摻雜濃度一、不考慮界面態(tài)2、突變同型異質(zhì)結(jié)n型A材料(用1表示)和n型B材料(用2表示)形成的異質(zhì)結(jié)，即nN結(jié)。A、B兩材料在未形成異質(zhì)結(jié)前的熱平衡能帶圖如下圖所示。

一、不考慮界面態(tài)2、突變同型異質(zhì)結(jié)n型A材料(用1表示)和n一、不考慮界面態(tài)這兩種半導(dǎo)體材料緊密接觸形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，B材料的費(fèi)米能級(jí)比A材料的高，因此電子從B流向A，在兩者的界面處A材料一邊形成了電子積累層，B材料一邊則形成了耗盡層（在反型異質(zhì)結(jié)中，界面兩邊形成的都是耗盡層）。

同理：一、不考慮界面態(tài)這兩種半導(dǎo)體材料緊密接觸形成異質(zhì)結(jié)時(shí)二、計(jì)入界面態(tài)的影響在異質(zhì)結(jié)的界面處引入界面態(tài)的原因晶格失配的定義：

當(dāng)兩種半導(dǎo)體材料形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，在交界面處晶格常數(shù)小的半導(dǎo)體材料表面出現(xiàn)了一部分不飽和的鍵，即出現(xiàn)了不飽和的懸掛鍵。（a1，a2分別為兩種半導(dǎo)體晶體的晶格常數(shù)）

突變異質(zhì)結(jié)交界面處的懸掛鍵密度△Ns為兩種材料在交界面處的懸掛鍵密度之差。即△Ns=NS1-NS2

主要原因：

形成異質(zhì)結(jié)的兩種半導(dǎo)體材料的晶格失配，在交界面處晶格常數(shù)小的半導(dǎo)體材料中出現(xiàn)了一部分不飽和的鍵——懸掛鍵。二、計(jì)入界面態(tài)的影響在異質(zhì)結(jié)的界面處引入界面態(tài)的原因晶格失配二、計(jì)入界面態(tài)的影響以金剛石結(jié)構(gòu)為例：以（111）晶面為交界面時(shí)，其懸掛鍵密度為：以（110）晶面為交界面時(shí)，其懸掛鍵密度為：以（100）晶面為交界面時(shí)，其懸掛鍵密度為：二、計(jì)入界面態(tài)的影響以金剛石結(jié)構(gòu)為例：二、計(jì)入界面態(tài)的影響其他原因：

由于兩種材料熱膨脹系數(shù)不同，在高溫下產(chǎn)生懸掛鍵，在交界面引入界面態(tài)；

在化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)中，化合物半導(dǎo)體中的成分元素的互擴(kuò)散也引入界面態(tài)。

對(duì)于n型半導(dǎo)體，懸掛鍵起受主作用，因此，表面處的能帶向上彎曲。對(duì)于P型半導(dǎo)體，懸掛鍵起施主作用，因此，表面處的能帶向下彎曲。顯然，這些懸掛鍵對(duì)半導(dǎo)體起補(bǔ)償作用。界面態(tài)可分為施主態(tài)（電離后帶正電）和受主態(tài)（電離后帶負(fù)電）兩種類型。二、計(jì)入界面態(tài)的影響其他原因：對(duì)于n型半導(dǎo)體，懸掛鍵起受主作二、計(jì)入界面態(tài)的影響1、界面態(tài)密度較小無論是施主態(tài)還是受主態(tài)，都不影響異質(zhì)結(jié)能帶的基本形狀和結(jié)構(gòu)。以PN異質(zhì)結(jié)為例設(shè)：窄帶區(qū)的空間電荷為Q1

寬帶區(qū)的空間電荷為Q2

界面態(tài)上電荷為QIS二、計(jì)入界面態(tài)的影響1、界面態(tài)密度較小無論是施主態(tài)還是受主態(tài)二、計(jì)入界面態(tài)的影響當(dāng)有外加偏壓Va作用時(shí)，異質(zhì)結(jié)兩邊的空間電荷應(yīng)滿足：其中：

二、計(jì)入界面態(tài)的影響當(dāng)有外加偏壓Va作用時(shí)，異質(zhì)結(jié)兩邊的空間二、計(jì)入界面態(tài)的影響因?yàn)椋?/p>

當(dāng)界面電荷QIS是受主電荷時(shí)，即與Q1相同，此時(shí)與無界面態(tài)電荷QIS時(shí)相比較，顯然Q1減小了，而Q2則增大了。

若QIS很小，得到：

式中第一項(xiàng)為由界面態(tài)影響在空間電荷區(qū)產(chǎn)生的電荷量，第二項(xiàng)為不考慮界面態(tài)時(shí)的空間電荷區(qū)電荷量。分析空間電荷區(qū)電荷量的變化：

二、計(jì)入界面態(tài)的影響因?yàn)椋寒?dāng)界面電荷QIS是受主電荷時(shí)，即二、計(jì)入界面態(tài)的影響令L1=x0-x1,L2=x2-x0，L1、L2為P區(qū)和N區(qū)的耗盡層寬度，則

Q1、Q2可改寫為：qNAL1是計(jì)入界面態(tài)影響后空間電荷區(qū)的總電荷

是界面態(tài)影響引入的電荷qNAL10是不計(jì)界面態(tài)影響時(shí)的空間電荷區(qū)總電荷分析空間電荷區(qū)寬度的變化：

二、計(jì)入界面態(tài)的影響令L1=x0-x1,L2=x2-x二、計(jì)入界面態(tài)的影響L10、L20分別為不考慮界面態(tài)時(shí)P區(qū)和N區(qū)的耗盡層寬度，因此有：

則：與QIS同號(hào)的耗盡區(qū)寬度減小了，即P區(qū)的耗盡區(qū)寬度減小了；而與QIS反號(hào)的耗盡區(qū)寬度增大了，即N區(qū)的增大了。減小與增加的量與界面態(tài)電荷量QIS，以及介電常數(shù)成正比。二、計(jì)入界面態(tài)的影響L10、L20分別為不考慮界面態(tài)時(shí)P區(qū)二、計(jì)入界面態(tài)的影響2、界面態(tài)密度很大

當(dāng)半導(dǎo)體表面存在足夠大的界面態(tài)時(shí)，半導(dǎo)體表面的狀態(tài)完全由界面態(tài)電荷決定，與功函數(shù)等沒有關(guān)系。⑴當(dāng)表面態(tài)為施主態(tài)時(shí)：（被電子占據(jù)時(shí)呈電中性，釋放電子后呈正電性）對(duì)于n型半導(dǎo)體：在半導(dǎo)體表面處形成很薄的多子積累層。二、計(jì)入界面態(tài)的影響2、界面態(tài)密度很大當(dāng)半導(dǎo)體表面存二、計(jì)入界面態(tài)的影響對(duì)于P型半導(dǎo)體：

在半導(dǎo)體表面形成耗盡層，層內(nèi)電荷為電離受主。該耗盡層很厚，其厚度由摻雜濃度決定。二、計(jì)入界面態(tài)的影響對(duì)于P型半導(dǎo)體：在半導(dǎo)體二、計(jì)入界面態(tài)的影響⑵當(dāng)表面態(tài)為受主態(tài)時(shí)：（能級(jí)空著時(shí)呈電中性，接受電子后帶負(fù)電）對(duì)于n型半導(dǎo)體：在半導(dǎo)體表面處形成很厚的耗盡層，層內(nèi)電荷為電離施主。厚度由摻雜濃度決定。二、計(jì)入界面態(tài)的影響⑵當(dāng)表面態(tài)為受主態(tài)時(shí)：（能級(jí)空著時(shí)呈電二、計(jì)入界面態(tài)的影響對(duì)于P型半導(dǎo)體：在半導(dǎo)體表面處形成很薄的多子積累層。二、計(jì)入界面態(tài)的影響對(duì)于P型半導(dǎo)體：在半導(dǎo)體表面處形成很薄的二、計(jì)入界面態(tài)的影響

對(duì)異質(zhì)結(jié)來說，當(dāng)界面態(tài)密度很大，且為施主態(tài)時(shí)，這些施主態(tài)電離后使界面帶正電荷，則pN(圖a)、nP(圖b)、pP(圖c)異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)如下圖所示：二、計(jì)入界面態(tài)的影響對(duì)異質(zhì)結(jié)來說，當(dāng)界面態(tài)密度很大，二、計(jì)入界面態(tài)的影響

當(dāng)界面態(tài)密度很大，且為受主態(tài)時(shí)，這些受主態(tài)被電離后使界面帶負(fù)電荷，則pN、nP、nN異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)如下圖所示：二、計(jì)入界面態(tài)的影響當(dāng)界面態(tài)密度很大，且為受主態(tài)時(shí)，二、計(jì)入界面態(tài)的影響

界面態(tài)不同，在界面形成的勢(shì)壘也不同，此時(shí)界面態(tài)起決定性的作用，而界面兩側(cè)半導(dǎo)體材料的固有性質(zhì)（如功函數(shù)、電子親和能、介電常數(shù)等）對(duì)界面勢(shì)壘沒有影響，這是由于界面態(tài)上大量電荷的屏蔽作用所致。

二、計(jì)入界面態(tài)的影響界面態(tài)不同，在界面形成的勢(shì)壘也三、突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差設(shè)：構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的兩種半導(dǎo)體材料即P型和N型中的雜質(zhì)都是均勻分布的，其濃度分別為NA1和ND2，勢(shì)壘區(qū)的正、負(fù)空間電荷區(qū)的寬度分別為：

d1=x0—x1d2=x2—x0取x=x0為交界面處坐標(biāo)。泊松方程為：式中，、分別為P型及N型半導(dǎo)體的介電常數(shù)。

、

三、突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差設(shè)：構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的兩種半導(dǎo)體材三、突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差積分并根據(jù)邊界條件可得到兩邊空間電荷區(qū)內(nèi)的電勢(shì)分布V1(x)、V2(x)

1、無外加電壓時(shí)由V1(x0)=V2(x0)可得到接觸電勢(shì)差：勢(shì)壘區(qū)寬度：在交界面兩側(cè)，兩種半導(dǎo)體勢(shì)壘區(qū)寬度分別為：

耗盡區(qū)總電荷量為：

三、突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差積分并根據(jù)邊界條件可得到兩邊空三、突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差2、外加電壓V時(shí)三、突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差2、外加電壓V時(shí)三、突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差單位面積異質(zhì)結(jié)的電容為以上各式只要將下標(biāo)1與2互換，就可用于突變NP異質(zhì)結(jié)。耗盡區(qū)總電荷量為：三、突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差單位面積異質(zhì)結(jié)的電容為以上各四、突變同型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差對(duì)于突變同型異質(zhì)結(jié)（nn結(jié)），窄禁帶一側(cè)是多子積累層，而寬禁帶一側(cè)是耗盡層。1、無外加電壓時(shí)求解泊松方程可得到：四、突變同型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差對(duì)于突變同型異質(zhì)結(jié)（nn結(jié)）2、有外加偏壓時(shí)

只要用(VD—V)、(VD1—V1)、(VD2—V2)代替上式中的VD、VD1、VD2即可。

同理，將上式中的施主雜質(zhì)濃度改為受主雜質(zhì)濃度，即可得到用于PP結(jié)的對(duì)應(yīng)公式。四、突變同型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差2、有外加偏壓時(shí)只要用(VD—V)、(9.3異質(zhì)PN結(jié)的注入特性9.3異質(zhì)PN結(jié)的注入特性一、異質(zhì)PN結(jié)的高注入比特性

利用擴(kuò)散模型可以獲得異質(zhì)PN結(jié)的電子電流密度Jn和空穴電流密度Jp的表達(dá)式，將Jn和Jp取比值得到異質(zhì)結(jié)的注入比。

人們針對(duì)不同的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，提出了多種異質(zhì)結(jié)伏安特性的模型，如：擴(kuò)散模型、熱電子發(fā)射模型、隧道模型、發(fā)射-復(fù)合模型、隧道-復(fù)合模型、擴(kuò)散-發(fā)射模型等等。穩(wěn)態(tài)情況下，p型半導(dǎo)體中注入的少子電子運(yùn)動(dòng)遵守的連續(xù)性方程為：其通解為：一、異質(zhì)PN結(jié)的高注入比特性利用擴(kuò)散模型可以獲得異質(zhì)一、異質(zhì)PN結(jié)的高注入比特性代入邊界條件，可求出常數(shù)A和B，可得到注入到p區(qū)的少子電子的分布為：同理，可求得注入到n區(qū)的少子空穴的分布為：由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)可求出流過結(jié)面的電子和空穴電流：一、異質(zhì)PN結(jié)的高注入比特性代入邊界條件，可求出常數(shù)A和B，由圖可以看出，p型半導(dǎo)體中少子濃度n10與n型半導(dǎo)體中多子濃度n20的關(guān)系為：同理，n型半導(dǎo)體中少子空穴濃度P20與P型半導(dǎo)體中多子空穴濃度P10的關(guān)系為：一、異質(zhì)PN結(jié)的高注入比特性由圖可以看出，p型半導(dǎo)體中少子濃度n10與n型半一、異質(zhì)PN結(jié)的高注入比特性將Jn和Jp中的少子濃度分別用n區(qū)和p區(qū)的多子濃度n20和p10代入，得：在上兩式中，若n20和p10在同一數(shù)量級(jí)，那么前面的系數(shù)也在相同的數(shù)量級(jí)，消去相同的因式后，它們所不同的是：對(duì)于異質(zhì)結(jié)，△EC和△EV都是正值，故有Jn>>Jp，說明異質(zhì)結(jié)的電流主要有電子電流構(gòu)成。一、異質(zhì)PN結(jié)的高注入比特性將Jn和Jp中的少子濃度分別用n一、異質(zhì)PN結(jié)的高注入比特性在P區(qū)和N區(qū)雜質(zhì)完全電離的情況下，有n20=ND2，P10=NA1

所以有：Dn1、Dp2分別為兩種半導(dǎo)體材料中載流子的擴(kuò)散系數(shù)Lp2、Ln1分別為載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度式中Dn1與Dp2，Lp2與Ln1相差不大，且都在同一數(shù)量級(jí)然而式中的則遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1的。一、異質(zhì)PN結(jié)的高注入比特性在P區(qū)和N區(qū)雜質(zhì)完全電離的情況下一、異質(zhì)PN結(jié)的高注入比特性1、對(duì)于同質(zhì)結(jié)

所以：同樣，Dn與Dp，Lp與Ln相差不大，也都在同一數(shù)量級(jí)，因此，決定同質(zhì)結(jié)注入比的是摻雜濃度，要獲得高注入比，就要求PN結(jié)的一邊應(yīng)高摻雜，所以晶體管的發(fā)射區(qū)都是高摻雜的。由于一、異質(zhì)PN結(jié)的高注入比特性1、對(duì)于同質(zhì)結(jié)所以：同樣，Dn一、異質(zhì)PN結(jié)的高注入比特性2、對(duì)于異質(zhì)結(jié)

上式中的△E

是指數(shù)項(xiàng)，是決定注入比的關(guān)鍵，即使ND2<NA1，仍可獲得很大的注入比。

異質(zhì)PN結(jié)的高注入特性是區(qū)別同質(zhì)PN結(jié)的主要特點(diǎn)之一。這一特性已得到了實(shí)際應(yīng)用。

例如：在P-GaAs-n-AlGaAs異質(zhì)結(jié)中，可獲得約為7.4×105的注入比。一、異質(zhì)PN結(jié)的高注入比特性2、對(duì)于異質(zhì)結(jié)上式中的△E是二、異質(zhì)PN結(jié)的超注入現(xiàn)象

異質(zhì)結(jié)的超注入現(xiàn)象是指：在異質(zhì)PN結(jié)中，由寬禁帶半導(dǎo)體注入到窄禁帶半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子濃度可超過寬禁帶半導(dǎo)體中多數(shù)載流子的濃度。以pnGaAs-AlxGa1-xAs為例來討論:

無外加電壓二、異質(zhì)PN結(jié)的超注入現(xiàn)象異質(zhì)結(jié)的超注入現(xiàn)象二、異質(zhì)PN結(jié)的超注入現(xiàn)象有外加電壓

當(dāng)施加一正向電壓時(shí)，可看到n區(qū)導(dǎo)帶底相對(duì)于P區(qū)導(dǎo)帶底隨所施加的正向電壓的增大而上升。當(dāng)電壓足夠大時(shí)，pn結(jié)勢(shì)壘可被拉平，由于導(dǎo)帶階△Ec

的存在，n區(qū)導(dǎo)帶底甚至高于P區(qū)導(dǎo)帶底。二、異質(zhì)PN結(jié)的超注入現(xiàn)象有外加電壓當(dāng)施加一二、異質(zhì)PN結(jié)的超注入現(xiàn)象

此時(shí)異質(zhì)pn結(jié)處于非平衡狀態(tài)，無統(tǒng)一費(fèi)米能級(jí)，P區(qū)的電子隨著外加偏壓的增大，其準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)偏離平衡費(fèi)米能級(jí)，而且變化幅度非常大，在異質(zhì)PN結(jié)處于正向大電流穩(wěn)態(tài)時(shí)，P區(qū)和n區(qū)兩邊電子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)達(dá)到一致。由載流子濃度的表示式知：二、異質(zhì)PN結(jié)的超注入現(xiàn)象此時(shí)異質(zhì)pn結(jié)處于二、異質(zhì)PN結(jié)的超注入現(xiàn)象NC1、NC2分別為GaAs和AlxGa1-xAS

導(dǎo)帶的有效狀態(tài)密度，可近似認(rèn)為NC1=NC2，則：由于EC2>EC1故有n1>n2室溫下，k0T的數(shù)值很小，只要EC2-EC1的數(shù)值比k0T大一倍，n1就比n2幾乎大一個(gè)數(shù)量級(jí)。一般情況下，Ec1遠(yuǎn)低于Ec2，從而就保證了n1>>n2，實(shí)現(xiàn)超注入。二、異質(zhì)PN結(jié)的超注入現(xiàn)象NC1、NC2分別為GaAs二、異質(zhì)PN結(jié)的超注入現(xiàn)象

超注入現(xiàn)象是異質(zhì)結(jié)特有的另一重要特性。這一特性已在器件開發(fā)中廣泛應(yīng)用，如在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)激光器的設(shè)計(jì)中，利用異質(zhì)結(jié)的超注入特性，可使窄禁帶區(qū)的注入少子濃度達(dá)到108cm-3以上，保證了實(shí)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)激光器所要求的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的必備條件。二、異質(zhì)PN結(jié)的超注入現(xiàn)象超注入現(xiàn)象是異質(zhì)結(jié)特9.4理想突變異質(zhì)結(jié)的伏安特性9.4理想突變異質(zhì)結(jié)的伏安特性一、低勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)結(jié)的I-V特性低勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)結(jié)：勢(shì)壘尖峰頂?shù)陀赑型區(qū)導(dǎo)帶底。其能帶結(jié)構(gòu)如圖所示：由n區(qū)擴(kuò)散向結(jié)處的電子流可以越過尖峰勢(shì)壘進(jìn)入P區(qū)，這樣該異質(zhì)pn結(jié)的電流主要由擴(kuò)散機(jī)制決定，可以利用擴(kuò)散模型來處理。一、低勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)結(jié)的I-V特性低勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)結(jié)：勢(shì)壘尖一、低勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)結(jié)的I-V特性施加一正向偏壓V時(shí)，通過該異質(zhì)結(jié)的電流密度為：式中：Dn1、Ln1分別為窄禁帶半導(dǎo)體中電子的擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散長(zhǎng)度；Dp2、Lp2分別為寬禁帶半導(dǎo)體中空穴的擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散長(zhǎng)度

n10和p20分別為窄禁帶半導(dǎo)體（p型）和寬禁帶半導(dǎo)體（n型）的平衡少子濃度。上式表明，在正向偏壓下，異質(zhì)pn結(jié)的電流隨電壓按指數(shù)規(guī)律增加。

一、低勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)結(jié)的I-V特性施加一正向偏壓V時(shí)，通過該一、低勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)結(jié)的I-V特性式中的Jn、Jp也可用n區(qū)、p區(qū)多子濃度n20、p10表示：對(duì)于由窄禁帶P型半導(dǎo)體和寬禁帶n型半導(dǎo)體形成的異質(zhì)pn結(jié)，其△Ec和△Ev

都是正值，且比室溫時(shí)的k0T大得多，固有Jn>>Jp

。表明通過異質(zhì)結(jié)面的電流主要由電子電流構(gòu)成，而空穴電流所占的比列很小。一、低勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)結(jié)的I-V特性式中的Jn、Jp也可用n二、高勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)結(jié)的I-V特性高勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)pn結(jié)：n區(qū)的勢(shì)壘尖峰頂較P區(qū)導(dǎo)帶底高得多。其能帶結(jié)構(gòu)如圖所示：n區(qū)的勢(shì)壘尖峰頂較P區(qū)導(dǎo)帶底高得多，那么n區(qū)擴(kuò)散向結(jié)面處的電子，只有能量高于勢(shì)壘尖峰的才能通過發(fā)射機(jī)制進(jìn)入P區(qū)，可以采用熱電子發(fā)射模型來處理。

二、高勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)結(jié)的I-V特性高勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)pn結(jié)：二、高勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)結(jié)的I-V特性施加正偏壓時(shí)，通過該異質(zhì)pn結(jié)的總電流密度為:

式中

J1為P區(qū)注入到N區(qū)的電子流形成的電流；J2為N區(qū)注入到P區(qū)的電子流形成的電流；m*=m*1=m*2。在正向偏壓時(shí)，由P區(qū)注入n區(qū)的電子流很小，式中第二項(xiàng)可以略去，該異質(zhì)pn結(jié)的正向電流主要由從n區(qū)注入p區(qū)的電子流形成，上式可簡(jiǎn)化為：

利用發(fā)射模型所得到的結(jié)果同樣是正向電流隨電壓按指數(shù)關(guān)系增加。二、高勢(shì)壘尖峰形異質(zhì)結(jié)的I-V特性施加正偏壓時(shí)，通過該異質(zhì)p三、穿通勢(shì)壘尖的隧道模型隧道模型：勢(shì)壘尖的厚度有限，電子無須具有高出整個(gè)“尖峰頂”的能量就能夠以隧穿的方式由N區(qū)進(jìn)入P區(qū)。隧道模型的隧穿電流等于隧穿幾率與入射電子流的乘積，可表示為：式中：T為隧穿幾率；JS(T)是與溫度有微弱關(guān)系的常數(shù)；A是與溫度無關(guān)的常數(shù)；Va為外加偏壓。

三、穿通勢(shì)壘尖的隧道模型隧道模型：勢(shì)壘尖的厚度有限，電子無須三、穿通勢(shì)壘尖的隧道模型

從圖中看出，在N區(qū)中只有能量達(dá)到三角形勢(shì)壘底部的電子才有可能以隧道的方式穿透勢(shì)壘尖而進(jìn)入P區(qū)，所以，當(dāng)正向電壓較小時(shí)，只有少量的電子能達(dá)到勢(shì)壘尖區(qū)，總電流受熱電子發(fā)射電流的限制，其數(shù)值較?。划?dāng)正向電壓很大時(shí)，大量電子都能到達(dá)勢(shì)壘尖區(qū)，總電流受隧道效應(yīng)的限制。

在異質(zhì)結(jié)的正向伏安特性曲線上存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)的左邊，曲線的斜率與溫度有關(guān)，是熱電子發(fā)射或擴(kuò)散機(jī)制；在轉(zhuǎn)折點(diǎn)右邊，曲線的斜率與溫度無關(guān)，是隧道機(jī)制。三、穿通勢(shì)壘尖的隧道模型從圖中看出，在N區(qū)中只有能量三、穿通勢(shì)壘尖的隧道模型在實(shí)際計(jì)算中還應(yīng)考慮能帶結(jié)構(gòu)對(duì)于I-V特性的影響，如：

(1)積累層的作用；(2)S形伏安特性。實(shí)質(zhì)上S形伏安特性是耿氏谷間散射的逆過程。

(3)界面態(tài)的影響。當(dāng)界面態(tài)密度較小時(shí)，界面態(tài)作為復(fù)合中心；當(dāng)界面態(tài)密度較大時(shí)，它將改變能帶的形狀，形成背對(duì)背串聯(lián)的肖特基二極管結(jié)構(gòu)。三、穿通勢(shì)壘尖的隧道模型在實(shí)際計(jì)算中還應(yīng)考慮能帶結(jié)構(gòu)謝謝謝謝第九章

半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的組成與生長(zhǎng)第九章

半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的組成與生長(zhǎng)Part1第九章9.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的一般性質(zhì)9.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)9.3異質(zhì)PN結(jié)的注入特性9.4理想突變異質(zhì)結(jié)的伏安特性Part1第九章9.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的一般性質(zhì)9.2半9.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的一般性質(zhì)9.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的一般性質(zhì)

由兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料形成的PN結(jié)稱為異質(zhì)結(jié)。

1951年由Gubanov首先提出了異質(zhì)結(jié)的概念；1957年克羅默得到了“導(dǎo)電類型相反的兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料制成的異質(zhì)結(jié)，比同質(zhì)結(jié)具有更高的注入效率?！边@一重要結(jié)論。

1960年IBM公司利用汽相外延生長(zhǎng)技術(shù)成功地實(shí)現(xiàn)了異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

1969年人類制備出了第一支異質(zhì)結(jié)激光二極管。由兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料形成的PN結(jié)稱為異質(zhì)結(jié)。(1)反型異質(zhì)結(jié)(2)同型異質(zhì)結(jié)

由導(dǎo)電類型相反的兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料形成的異質(zhì)結(jié)稱為反型異質(zhì)結(jié)。如：P型Ge與N型GaAs構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)，記為p-nGe-GaAs或(p)Ge-(n)GaAs

由導(dǎo)電類型相同的兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料形成的異質(zhì)結(jié)稱為同型異質(zhì)結(jié)。如：n型Ge與n型GaAs所形成的結(jié)，記為n-nGe-GaAs或(n)Ge-(n)GaAs一、異質(zhì)結(jié)的分類1.按兩種材料導(dǎo)電類型的不同來分：(1)反型異質(zhì)結(jié)(2)同型異質(zhì)結(jié)由導(dǎo)電類型相反一、異質(zhì)結(jié)的分類（1）I型異質(zhì)結(jié)：禁帶寬度小的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂均處于寬禁帶半導(dǎo)體材料的禁帶內(nèi)。（2）

I’型異質(zhì)結(jié)：兩種半導(dǎo)體材料的禁帶相互交錯(cuò)。

（3）Ⅱ型異質(zhì)結(jié)：兩種半導(dǎo)體材料的禁帶完全錯(cuò)開。2.按兩種材料能帶的相對(duì)位置來分：一、異質(zhì)結(jié)的分類（1）I型異質(zhì)結(jié)：禁帶寬度小的半導(dǎo)體材料的一、異質(zhì)結(jié)的分類（1）突變型異質(zhì)結(jié)：從一種半導(dǎo)體材料向另一種半導(dǎo)體材料的過渡只發(fā)生在幾個(gè)原子距離范圍內(nèi)。（2）緩變型異質(zhì)結(jié)：從一種半導(dǎo)體材料向另一種半導(dǎo)體材料的過渡發(fā)生于幾個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度范圍內(nèi)。

3.按從一種材料向另一種材料過渡的變化程度來分：一、異質(zhì)結(jié)的分類（1）突變型異質(zhì)結(jié)：3.按從一種材料向另一二、異質(zhì)結(jié)的組成1、元素半導(dǎo)體：Ge、Si；2、Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體：GaAs、AlAs、InAs、GaP、InP、GaSb、InSb、AlSb等立方系閃鋅礦；

Ⅲ-Ⅴ族氮化物：BN、GaN、InN、AlN等六方晶系；3、Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體：CdTe、HgTe、ZnTe、ZnSe、CdS、ZnS、CdS等閃鋅礦；4、Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體：PbTe、SnTe等NaCl結(jié)構(gòu)（離子晶體）；5、氧化物半導(dǎo)體：ZnO。二、異質(zhì)結(jié)的組成1、元素半導(dǎo)體：Ge、Si；三、異質(zhì)結(jié)的生長(zhǎng)技術(shù)1.液相外延技術(shù)（LPE）2.汽相外延技術(shù)（VPE）3.金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積技術(shù)（MOCVD）4.分子束外延技術(shù)（MBE）三、異質(zhì)結(jié)的生長(zhǎng)技術(shù)1.液相外延技術(shù)（LPE）9.2異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)9.2異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)概述

當(dāng)兩種半導(dǎo)體材料接觸在一起形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，異質(zhì)結(jié)兩邊的費(fèi)米能級(jí)要趨于一致，引起電荷的流動(dòng)，導(dǎo)致在界面附近形成空間電荷區(qū)、內(nèi)建電場(chǎng)，由于結(jié)兩邊材料不同，特別是兩邊材料介電常數(shù)的不同，導(dǎo)致在異質(zhì)結(jié)的界面處盡管電通量是連續(xù)的，但場(chǎng)強(qiáng)一般不連續(xù)，形成界面處電場(chǎng)和電勢(shì)的突變。概述當(dāng)兩種半導(dǎo)體材料接觸在一起形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，概述

由于電勢(shì)的不連續(xù)以及禁帶寬度的不一致，使得異質(zhì)結(jié)界面附近的能帶產(chǎn)生突變，即產(chǎn)生了“尖峰”、“凹口”（或下陷）一些與同質(zhì)結(jié)不同的情況，這些將嚴(yán)重地影響載流子的運(yùn)動(dòng)，使得異質(zhì)結(jié)具有一些同質(zhì)結(jié)所沒有的特性。

概述由于電勢(shì)的不連續(xù)以及禁帶寬度的不一致，使得異質(zhì)結(jié)一、不考慮界面態(tài)1、突變反型異質(zhì)結(jié)

一個(gè)P型A材料和一個(gè)n型B材料形成的異質(zhì)結(jié)。A、B兩材料在未形成異質(zhì)結(jié)前的熱平衡能帶圖如下圖所示：

下標(biāo)為1的參數(shù)為禁帶寬度小的半導(dǎo)體材料的物理參數(shù)；

下標(biāo)為2的參數(shù)為禁帶寬度大的半導(dǎo)體材料的物理參數(shù)。一、不考慮界面態(tài)1、突變反型異質(zhì)結(jié)一個(gè)P型A材料和一個(gè)n型一、不考慮界面態(tài)形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，由于n型半導(dǎo)體（B材料）的費(fèi)米能級(jí)高于P型半導(dǎo)體（A材料），因此電子從n型半導(dǎo)體流向P型半導(dǎo)體，直到兩塊半導(dǎo)體具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。由于電子與空穴的流動(dòng)，在n型和P型半導(dǎo)體的交界面附近形成空了間電荷區(qū)，產(chǎn)生自建電場(chǎng)，使電子在空間電荷區(qū)中各點(diǎn)的電勢(shì)分布不同，即有附加電勢(shì)能存在，使空間電荷區(qū)中的能帶發(fā)生彎曲。

即顯然

由于兩種材料的禁帶寬度不同，能帶彎曲不連續(xù)，出現(xiàn)了“尖峰”和“凹口”。尖峰阻止了電子向?qū)拵б粋?cè)的運(yùn)動(dòng)，這就是所謂的“載流子的限制作用”。

一、不考慮界面態(tài)形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，由于n型半導(dǎo)體（B材料一、不考慮界面態(tài)一、不考慮界面態(tài)一、不考慮界面態(tài)

異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)與同質(zhì)結(jié)的相比有以下特點(diǎn)：

其一、能帶發(fā)生了彎曲。n型半導(dǎo)體能帶的彎曲量是qVD2，且導(dǎo)帶底在交界面處形成一個(gè)向上的“尖峰”。P型半導(dǎo)體能帶的彎曲量是qVD1，導(dǎo)帶底在交界面處形成一個(gè)向下的“凹口”；其二、能帶在交界面處，有一個(gè)突變。即顯然

△Ec稱為導(dǎo)帶階，△Ev稱為價(jià)帶階。

一、不考慮界面態(tài)異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)與同質(zhì)結(jié)的相比有以下特點(diǎn)其三、尖峰的位置處于勢(shì)壘上的什么位置由兩邊材料的相對(duì)摻雜濃度決定。其四、在半導(dǎo)體器件中關(guān)心的是少子運(yùn)動(dòng)。因?yàn)樵赑N異質(zhì)結(jié)中，△Ec

對(duì)P區(qū)電子向N區(qū)的運(yùn)動(dòng)起勢(shì)壘作用，而△Ev則對(duì)N區(qū)空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)沒有明顯的影響。一、不考慮界面態(tài)其三、尖峰的位置處于勢(shì)壘上的什么位置由兩邊材料的相對(duì)摻雜濃度一、不考慮界面態(tài)2、突變同型異質(zhì)結(jié)n型A材料(用1表示)和n型B材料(用2表示)形成的異質(zhì)結(jié)，即nN結(jié)。A、B兩材料在未形成異質(zhì)結(jié)前的熱平衡能帶圖如下圖所示。

一、不考慮界面態(tài)2、突變同型異質(zhì)結(jié)n型A材料(用1表示)和n一、不考慮界面態(tài)這兩種半導(dǎo)體材料緊密接觸形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，B材料的費(fèi)米能級(jí)比A材料的高，因此電子從B流向A，在兩者的界面處A材料一邊形成了電子積累層，B材料一邊則形成了耗盡層（在反型異質(zhì)結(jié)中，界面兩邊形成的都是耗盡層）。

同理：一、不考慮界面態(tài)這兩種半導(dǎo)體材料緊密接觸形成異質(zhì)結(jié)時(shí)二、計(jì)入界面態(tài)的影響在異質(zhì)結(jié)的界面處引入界面態(tài)的原因晶格失配的定義：

當(dāng)兩種半導(dǎo)體材料形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，在交界面處晶格常數(shù)小的半導(dǎo)體材料表面出現(xiàn)了一部分不飽和的鍵，即出現(xiàn)了不飽和的懸掛鍵。（a1，a2分別為兩種半導(dǎo)體晶體的晶格常數(shù)）

突變異質(zhì)結(jié)交界面處的懸掛鍵密度△Ns為兩種材料在交界面處的懸掛鍵密度之差。即△Ns=NS1-NS2

主要原因：

形成異質(zhì)結(jié)的兩種半導(dǎo)體材料的晶格失配，在交界面處晶格常數(shù)小的半導(dǎo)體材料中出現(xiàn)了一部分不飽和的鍵——懸掛鍵。二、計(jì)入界面態(tài)的影響在異質(zhì)結(jié)的界面處引入界面態(tài)的原因晶格失配二、計(jì)入界面態(tài)的影響以金剛石結(jié)構(gòu)為例：以（111）晶面為交界面時(shí)，其懸掛鍵密度為：以（110）晶面為交界面時(shí)，其懸掛鍵密度為：以（100）晶面為交界面時(shí)，其懸掛鍵密度為：二、計(jì)入界面態(tài)的影響以金剛石結(jié)構(gòu)為例：二、計(jì)入界面態(tài)的影響其他原因：

由于兩種材料熱膨脹系數(shù)不同，在高溫下產(chǎn)生懸掛鍵，在交界面引入界面態(tài)；

在化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)中，化合物半導(dǎo)體中的成分元素的互擴(kuò)散也引入界面態(tài)。

對(duì)于n型半導(dǎo)體，懸掛鍵起受主作用，因此，表面處的能帶向上彎曲。對(duì)于P型半導(dǎo)體，懸掛鍵起施主作用，因此，表面處的能帶向下彎曲。顯然，這些懸掛鍵對(duì)半導(dǎo)體起補(bǔ)償作用。界面態(tài)可分為施主態(tài)（電離后帶正電）和受主態(tài)（電離后帶負(fù)電）兩種類型。二、計(jì)入界面態(tài)的影響其他原因：對(duì)于n型半導(dǎo)體，懸掛鍵起受主作二、計(jì)入界面態(tài)的影響1、界面態(tài)密度較小無論是施主態(tài)還是受主態(tài)，都不影響異質(zhì)結(jié)能帶的基本形狀和結(jié)構(gòu)。以PN異質(zhì)結(jié)為例設(shè)：窄帶區(qū)的空間電荷為Q1

寬帶區(qū)的空間電荷為Q2

界面態(tài)上電荷為QIS二、計(jì)入界面態(tài)的影響1、界面態(tài)密度較小無論是施主態(tài)還是受主態(tài)二、計(jì)入界面態(tài)的影響當(dāng)有外加偏壓Va作用時(shí)，異質(zhì)結(jié)兩邊的空間電荷應(yīng)滿足：其中：

二、計(jì)入界面態(tài)的影響當(dāng)有外加偏壓Va作用時(shí)，異質(zhì)結(jié)兩邊的空間二、計(jì)入界面態(tài)的影響因?yàn)椋?/p>

當(dāng)界面電荷QIS是受主電荷時(shí)，即與Q1相同，此時(shí)與無界面態(tài)電荷QIS時(shí)相比較，顯然Q1減小了，而Q2則增大了。

若QIS很小，得到：

式中第一項(xiàng)為由界面態(tài)影響在空間電荷區(qū)產(chǎn)生的電荷量，第二項(xiàng)為不考慮界面態(tài)時(shí)的空間電荷區(qū)電荷量。分析空間電荷區(qū)電荷量的變化：

二、計(jì)入界面態(tài)的影響因?yàn)椋寒?dāng)界面電荷QIS是受主電荷時(shí)，即二、計(jì)入界面態(tài)的影響令L1=x0-x1,L2=x2-x0，L1、L2為P區(qū)和N區(qū)的耗盡層寬度，則

Q1、Q2可改寫為：qNAL1是計(jì)入界面態(tài)影響后空間電荷區(qū)的總電荷

是界面態(tài)影響引入的電荷qNAL10是不計(jì)界面態(tài)影響時(shí)的空間電荷區(qū)總電荷分析空間電荷區(qū)寬度的變化：

二、計(jì)入界面態(tài)的影響令L1=x0-x1,L2=x2-x二、計(jì)入界面態(tài)的影響L10、L20分別為不考慮界面態(tài)時(shí)P區(qū)和N區(qū)的耗盡層寬度，因此有：

則：與QIS同號(hào)的耗盡區(qū)寬度減小了，即P區(qū)的耗盡區(qū)寬度減小了；而與QIS反號(hào)的耗盡區(qū)寬度增大了，即N區(qū)的增大了。減小與增加的量與界面態(tài)電荷量QIS，以及介電常數(shù)成正比。二、計(jì)入界面態(tài)的影響L10、L20分別為不考慮界面態(tài)時(shí)P區(qū)二、計(jì)入界面態(tài)的影響2、界面態(tài)密度很大

當(dāng)半導(dǎo)體表面存在足夠大的界面態(tài)時(shí)，半導(dǎo)體表面的狀態(tài)完全由界面態(tài)電荷決定，與功函數(shù)等沒有關(guān)系。⑴當(dāng)表面態(tài)為施主態(tài)時(shí)：（被電子占據(jù)時(shí)呈電中性，釋放電子后呈正電性）對(duì)于n型半導(dǎo)體：在半導(dǎo)體表面處形成很薄的多子積累層。二、計(jì)入界面態(tài)的影響2、界面態(tài)密度很大當(dāng)半導(dǎo)體表面存二、計(jì)入界面態(tài)的影響對(duì)于P型半導(dǎo)體：

在半導(dǎo)體表面形成耗盡層，層內(nèi)電荷為電離受主。該耗盡層很厚，其厚度由摻雜濃度決定。二、計(jì)入界面態(tài)的影響對(duì)于P型半導(dǎo)體：在半導(dǎo)體二、計(jì)入界面態(tài)的影響⑵當(dāng)表面態(tài)為受主態(tài)時(shí)：（能級(jí)空著時(shí)呈電中性，接受電子后帶負(fù)電）對(duì)于n型半導(dǎo)體：在半導(dǎo)體表面處形成很厚的耗盡層，層內(nèi)電荷為電離施主。厚度由摻雜濃度決定。二、計(jì)入界面態(tài)的影響⑵當(dāng)表面態(tài)為受主態(tài)時(shí)：（能級(jí)空著時(shí)呈電二、計(jì)入界面態(tài)的影響對(duì)于P型半導(dǎo)體：在半導(dǎo)體表面處形成很薄的多子積累層。二、計(jì)入界面態(tài)的影響對(duì)于P型半導(dǎo)體：在半導(dǎo)體表面處形成很薄的二、計(jì)入界面態(tài)的影響

對(duì)異質(zhì)結(jié)來說，當(dāng)界面態(tài)密度很大，且為施主態(tài)時(shí)，這些施主態(tài)電離后使界面帶正電荷，則pN(圖a)、nP(圖b)、pP(圖c)異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)如下圖所示：二、計(jì)入界面態(tài)的影響對(duì)異質(zhì)結(jié)來說，當(dāng)界面態(tài)密度很大，二、計(jì)入界面態(tài)的影響

當(dāng)界面態(tài)密度很大，且為受主態(tài)時(shí)，這些受主態(tài)被電離后使界面帶負(fù)電荷，則pN、nP、nN異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)如下圖所示：二、計(jì)入界面態(tài)的影響當(dāng)界面態(tài)密度很大，且為受主態(tài)時(shí)，二、計(jì)入界面態(tài)的影響

界面態(tài)不同，在界面形成的勢(shì)壘也不同，此時(shí)界面態(tài)起決定性的作用，而界面兩側(cè)半導(dǎo)體材料的固有性質(zhì)（如功函數(shù)、電子親和能、介電常數(shù)等）對(duì)界面勢(shì)壘沒有影響，這是由于界面態(tài)上大量電荷的屏蔽作用所致。

二、計(jì)入界面態(tài)的影響界面態(tài)不同，在界面形成的勢(shì)壘也三、突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差設(shè)：構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的兩種半導(dǎo)體材料即P型和N型中的雜質(zhì)都是均勻分布的，其濃度分別為NA1和ND2，勢(shì)壘區(qū)的正、負(fù)空間電荷區(qū)的寬度分別為：

d1=x0—x1d2=x2—x0取x=x0為交界面處坐標(biāo)。泊松方程為：式中，、分別為P型及N型半導(dǎo)體的介電常數(shù)。

、

三、突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差設(shè)：構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的兩種半導(dǎo)體材三、突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差積分并根據(jù)邊界條件可得到兩邊空間電荷區(qū)內(nèi)的電勢(shì)分布V1(x)、V2(x)

1、無外加電壓時(shí)由V1(x0)=V2(x0)可得到接觸電勢(shì)差：勢(shì)壘區(qū)寬度：在交界面兩側(cè)，兩種半導(dǎo)體勢(shì)壘區(qū)寬度分別為：

耗盡區(qū)總電荷量為：

三、突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差積分并根據(jù)邊界條件可得到兩邊空三、突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差2、外加電壓V時(shí)三、突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差2、外加電壓V時(shí)三、突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差單位面積異質(zhì)結(jié)的電容為以上各式只要將下標(biāo)1與2互換，就可用于突變NP異質(zhì)結(jié)。耗盡區(qū)總電荷量為：三、突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差單位面積異質(zhì)結(jié)的電容為以上各四、突變同型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差對(duì)于突變同型異質(zhì)結(jié)（nn結(jié)），窄禁帶一側(cè)是多子積累層，而寬禁帶一側(cè)是耗盡層。1、無外加電壓時(shí)求解泊松方程可得到：四、突變同型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差對(duì)于突變同型異質(zhì)結(jié)（nn結(jié)）2、有外加偏壓時(shí)

只要用(VD—V)、(VD1—V1)、(VD2—V2)代替上式中的VD、VD1、VD2即可。

同理，將上式中的施主雜質(zhì)濃度改為受主雜質(zhì)濃度，即可得到用于PP結(jié)的對(duì)應(yīng)公式。四、突變同型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差2、有外加偏壓時(shí)只要用(VD—V)、(9.3異質(zhì)PN結(jié)的注入特性9.3異質(zhì)PN結(jié)的注入特性一、異質(zhì)PN結(jié)的高注入比特性

利用擴(kuò)散模型可以獲得異質(zhì)PN結(jié)的電子電流密度Jn和空穴電流密度Jp的表達(dá)式，將Jn和Jp取比值得到異質(zhì)結(jié)的注入比。

人們針對(duì)不同的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，提出了多種異質(zhì)結(jié)伏安特性的模型，如：擴(kuò)散模型、熱電子發(fā)射模型、隧道模型、發(fā)射-復(fù)合模型、隧道-復(fù)合模型、擴(kuò)散-發(fā)射模型等等。穩(wěn)態(tài)情況下，p型半導(dǎo)體中注入的少子電子運(yùn)動(dòng)遵守的連續(xù)性方程為：其通解為：一、異質(zhì)PN結(jié)的高注入比特性利用擴(kuò)散模型可以獲得異質(zhì)一、異質(zhì)PN結(jié)的高注入比特性代入邊界條件，可求出常數(shù)A和B，可得到注入到p區(qū)的少子電子的分布為：同理，可求得注入到n區(qū)的少子空穴的分布為：由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)可求出流過結(jié)面的電子和空穴電流：一、異質(zhì)PN結(jié)的高注入比特性代入邊界條件，可求出常數(shù)A和B，由圖可以看出，p型半導(dǎo)體中少子濃度n10與n型半導(dǎo)體中多子濃度n20的關(guān)系為：同理，n型半導(dǎo)體中少子空穴濃度P20與P型半導(dǎo)體中多子空穴濃度P10的關(guān)系為：一、異質(zhì)PN結(jié)的高注入比特性由圖可以看出，p型半導(dǎo)體中少子濃度n10與n型半一、異質(zhì)PN結(jié)的高注入比特性將Jn和Jp中的少子濃度分別用n區(qū)和p區(qū)的多子濃度n20和p10代入，得：在上兩式中，若n20和p10在同一數(shù)量級(jí)，那么前面的系數(shù)也在相同的數(shù)量級(jí)，消去相同的因式后，它們所不同的是：對(duì)于異質(zhì)結(jié)，△EC和△EV都是正值，故有Jn>>Jp，說明異質(zhì)結(jié)的電流主要有電子電流構(gòu)成。一、異質(zhì)PN結(jié)的高注入比特性將Jn和Jp中的少子濃度分別用n一、異質(zhì)PN結(jié)的高注入比特性在P區(qū)和N區(qū)雜質(zhì)完全電離的情況下，有n20=ND2，P10=NA1

所以有：Dn1、Dp2分別為兩種半導(dǎo)體材料中載流子的擴(kuò)散系數(shù)Lp2、Ln1分別為載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度式中Dn1與Dp2，Lp2與Ln1相差不大，且都在同一數(shù)量級(jí)然而式中的則遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1的。一、異質(zhì)PN結(jié)的高注入比特性在P區(qū)和N區(qū)雜質(zhì)完全電離的情況下一、異質(zhì)PN結(jié)的高注入比特性1、對(duì)于同質(zhì)結(jié)

所以：同樣，Dn與Dp，Lp與Ln相差不大，也都在同一數(shù)量級(jí)，因此，決定同質(zhì)結(jié)注入比的是摻雜濃度，要獲得高注入比，就要求PN結(jié)的一邊應(yīng)高摻雜，所以晶體管的發(fā)射區(qū)都是高摻雜的。由于一、異質(zhì)PN結(jié)的高注入比特性1、對(duì)于同質(zhì)結(jié)所以：同樣，Dn一、異質(zhì)PN結(jié)的高注入比特性2、對(duì)于異質(zhì)結(jié)

上式中的△E

是指數(shù)項(xiàng)，是決定注入比的關(guān)鍵，即使ND2<NA1，仍可獲得很大的注入比。

異質(zhì)PN結(jié)的高注入特性是區(qū)別同質(zhì)PN結(jié)的主要特點(diǎn)之一。這一特性已得到了實(shí)際應(yīng)用。

例如：在P-GaAs-n-AlGaAs異質(zhì)結(jié)中，可獲得約為7.4×105的注入比。一、異質(zhì)PN結(jié)的高注入比特性2、對(duì)于異質(zhì)結(jié)上式中的△E是二、異質(zhì)PN結(jié)的超注入現(xiàn)象

異質(zhì)結(jié)的超注入現(xiàn)象是指：在異質(zhì)PN結(jié)中，由寬禁帶半導(dǎo)體注入到窄禁帶半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子濃度可超過寬禁帶半導(dǎo)體中多數(shù)載流子的濃度。以pnGaAs-AlxGa1-xAs為例來討論:

無外加電壓二、異質(zhì)PN結(jié)的超注入現(xiàn)象異質(zhì)結(jié)的超注入現(xiàn)象二、異質(zhì)PN結(jié)的超注入現(xiàn)象有外加電壓

當(dāng)施加一正向電壓時(shí)，可看到n區(qū)導(dǎo)帶底相對(duì)于P區(qū)導(dǎo)帶底隨所施加的正向電壓的增大而上升。當(dāng)電壓足夠大時(shí)，pn結(jié)勢(shì)壘可被拉平，由于導(dǎo)帶階△Ec

的存在，n區(qū)導(dǎo)帶底甚至高于P區(qū)導(dǎo)帶底。二、異質(zhì)PN結(jié)的超注入現(xiàn)象有外加電壓當(dāng)施加一二、異質(zhì)PN結(jié)的超注入現(xiàn)象

此時(shí)異質(zhì)pn結(jié)處于非平衡狀態(tài)，無統(tǒng)一費(fèi)米能級(jí)，P區(qū)的電子隨著外加偏壓的增大，其準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)偏離平衡費(fèi)米能級(jí)，而且變化幅度非常大，在異質(zhì)PN結(jié)處于正向大電流穩(wěn)態(tài)時(shí)，P區(qū)和n區(qū)兩邊電子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)達(dá)到一致。由載流子濃度的表示式知：二、異質(zhì)PN結(jié)的超注入現(xiàn)象此時(shí)異質(zhì)pn結(jié)處于二、異質(zhì)PN結(jié)的超注入現(xiàn)象NC1、NC2分別為GaAs和AlxGa1-xAS

導(dǎo)帶的有效狀態(tài)密度，可近似認(rèn)為NC1=NC2，則：由于EC2>EC1故有n1>n2室溫下，k0T的數(shù)值很小，只要EC2-EC1的數(shù)值比k0T