半導(dǎo)體器件物理第二章

1、 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-311Principle of Semiconductor Devices第二章第二章 p-np-n結(jié)結(jié)2.1 pn結(jié)基本原理2.2 耗盡區(qū)和耗盡層電容2.3 pn結(jié)的直流特性2.4 pn結(jié)的瞬態(tài)特性2.5 pn結(jié)的擊穿特性2.6 異質(zhì)結(jié)與高低結(jié)2.7 幾種典型二極管的應(yīng)用 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-312Principle of Semiconductor Devices PN結(jié)簡(jiǎn)介 熱平衡下的pn結(jié) 耗盡近似條件2.1 pn結(jié)的基本原理 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-313Principle of Semi

2、conductor DevicesPN結(jié)簡(jiǎn)介 pn結(jié)作為整流、開關(guān)及其他用途的器件，同時(shí)也是半導(dǎo)體微波器件及光電器件的基本結(jié)構(gòu)，也是雙極型晶體管、可控硅整流器和場(chǎng)效應(yīng)晶體管的基本組成部分。 pn結(jié)最重要的性質(zhì)是整流效應(yīng)，即只允許電流一個(gè)方向通過(guò)。 典型的伏安特性：加正向偏置電壓時(shí)，電流隨偏壓的增加而迅速增大，通常正向偏壓Vbi時(shí)，nRjVCVCj21BSNq2VCj31 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3152Principle of Semiconductor Devices2.3 pn結(jié)的直流特性 在正偏壓下，電子從N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)，空穴從P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)。兩者運(yùn)動(dòng)方向相反，但因

3、所帶電荷異號(hào)，所以形成的電流方向相同，都是從P區(qū)向N區(qū)流動(dòng)。因此，通過(guò)P-N結(jié)的總的正向電流為兩者之和。當(dāng)外壓增大時(shí)，勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)將更減弱，電子、空穴擴(kuò)散電流亦相應(yīng)增加，于是總電流增大。 在反向偏壓下，勢(shì)壘區(qū)兩側(cè)一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度范圍內(nèi)少子反擴(kuò)散形成了電流，其方向從N區(qū)流向P區(qū)。由于少子濃度很低，故反向電流很小，且由于少子濃度梯度是不變的，因此，反向電流不隨外壓的改變而變化，即反向電流飽和。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3153Principle of Semiconductor Devices P-N結(jié)電流的傳輸與轉(zhuǎn)換過(guò)程及電流密度分布 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5

4、-3154Principle of Semiconductor DevicesPN結(jié)的電流組成 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3155Principle of Semiconductor Devices理想伏安特性理想伏安特性 基本假設(shè)： 耗盡區(qū)有突變的邊界，邊界外的半導(dǎo)體為電中性，外加電壓全部降在勢(shì)壘區(qū)中；滿足突變耗盡近似，即勢(shì)壘區(qū)中載流子全部耗盡。 兩個(gè)邊界處的載流子濃度通過(guò)結(jié)上的靜電勢(shì)差相關(guān)聯(lián)。等同于半導(dǎo)體非簡(jiǎn)并，等同于滿足玻爾茲曼分布條件。 小注入條件。即注入的少子濃度遠(yuǎn)小于多子濃度。在外加電壓變化時(shí)，中性區(qū)邊界處的多子濃度的變化可忽略。 忽略勢(shì)壘區(qū)中載流子的產(chǎn)生和復(fù)合

5、作用，耗盡區(qū)內(nèi)既無(wú)產(chǎn)生電流，又無(wú)復(fù)合電流，通過(guò)勢(shì)壘區(qū)的電子和空穴電流為常數(shù)。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3156Principle of Semiconductor Devices基本方程組 從半導(dǎo)體的基本方程出發(fā)。描述載流子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的電流密度方程和連續(xù)性方程 xnqDnqJnnnxpqDpqJpppnpnpnxJqn1pnpnpxJqp1 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3157Principle of Semiconductor DevicesI-V Characteristic 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3158Principle o

6、f Semiconductor DevicesI-V Characteristics 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3159Principle of Semiconductor Devices肖克萊方程 求得P-N結(jié)的直流基本表達(dá)式， 即肖克萊方程： ) 1()()(kTqVSpnnpeJxJxJJnpnpnpSLnqDLpqDJ00 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3160Principle of Semiconductor DevicesI-V 特性曲線圖 正向偏置：正向偏置：1kTqVspneJJJJ反向偏置反向偏置: :sJJ)(00npnpnpSLnqD

7、LpqDJJ)exp(kTqVJJS 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3161Principle of Semiconductor Devices討論1. 具有單向?qū)щ娦?. 溫度對(duì)電流的影響 其中Dn、Ln、np0、Dp、Lp、pn0與T有關(guān)， JS隨T的升高而增大，且禁帶寬度Eg愈大，JS變化越快3.上述理想方程描述Ge的pn結(jié)在小電流密度下的伏安特性是適合的，而對(duì)Si和GaAs的pn結(jié)只能定性符合，因此需要進(jìn)行修正，包括產(chǎn)生復(fù)合產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)、大注入效應(yīng)、串聯(lián)電阻效應(yīng)和溫度效應(yīng)、大注入效應(yīng)、串聯(lián)電阻效應(yīng)和溫度效應(yīng)效應(yīng) 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3162Pr

8、inciple of Semiconductor Devices1. 反向偏置反向偏置 當(dāng)P-N結(jié)反向偏置時(shí)，由耗盡近似知，勢(shì)壘區(qū)中的載流子濃度n=p=0，此時(shí)電子和空穴的產(chǎn)生過(guò)程占支配地位，俘獲過(guò)程并不重要。 勢(shì)壘區(qū)中產(chǎn)生電流密度為勢(shì)壘區(qū)中產(chǎn)生電流密度為P-N結(jié)反向電流為反向擴(kuò)散電流與反向產(chǎn)結(jié)反向電流為反向擴(kuò)散電流與反向產(chǎn)生電流之和生電流之和 產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng) WgigWqnqGdxJ02giDippRWqnNnDqJ22 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3163Principle of Semiconductor Devices2. 正向偏置正向偏置對(duì)于對(duì)于P+-N結(jié)

9、，總的正向電流為結(jié)，總的正向電流為正向電流密度常用下列經(jīng)驗(yàn)公式表示正向電流密度常用下列經(jīng)驗(yàn)公式表示 kTqVrikTqVDpipFeWqneNnqLJ222kTqVFeJ稱為二極管的理想化因子 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3164Principle of Semiconductor Devices 在P-N結(jié)中，當(dāng)注入的少數(shù)載流子濃度達(dá)到甚至超過(guò)多數(shù)載流子濃度時(shí)，稱為大注入。大注入只在正向偏置中存在。 大注入時(shí)的邊界條件為 大注入效應(yīng)大注入效應(yīng) kTqVinnenxp2)(kTqVippenxn2)( 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3165Principle

10、of Semiconductor Devices 大注入下通過(guò)P-N結(jié)的總電流可表示為： 同理可得，對(duì)于大注入到p區(qū)的電子電流 )2exp()2()(0inpipnpnpkTqVLnDqxJJ)2exp(2kTqVLnqDJpip)2exp(2kTqVLnqDJnin 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3166Principle of Semiconductor Devices小結(jié)：大注入使擴(kuò)散系數(shù)加倍，少子擴(kuò)散系數(shù)由DP增加到2DP，此時(shí)，漂移電流和擴(kuò)散電流各占一半。大注入時(shí)電流對(duì)電壓的依賴關(guān)系由小注入的exp(qV/kT)變?yōu)閑xp(qV/2kT)，電流隨電壓增加的速度變慢。

11、大注入的電流密度與N區(qū)摻雜濃度無(wú)關(guān)，只與ni成正比。而小注入下與ni2/ND成比例。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3167Principle of Semiconductor Devices 大電流時(shí)，在串聯(lián)電阻R（包括中性區(qū)的電阻和非理想歐姆接觸的電阻）上的壓降不能忽略。 實(shí)際加在勢(shì)壘上的電壓只有VIR，因此 電流隨正向電壓增加的速度變慢 串聯(lián)電阻效應(yīng)串聯(lián)電阻效應(yīng) kTqIRkTqVSkTIRVqSeeIeII)( 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3168Principle of Semiconductor Devices 工作溫度對(duì)器件的性能影響很多，無(wú)論是

12、正偏還是反偏，擴(kuò)散電流和復(fù)合產(chǎn)生電流的大小都強(qiáng)烈依賴于溫度。1. 反向偏置時(shí)反向偏置時(shí)： 在室溫附近，對(duì)Si的pn結(jié)，溫度每增加1K，IS相應(yīng)增加15，即溫度每增加6，反向電流增加1倍。 2.正向偏置時(shí)：正向偏置時(shí)： 對(duì)Si的pn結(jié)，V0.6V，室溫附近，溫度每增加10，電流增加1倍，電壓變化率約為2mV/。 溫度效應(yīng)溫度效應(yīng) 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3169Principle of Semiconductor Devices2.4 pn結(jié)的瞬態(tài)特性 正向偏置時(shí)，電子從n區(qū)注入到p區(qū)，空穴從p區(qū)注入到n區(qū)，少子一旦注入，便和多子復(fù)合，最終形成非平衡載流子濃度隨距離呈指數(shù)衰

13、減的穩(wěn)定分布，這些非平衡載流子導(dǎo)致pn結(jié)內(nèi)的電荷積累，即等量的過(guò)剩電子電荷和過(guò)?？昭姾傻拇尜A。 當(dāng)結(jié)上外加偏壓突然反向時(shí)，這些存貯電荷不能立即去除，需要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，pn結(jié)才能達(dá)到反偏狀態(tài)，這個(gè)時(shí)間稱為反向恢復(fù)時(shí)間。 存貯電荷和電流等隨時(shí)間的變化說(shuō)明pn結(jié)的反向瞬態(tài)特性。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3170Principle of Semiconductor Devices少數(shù)載流子的存貯 少子存貯的電荷依賴于擴(kuò)散長(zhǎng)度和耗盡區(qū)邊界上的電荷密度。 用注入電流來(lái)表示存貯電荷： 即存貯電荷是注入電流和少子壽命的乘積。 結(jié)論：注入的電流越大，進(jìn)入中性區(qū)的少子結(jié)論：注入的電流越大，

14、進(jìn)入中性區(qū)的少子越多；少子壽命越長(zhǎng)，注入的少子在復(fù)合之越多；少子壽命越長(zhǎng)，注入的少子在復(fù)合之前擴(kuò)散進(jìn)中性區(qū)越遠(yuǎn)，積累的少子也越多。前擴(kuò)散進(jìn)中性區(qū)越遠(yuǎn)，積累的少子也越多。 ) 1(0kTqVnppFFepLqADIpppDLFpFpppIIDLQ2 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3171Principle of Semiconductor DevicesP-N結(jié)擴(kuò)散電容 擴(kuò)散區(qū)內(nèi)存貯電荷量隨電壓而改變的現(xiàn)象稱之為擴(kuò)散電容。 當(dāng)pn結(jié)正偏時(shí)，中性區(qū)存貯電荷的再分布對(duì)結(jié)電容有一項(xiàng)附加的重要貢獻(xiàn)即為擴(kuò)散電容Cd ： PN結(jié)擴(kuò)散電容考慮少子存貯對(duì)Cd的貢獻(xiàn)：dVdQACpdkTqVpnn

15、pdenqLpqLkTAqC0)22(00 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3172Principle of Semiconductor Devices瞬態(tài)特性和反向恢復(fù)時(shí)間 PN結(jié)的反向瞬變過(guò)程可以分為電流恒定和電流衰減兩個(gè)階段，相應(yīng)的瞬變時(shí)間分別以tS和tf表示。tS稱為存儲(chǔ)時(shí)間，tf稱為下降時(shí)間，定義為從IR衰減到0.1IR所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。 tofftStf即為反向恢復(fù)時(shí)間，比偏壓從反向突變?yōu)檎虻乃沧儠r(shí)間長(zhǎng)的多。 采用電荷控制模型，對(duì)長(zhǎng)pn結(jié)近似計(jì)算瞬變時(shí)間。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3173Principle of Semiconductor Dev

16、ices電荷控制模型 反偏剛開始時(shí)，0tLp）的pn結(jié): 反向恢復(fù)時(shí)間可近似為： 對(duì)WnLp時(shí)，可近似為： 對(duì)于高速開關(guān)器件，必須減小少子壽命。因此通常引進(jìn)能級(jí)靠近禁帶中央的復(fù)合中心，如硅中摻金，可以大大降低少子壽命。 )(2RFpfSIItt)(22RFpnfSIIDWtt 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3175Principle of Semiconductor Devices2.5 pn結(jié)的擊穿特性 引起P-N結(jié)擊穿的主要機(jī)構(gòu)有三種： 熱不穩(wěn)定性，隧道效應(yīng)和雪崩倍增 熱擊穿 發(fā)生熱擊穿的P-N結(jié)，若未采取保護(hù)措施，會(huì)燒毀P-N結(jié)。 隧道擊穿 利用P-N結(jié)擊穿現(xiàn)象來(lái)穩(wěn)定電路

17、中的電壓，作為穩(wěn)壓管使用，在該電路中有保護(hù)電阻以防止P-N結(jié)電流的無(wú)限增大。 雪崩倍增效應(yīng)（Avalanche Multiplication） 碰撞電離引起的雪崩倍增使大多數(shù)半導(dǎo)體器件的工作電壓受到限制，同時(shí)可以用在產(chǎn)生微波功率和探測(cè)光信號(hào)等場(chǎng)合。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3176Principle of Semiconductor Devices1、熱不穩(wěn)定性、熱不穩(wěn)定性 由于在高反向電壓作用下的反向電流引起熱耗散，使結(jié)溫升高。結(jié)溫升高又反過(guò)來(lái)使反向電流增加，因?yàn)榉聪螂娏鲝?qiáng)烈地依賴溫度： IR T3 e-Eg0/kT 反向電流熱耗散結(jié)溫升高反向電流增加對(duì)禁帶寬度較小，反

18、向電流較大的P-N結(jié)（如鍺），室溫下的熱不穩(wěn)定性是重要的。對(duì)于一般P-N結(jié)不那么重要。特別是在低溫下，熱不穩(wěn)定性就變得更不重要了。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3177Principle of Semiconductor Devices2、隧道擊穿、隧道擊穿 當(dāng)P-N結(jié)兩區(qū)摻雜都很高時(shí)，勢(shì)壘區(qū)變得很窄且電場(chǎng)很強(qiáng)。若反偏壓增加到某一值，能帶彎曲度的增大，將使載流子從勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)中獲得的附加靜電勢(shì)能達(dá)到甚至超過(guò)導(dǎo)帶底電子的能量。此時(shí)，根據(jù)量子力學(xué)理論，電子有一定幾率穿過(guò)禁帶而進(jìn)入導(dǎo)帶，這就叫隧道效應(yīng)。電壓越大，勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)就越強(qiáng)，隧穿幾率就越大。這就使反向電流猛增，于是發(fā)生了隧道擊穿

19、。理論計(jì)算表明，隧道擊穿只發(fā)生在重?fù)诫s的P-N結(jié)中，典型的勢(shì)壘厚度為100的量級(jí)，電場(chǎng)強(qiáng)度大于106V/cm。隧道擊穿的擊穿電壓主要決定于勢(shì)壘區(qū)厚度 d，而d又正比于Eg。而多數(shù)半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg隨溫度增加而減小，亦即隨著溫度升高，擊穿電壓降低，擊穿電壓的溫度系數(shù)是負(fù)的。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3178Principle of Semiconductor Devices3、雪崩擊穿、雪崩擊穿 雪崩擊穿是最重要的P-N結(jié)擊穿機(jī)構(gòu)。它決定了大多數(shù)器件所加反向電壓的上限。 雪崩擊穿條件雪崩擊穿條件雪崩擊穿電壓雪崩擊穿電壓提高雪崩擊穿電壓的途徑：提高雪崩擊穿電壓的途徑： 電場(chǎng)

20、限制環(huán)、擴(kuò)散環(huán)、臺(tái)面結(jié)構(gòu)等 10WdxWVmBB21 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3179Principle of Semiconductor Devices 雪崩擊穿電壓比隧道擊穿電壓高得多。 研究表明：VB6（Eg/q）時(shí)主要是雪崩擊穿，擊穿電壓在46（Eg/q）之間，則是兩種機(jī)構(gòu)的混合。 對(duì)硅來(lái)說(shuō)，Eg=1.12eV，若VB 6.7V為雪崩擊穿； 對(duì)鍺，Eg=0.66eV，VB4.0V的為雪崩擊穿。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3180Principle of Semiconductor Devices（a）隧道擊穿 （b）雪崩擊穿 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物

21、理系微電子專業(yè)2022-5-3181Principle of Semiconductor Devices隧道擊穿與雪崩擊穿的比較 齊納擊穿雪崩擊穿單邊突變結(jié)N（cm-3）線性緩變結(jié)a(cm-4)擊穿電壓VB（V）單邊突變結(jié)N(cm-3)線性緩變結(jié)a(cm-4)擊穿電壓VB(V)Si61017510234.5310176.7Ge11018210232.7110174.0溫度系數(shù)負(fù)溫度系數(shù)正溫度系數(shù) 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3182Principle of Semiconductor DevicesSi，GaAs單邊突變結(jié)擊穿臨界電場(chǎng)和襯底摻雜濃度的關(guān)系結(jié)擊穿 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大

22、學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3183Principle of Semiconductor Devices結(jié)擊穿 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3184Principle of Semiconductor Devicesp+- -n+ 或 p+- -n+結(jié)擊穿電壓與低摻雜濃度區(qū)厚度的關(guān)系: p型輕摻雜: n型輕摻雜結(jié)擊穿 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3185Principle of Semiconductor Devices結(jié)擊穿（b）通過(guò)矩形掩膜擴(kuò)散形成柱面區(qū)和球面區(qū)（a）擴(kuò)散掩膜的邊緣結(jié)形成彎曲 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3186Pr

23、inciple of Semiconductor Devices2.6 異質(zhì)結(jié)與高低結(jié)1. 高低結(jié)高低結(jié)發(fā)生在同一材料兩個(gè)具有相同導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體接觸之間的結(jié)，由于結(jié)中一側(cè)摻雜濃度很高，另一側(cè)摻雜較低，所以稱為高低結(jié)，NN或PP。 高低結(jié)對(duì)任何方向的電流都不呈高阻，基本上也沒(méi)有少子注入效應(yīng)，具有歐姆接觸的性質(zhì)，對(duì)不希望有注入效應(yīng)的情況非常有用，實(shí)際很多器件利用這種結(jié)完成歐姆接觸。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3187Principle of Semiconductor Devices以以NN為例分析：為例分析： 處于平衡狀態(tài)時(shí)，界面處要形成勢(shì)壘，但 NN結(jié)與pn結(jié)不同的地方在

24、于勢(shì)壘高度qVD比較低，主要取決于輕摻雜N區(qū)的費(fèi)米能級(jí)位置。因?yàn)镹N結(jié)勢(shì)壘較低且不處于耗盡狀態(tài)，所以結(jié)處沒(méi)有高阻區(qū)。外加電壓不像pn結(jié)那樣主要發(fā)生在勢(shì)壘區(qū)，而是主要降落在N區(qū)。正偏時(shí)，N區(qū)中電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，N區(qū)中空穴向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，由于N區(qū)電子濃度很高，N區(qū)的空穴濃度很低，因此正向電流主要是電子電流。反偏時(shí)，N區(qū)中空穴向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，N區(qū)中電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，由于N區(qū)空穴濃度很低，N區(qū)的電子濃度較高，因此反向電流主要是電子電流。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3188Principle of Semiconductor Devices2. 異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié) 兩種不同質(zhì)的材料構(gòu)成的接觸稱為異質(zhì)結(jié)

25、。 制作方法：氣相外延，液相外延，真空蒸發(fā)法，陰極濺射，分子束外延等 按組分轉(zhuǎn)變情況分突變異質(zhì)結(jié)和緩變異質(zhì)結(jié)。 按構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的材料分為同型異質(zhì)結(jié)和異型異質(zhì)結(jié)。 二十世紀(jì)五十年代開始提出異質(zhì)結(jié)的設(shè)想，目前已經(jīng)制成高效率的異質(zhì)結(jié)光電池和發(fā)光管，雙異質(zhì)結(jié)的半導(dǎo)體激光器，超晶格結(jié)構(gòu)等。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3189Principle of Semiconductor Devices禁帶寬度不同的兩種單晶材料一起構(gòu)成的晶體界面成為異質(zhì)結(jié)， 例如 GaAs/ AlxGa1-xAs, InP/ InxGa1-xAs1-yPy異質(zhì)結(jié)。若異質(zhì)結(jié)兩邊材料的導(dǎo)電類型相同，則成為同型異質(zhì)結(jié)，

26、如 n- GaAs/ N- AlxGa1-xAs, p-GaAs/p- AlxGa1-xAs。若兩種材料的導(dǎo)電類型不同，則為異型異質(zhì)結(jié)，如n- GaAs/ P- AlxGa1-xAs。在這些表達(dá)中，我們通常以小寫的 n，p表示窄帶隙材料，以大寫的N，P表示寬帶隙材料。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3190Principle of Semiconductor Devices半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)與構(gòu)成異質(zhì)結(jié)材料的禁帶寬度、禁帶失調(diào)有關(guān)。設(shè)構(gòu)成異質(zhì)結(jié)材料的禁帶寬度分別為Eg1Eg2。禁帶的失調(diào)可能有三種情形：1）Eg2包含在Eg1之間，如Ga

27、1-xAlxAs與GaAs ；2）Eg1與Eg2禁帶相互錯(cuò)開，如Ga1-xInxAs（下）和GaAs1-xSbx（上）；3）二者沒(méi)有共能量，如InAs（下）與GaSb（上） 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3191Principle of Semiconductor Devices 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3192Principle of Semiconductor Devices 為了解釋為了解釋NP GeGaAs異質(zhì)結(jié)的實(shí)驗(yàn)異質(zhì)結(jié)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，現(xiàn)象，Anderson在在1962年提出一個(gè)異質(zhì)年提出一個(gè)異質(zhì)結(jié)的理論模型。結(jié)的理論模型。 安德森模型假定兩種材料

28、具有完全相同安德森模型假定兩種材料具有完全相同的晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)，的晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)，這樣可以把由這些差別而產(chǎn)生的懸鍵和這樣可以把由這些差別而產(chǎn)生的懸鍵和界面態(tài)的影響忽略不計(jì)，凡晶格失配小界面態(tài)的影響忽略不計(jì)，凡晶格失配小于于1的異質(zhì)結(jié)都成立。的異質(zhì)結(jié)都成立。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3193Principle of Semiconductor Devices晶格失配21212aaaaaa 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3194Principle of Semiconductor Devices2/1221121212/1221

29、1221122/12211121212211)(2)()(2)()(2VVNNNqNCNNqNVVNxNNqNVVNxEEbiADADADAbiDADDbiA212211212122112)()(2ADADDADmNNNqNNNVxxx 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3195Principle of Semiconductor Devices異質(zhì)結(jié)的輸運(yùn)電流異質(zhì)結(jié)的輸運(yùn)電流異質(zhì)結(jié)的輸運(yùn)電流異質(zhì)結(jié)的輸運(yùn)電流kTqVkTVqAJkTqVVVJJbibibiexp1exp1*00122kTqVkTqVkTqVeeeAID 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3196Prin

30、ciple of Semiconductor Devices 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3197Principle of Semiconductor Devices 異質(zhì)結(jié)的較為重要的電流模型分為五種：異質(zhì)結(jié)的較為重要的電流模型分為五種：安德森模型 即熱發(fā)射電流模型。簡(jiǎn)單隧道模型 Rediker于1964年提出，在考慮熱發(fā)射電流機(jī)構(gòu)的同時(shí)，計(jì)入了尖峰勢(shì)壘的隧道效應(yīng)隧道電流模型 伴隨有界面復(fù)合作用在內(nèi)的隧道復(fù)合過(guò)程。界面態(tài)復(fù)合模型 Van Ruyven 1965年提出，考慮兩種材料在界面態(tài)進(jìn)行復(fù)合。復(fù)合隧道模型 隧道電流和熱發(fā)射電流，且二者在界面態(tài)上匯合的復(fù)合隧道模型。 實(shí)際

31、上，異質(zhì)結(jié)往往同時(shí)存在多種電流機(jī)構(gòu)，哪種機(jī)構(gòu)為主將取決于界面上的能帶不連續(xù)性和界面態(tài)參數(shù)情況。 主要用途：高效率的光電池、發(fā)光管和激光器等。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-3198Principle of Semiconductor Devices異質(zhì)結(jié)的應(yīng)用 異質(zhì)結(jié)的主要應(yīng)用之一是形成量子阱。它由兩個(gè)異質(zhì)結(jié)背對(duì)背相接形成的。 異質(zhì)結(jié)的主要應(yīng)用之二是形成超晶格。它由異質(zhì)結(jié)交替周期生長(zhǎng)形成。超晶格是Esaki和Tsu在1969年提出的。 Esaki等提出的超晶格有兩類：1）同質(zhì)調(diào)制摻雜；2）異質(zhì)材料交替生長(zhǎng)。 超晶格或多量子阱間的共振隧穿效應(yīng) 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)20

32、22-5-3199Principle of Semiconductor Devices 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-31100Principle of Semiconductor Devices 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-31101Principle of Semiconductor DevicesPIN二極管電場(chǎng)分布：sidiqNdxd22nxxd022dxdidx 0siaiqNdxd220 xxp 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-31102Principle of Semiconductor DevicesPIN二極管電場(chǎng)和電勢(shì)表達(dá)式：

33、對(duì)于同樣的工作電壓, p-i-n二極管可以減小耗盡區(qū)的最大電場(chǎng)強(qiáng)度。sindsipamdxqNxqN2dWdmm 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-31103Principle of Semiconductor Devices 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-31104Principle of Semiconductor Devices 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-31105Principle of Semiconductor Devices 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-31106Principle of Semiconductor

34、 Devices圖6-29 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-31107Principle of Semiconductor Devices 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-31108Principle of Semiconductor Devices 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-31109Principle of Semiconductor Devices 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-31110Principle of Semiconductor Devices 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-31111Princi

35、ple of Semiconductor Devices 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-31112Principle of Semiconductor Devices 由于人眼只對(duì)光子能 量 h 等 于 或 大 于1.8eV(0.7m)的光線感光，因此所選擇的半導(dǎo)體，其禁帶寬度必須大于此極限值。右圖標(biāo)示了幾種半導(dǎo)體的禁帶寬度值。人眼的相對(duì)靈敏度FWHMm555. 0m紅外紅綠紫紫外橙黃藍(lán)SiGaAsCdSeGaPCdSSiCGaN ZnSyy- 1PGaAs人眼的相對(duì)靈敏度FWHMm555. 0m紅外紅綠紫紫外橙黃藍(lán)SiGaAsCdSeGaPCdSSiCGaN ZnSyy- 1

36、PGaAs2 . 16 . 10 . 24 . 28 . 22 . 36 . 30 . 18 . 07 . 06 . 05 . 045. 04 . 035. 0m/eV/gE2 . 16 . 10 . 24 . 28 . 22 . 36 . 30 . 18 . 07 . 06 . 05 . 045. 04 . 035. 0m/eV/gE圖 8.6 常作為可見光 LED 的半導(dǎo)體. 途中還表示了人眼的相對(duì)靈敏度 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-5-31113Principle of Semiconductor Devices圖(b)則是以磷化鎵為襯底制造的發(fā)橙、黃或 綠 光 的 間 接 帶 隙LED,用外延方法生長(zhǎng)的緩變型GaAs1-yPy合金層用來(lái)使界面間因晶格不匹配所導(dǎo)致的非輻射性中心減至最小。 平面二極管架構(gòu)的可見光LED的基本結(jié)構(gòu)圖。其中圖(a)的截面圖是以砷化鎵為襯底制造的發(fā)紅光的直接禁帶LED。AGaAsPGaAspnB) 4 . 00(PGaAsyy- 1y緩 變 合 金發(fā) 射 光 子C)(a吸 收 光 子AGaAsPGaAspnB) 4 . 00(PGaAsyy- 1y緩 變 合 金發(fā) 射 光 子C)(a吸 收 光 子發(fā) 射 光 子緩 變 合 金yy- 1PGaAsGaPyy- 1PGaAspn反 射 接 觸2SiO)(b發(fā)