1、半导体物理学,陈延湖,9 异质结,异质结定义：由两种不同的半导体单晶材料形成的结称为异质结(heterojunction)。 由于形成异质结的两种半导体单晶材料的禁带宽度、介电常数、折射率、吸收系数等物理参数不同，异质结(heterojuction)表现出不同于同质结（homojunction）的性质。,异质结器件的发展： 1948年肖克莱提出HBT概念和获得专利；1960年制造成功第一个异质结；1969年实现异质结半导体激光器； 1972年IBM实现HBT器件；1980实现HEMT器件,异质结制作技术：外延技术液相、气相、分子束等。,分子束外延生长,9.1 异质结及其能带图 9.2 异质结的
2、电流输运机构 9.3 异质结在器件中的应用,主要内容：,9.1 异质结及其能带图,异质结的分类 反型异质结：指由导电类型相反的两种不同的半导体单晶材料所形成的异质结。如p型Ge与n型GaAs所形成的结，记为p-nGe-GaAs；若异质结由n型Ge与p型GaAs所形成，记为n-pGe-GaAs。 同型异质结：指由导电类型相同的两种不同的半导体单晶材料所形成的异质结。如n型Ge与n型GaAs形成n-nGe-GaAs。 异质结也可以分为突变型异质结和缓变型异质结两种,1异质结能带图,在研究异质结特性时，异质结的能带图起着重要作用，异质结的能带图取决于形成异质结的两种半导体的电子亲和势、禁带宽度、及功
3、函数、界面态等,（1） 不考虑界面态时的能带图 不考虑界面态时的突变反型异质结能带图,形成突变pN异质结前的能带图，费米能级分别为EF1、EF2,形成突变pN异质结后的热平衡能带图,VD为接触电势差或内建电势差,VD1和VD2分别为交界面两侧半导体的内建电势差。,突变pN异质结后的热平衡能带图特点1,能带在交界面处不连续，有一个突变。,导带底处:,价带顶处:,突变pN异质结后的热平衡能带图特点2,能带在交界面处出现”尖峰”和”凹口”。因而可能会出现电子或空穴的堆积。,突变pN异质结能带图举例：例如p-nGe-GaAs异质结的平衡能带图 对于p-n-Ge-GaAs异质结来说：,不考虑界面态时的突
4、变同型异质结能带图,对于同型异质结，半导体一边形成载流子的积累层，另一边成了耗尽层。对于反型异质结，两种半导体交界面两边都成为耗尽层。,（2） 考虑界面态时异质结的能带图,引入界面态的主要原因是，形成异质结的两种半导体材料的晶格失配。晶格失配导致了悬挂键的出现，引入了界面态。,当考虑界面态的影响时，异质结的能带图需要修正。（类同金半接触的表面态的影响）,对于晶格常数分别为a1、a2的两块半导体形成的异质结，以某晶面为交界面时，金刚石结构半导体悬挂键密度为：,（111）面,（110）面,（100）面,悬挂键密度与晶格常数关系:,应用上述公式，计算的GE-GaAs及Ge-Si异质结的悬挂键密度：,
5、意义：指导材料的生长,界面态对异质结能带的影响：,能带钉扎,d、e、f为存在受主表面态,a、b、c为存在施主表面态,Pseudomorphic：假晶应变结构,Metamorphic：弛豫结构,常见异质结结构：三种异质结材料体系,2 突变反型异质结的接触电势差及势垒区宽度(pN结为例),VD为接触电势差或内建电势差,由异质结交界面两边的势垒区（耗尽区）的泊松方程可以推导出在热平衡状态下异质结接触电势差及势垒区宽度表达式：,V(x)为势垒区电势分布,在热平衡下势垒区的接触电势差及势垒宽度可表达为：,求解泊松方程可得系列公式:,势垒电容,掺杂浓度越大，势垒宽度越窄，势垒电容越大,VD为内建电势，V为
6、偏置电压，正偏为正值，负偏为负值,C-V特性应用：,1/(CT)2与V呈线性关系，将该直线外推到1/(CT)2=0，可得到接触电势差VD。由直线的斜率可推算半导体材料的掺杂浓度。,9.2 异质结的电流输运机构,半导体异质结由于特殊的能带结构（能带不连续，存在势垒尖峰和势阱)及晶格不匹配而引人界面态等因素，异质结的电流电压关系较同质结复杂的多。存在多个电流电压模型 扩散模型（第六章） 发射模型（第七章） 发射复合模型 隧道模型 隧道复合模型等,同质结与异质结电流电压成分对比：,（1）同质结中电子势垒与空穴势垒相同，电子电流与空穴电流的相对数量级由相对杂质浓度决定。,（2）异质结中电子势垒与空穴势
7、垒不同，较小的势垒高度导致较大的载流子电流，实际电流可由势垒高度小的载流子电流决定。,扩散模型举例：扩散模型适用于负反向势垒（低势垒尖峰）能带结构,负反向势垒（低势垒尖峰）的异质结能带图：宽禁带半导体的势垒尖峰低于异质结势垒区外的禁带宽度小的半导体的导带底。,：,空穴由P型半导体的价带到N型半导体的价带所遇势垒高度：,电子由N型半导体的导带到P型半导体的导带所遇势垒高度：,负反向势垒PN异质结扩散电流表达式：,电子扩散流：,空穴扩散流：,所以：,异质结应用,高频高速大功率集成电路器件(IC)： 双极器件：异质结双极结型晶体管（heterojunction-bipolar-transistor）-设计射频及微波集成电路的核心器件之一。 场效应器件：调制掺杂场效应晶体管或高电子迁移率晶体管（high electronic mobility transistor） 光电子器件(OEIC)： 半导体激光器 电致发光二极管 光电探测器 太阳能电池,
