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半导体物理教案－29

半导体物理教案－29

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第9章半导体异质构造

第6章争论的是由同一种半导体材料构成的p-n结，结两侧禁带宽度一样，通常称之为同质结。本章介绍异质结，即两种不同半导体单晶材料的结合。虽然早在1951年就已经提出了异质结的概念，并进展了确定的理论分析工作，但是由于工艺水平的限制，始终没有实际制成。直到气相外延生长技术开发成功，异质结才在1960年得以实现。1969年发表了第一个用异质结制成激光二极管的报告之后，半导体异质结的争论和应用才日益广泛起来。

§9.1异质结及其能带图

一、半导体异质结

异质结是由两种不同的半导体单晶材料结合而成的，在结合部保持晶格的连续性，因而这两种材料至少要在结合面上具有相近的晶格构造。

依据这两种半导体单晶材料的导电类型，异质结分为以下两类：

反型异质结

反型异质结是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。例如由p型Ge与n型Si构成的结即为反型异质结，并记为pn-Ge/Si或记为p-Ge/n-Si。假设异质结由n型Ge与p型Si形成，则记为np-Ge/Si或记为n-Ge/p-Si。已经争论过很多反型异质结，如pn-Ge/Si；pn-Si/GaAs；pn-Si/ZnS；pn-GaAs/GaP；np-Ge/GaAs；np-Si/GaP等等。

同型异质结

同型异质结是指由导电类型一样的两种不同的半导体单晶材料所形成的异质结。例如。。在以上所用的符号中，一般都是把禁带宽度较小的材料名称写在前面。

二、异质结的能带构造

异质结的能带构造取决于形成异质结的两种半导体的电子亲和能、禁带宽度、导电类型、掺杂浓度和界面态等多种因素，因此不能像同质结那样直接从费米能级推断其能带构造的特征。

1、抱负异质结的能带图

界面态使异质结的能带构造有确定的不确定性，但一个良好的异质结应有较低的界面态密度，因此在争论异质结的能带图时先不考虑界面态的影响。

突变反型异质结能带图

图9-1(a)表示禁带宽度分别为E

g1

和E 的p型半导体和n型半导体在形成异质pn结前的热

g2

平衡能带图，E E。图中，δ为费米能级E 和价带顶E 的能量差；δ为费米能级E

与导带

图

图9-1 形成突变pn异质结之前和之后的平衡能带图

底E 的能量差；W、W分别

C2 1 2

是两种材料的功函数；χ1、χ2分别是两种材料的电子亲和

能。总之，用下标“1”和“2”分别表示窄禁带和宽禁带材料的物理参数。

当二者严密接触时，跟同质pn结一样，电子从n型半导体流向p型半导体，空穴从

p型半导体流向n型半导体，直至两块半导体的费米能级相等时为止。这时两块半导体有统一的费米能级，并在交界面的两边形成空间电荷区。由于不考虑界面态，空间电荷区中正、负电荷数相等。正、负空间电荷之间产生电场，称为内建电场。由于存在电场，电子在空间电荷区中各点有不同的附加电势能，即能带弯曲，其总弯曲量仍等于二者费米能级之差。这些都跟同质pn结一样，所不同的，一是由于两种半导体材料的介电常数不同．内建电场在交界面处不连续；二是因为两种材料的禁带宽度不同，能带弯曲消灭的特征。对于图9-1所示窄禁带材料的禁带包含于宽禁带材料的禁带之中的状况，禁带宽度不同使能带弯曲消灭如图9-l(b)所示的两个特征：

界面处导带在n型侧翘起一个“尖峰”，在p型侧凹下一个“凹口”。

导带和价带在界面处都有突变。导带底在界面处的突变就是两种材料电子亲和能之差：

图9-2 pn-Ge/GaAs异质结的平衡能带图?E ??

图9-2 pn-Ge/GaAs异质结的平衡能带图

C 1 2

而价带顶的突变自然就是禁带宽度之差的剩余局部，即

?E ?(E

V g1

?E )?(?

g2 1

??)

2

以上二式对全部突变异质结普遍适用。△E和△E分别称

C V

为导带阶和价带阶，是很重要的物理量，在实际中常用。图9-2为实际的p-n-Ge-GaAs异质结的能带图。表9-1

为试验测定的一种p型Ge与一种n型GaAs的有关常数值。对pn-Ge/GaAs异质结，△Ec＝0.07eV；而△Ev＝0.69eV。

图9-3为n型窄禁带材料与p型宽禁带材料构成的突变异质结的能带图，状况与上述类似，读者可自行争论。

表9-1 p型Ge与n型GaAs有关常数值

材料

Eg(eV)

?(eV)

净杂质浓度(cm-3)

?或?(eV)

1 2

晶格常数(nm)

相对介电常数

p-Ge

0.67

4.13

3?1016

0.14

0.56575