半導體異質(zhì)結(jié)課件

ZnO摻雜能帶示意圖1ppt課件ZnO摻雜能帶示意圖1ppt課件第3章半導體異質(zhì)結(jié)pn結(jié)的兩邊是采用同一種材料，稱為同質(zhì)結(jié)由兩種不同的半導體單晶材料組成的結(jié)，則稱為異質(zhì)結(jié)

N和P表示寬帶半導體，n和p表示窄帶半導體p型GaAs與P型AlGaAs，同型異質(zhì)結(jié)p型GaAs與N型AlGaAs，異型異質(zhì)結(jié)

2ppt課件第3章半導體異質(zhì)結(jié)pn結(jié)的兩邊是采用同一種材料，稱為同質(zhì)3.1異質(zhì)結(jié)及其能帶圖一些Ⅲ-Ⅴ族化合物及幾種Ⅱ-Ⅵ族化合物的禁帶寬度和晶格常數(shù)

3ppt課件3.1異質(zhì)結(jié)及其能帶圖一些Ⅲ-Ⅴ族化合物及幾種Ⅱ-Ⅵ族化異質(zhì)結(jié)的形成

三元合金的禁帶寬度和晶格常數(shù)用三元或四元化合物半導體來制作出晶格匹配非常完美的異質(zhì)結(jié)。晶格失配定義a1和a2分別是兩種材料的晶格常數(shù)（a2>a1），a為平均值晶格匹配越好，界面態(tài)密度越低

4ppt課件異質(zhì)結(jié)的形成三元合金的禁帶寬度和晶格常數(shù)用三元或四元化合物異質(zhì)結(jié)的形成條件

滿足禁帶寬度的要求，選擇晶格失配小的材料

晶格失配形成位錯缺陷

單位面積的懸掛鍵數(shù)目為5ppt課件異質(zhì)結(jié)的形成條件

滿足禁帶寬度的要求，選擇晶格失配小的材料異質(zhì)結(jié)的能帶圖

（a）異質(zhì)結(jié)形成之前平衡能帶圖（b）形成之后的平衡能帶圖特點：在界面處就會出現(xiàn)能帶的彎曲，發(fā)生導帶及價帶的不連續(xù)

6ppt課件異質(zhì)結(jié)的能帶圖（a）異質(zhì)結(jié)形成之前平衡能帶圖（b）形成之后異質(zhì)結(jié)耗盡層寬度的計算假設條件：在熱平衡下，界面兩端的費米能級相同禁帶寬度Eg和電子親和能皆非雜質(zhì)濃度的函（非簡并）導帶邊緣的不連續(xù)和價帶邊緣的不連續(xù)不會受雜質(zhì)濃度影響能帶的彎曲量VD（擴散電勢）為兩種半導體功函數(shù)之差NA是p型半導體的受主濃度，ND是n型半導體的施主濃度。n與p分別是n型和p型半導體的相對介電常數(shù)。當外加偏壓時，用（VD–V）替換VD

內(nèi)建電勢的大部分降落在雜質(zhì)濃度較低的一側(cè)，其耗盡層寬度也較寬

7ppt課件異質(zhì)結(jié)耗盡層寬度的計算假設條件：在熱平衡下，界面兩端的費米能同質(zhì)結(jié)中勢壘高度VD的計算耗盡層寬度隨著結(jié)電壓的變化而變化，微分電容C=dQ/dV，（1/C2）和V呈線性關(guān)系，可以從直線在電壓軸上的截距求得勢壘高度VD8ppt課件同質(zhì)結(jié)中勢壘高度VD的計算耗盡層寬度隨著結(jié)電壓的變化而變化，考慮界面態(tài)時的能帶圖

（a）p-n異質(zhì)（b）n-p異質(zhì)結(jié)（c）p-p異質(zhì)結(jié)（d）n-n異質(zhì)結(jié)9ppt課件考慮界面態(tài)時的能帶圖（a）p-n異質(zhì)（b）n-p異質(zhì)結(jié)（漸變異質(zhì)結(jié)的能帶圖10ppt課件漸變異質(zhì)結(jié)的能帶圖10ppt課件3.2異型異質(zhì)結(jié)的電學特性半導體異質(zhì)結(jié)的電流電壓關(guān)系比同質(zhì)結(jié)復雜突變異質(zhì)結(jié)的伏安特性和注入特性

（a）負反向勢壘（b）正反向勢壘11ppt課件3.2異型異質(zhì)結(jié)的電學特性半導體異質(zhì)結(jié)的電流電壓關(guān)系比同負反向勢壘異質(zhì)結(jié)的伏安特性p型半導體中少數(shù)載流子的濃度n10n型半導體中多數(shù)載流子的濃度n20

加正向偏壓時,

p型半導體勢壘區(qū)邊界處的少子濃度

電子電流密度

Ln1為電子擴散長度，Dn1為電子擴散系數(shù)

n型半導體中少數(shù)載流子的濃度p20

加正向電壓時

12ppt課件負反向勢壘異質(zhì)結(jié)的伏安特性p型半導體中少數(shù)載流子的濃度n10空穴的電流密度

Lp2為空穴擴散長度，Dp2為空穴擴散系數(shù)

總電流

注入比:是指pn結(jié)加正向電壓時，n區(qū)向p區(qū)注入的電子流與p區(qū)向n區(qū)注入的空穴流之比

同質(zhì)結(jié)注入比

決定同質(zhì)結(jié)注入比的是摻雜濃度

13ppt課件空穴的電流密度Lp2為空穴擴散長度，Dp2為空穴擴散系數(shù)異質(zhì)結(jié)注入比：由于能帶斷續(xù)的存在，由左向右的空穴注入除了要克服勢壘之外，還要克服一個附加臺階，因而空穴流而由右向左的電子注入只需克服勢壘價帶斷續(xù)Ev大，異質(zhì)結(jié)就能產(chǎn)生較大的注入比

異質(zhì)結(jié)是漸變時

14ppt課件異質(zhì)結(jié)注入比：由于能帶斷續(xù)的存在，由左向右的空穴注入除了要而正反向勢壘異質(zhì)結(jié)的伏安特性

勢阱中的電子要往右邊輸運，需要克服高度為Ec–qVD1的勢壘右邊n型區(qū)導帶中的電子要往左邊輸運，需要克服的勢壘高度為qVD2但左邊的空穴要通過異質(zhì)結(jié)所需越過的勢壘卻很高，為qVD1+qVD2–Ev這種異質(zhì)結(jié)幾乎不存在整流特性

15ppt課件正反向勢壘異質(zhì)結(jié)的伏安特性勢阱中的電子要往右邊輸運，需要克界面態(tài)的影響如果考慮界面態(tài)，載流子將通過界面態(tài)發(fā)生復合，復合電流為Ein代表界面態(tài)的能級深度，V是外加電壓

16ppt課件界面態(tài)的影響如果考慮界面態(tài)，載流子將通過界面態(tài)發(fā)生復合，復合異質(zhì)結(jié)的超注入現(xiàn)象

超注入現(xiàn)象:指在異質(zhì)結(jié)中由寬帶半導體注入到窄帶半導體中的少數(shù)載流子濃度可以超過寬帶半導體中多數(shù)載流子濃度

加正向電壓后的p-GaAs-N-AlxGal-xAs異質(zhì)結(jié)

當異質(zhì)結(jié)上施加的正向電壓足夠大時,p區(qū)電子為少數(shù)載流子，其準費米能級隨電子濃度的上升很快,結(jié)兩邊的電子準費米能級可達一致。由于P區(qū)導帶底比N區(qū)導帶底更接近費米能級，故P區(qū)導帶的電子濃度高于N區(qū)

17ppt課件異質(zhì)結(jié)的超注入現(xiàn)象超注入現(xiàn)象:指在異質(zhì)結(jié)中由寬帶半導體注入以n1和n2分別表示P區(qū)和N區(qū)的電子濃度Ec1和Ec2分別表示p區(qū)和N區(qū)的導帶底能值

Nc1和Nc2分別表示兩種半導體導帶底有效態(tài)密度

Nc1~Nc2

由于Ec1<Ec2，故n1>n2

實現(xiàn)激光器所要求的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件

18ppt課件以n1和n2分別表示P區(qū)和N區(qū)的電子濃度Nc1和Nc2分別表3.3量子阱與二維電子氣量子阱：在量子力學中，能夠?qū)﹄娮拥倪\動產(chǎn)生某種約束并使其能量量子化的勢場

二維電子氣（2DEG）：一般是指在兩個方向上可以自由運動，而在第三個方向上的運動受到限制的電子群。圖3.11半導體量子阱示意圖19ppt課件3.3量子阱與二維電子氣量子阱：在量子力學中，能夠?qū)﹄娮訉μ幱跓o限深方勢阱中的粒子，假定勢阱的寬度為Lz，求解薛定諤方程，則波函數(shù)的解為

在z方向上滿足邊界條件的波函數(shù)（z=0及z=Lz處恒為零）的能量Ez是量子化的

為z方向的有效質(zhì)量；n為量子數(shù)，能量本征值與量子數(shù)n的平方成正比

分別為垂直于和平行于z方向的有效質(zhì)量

20ppt課件對處于無限深方勢阱中的粒子，假定勢阱的寬度為Lz，求解薛定圖3.12量子阱中電子的能量

圖3.13三角形勢阱的示意圖

MOS結(jié)構(gòu)反型層、金屬一半導體接觸，以及異質(zhì)結(jié)界面21ppt課件圖3.12量子阱中電子的能量圖3.13三角形勢阱的示意二維電子氣的態(tài)密度

態(tài)密度：單位能量間隔內(nèi)允許存在的狀態(tài)數(shù)

在三維情況下，態(tài)密度和能量呈拋物線關(guān)系，通過k空間來求能量空間的狀態(tài)密度，二維電子氣只需要把三維求解中的體積轉(zhuǎn)化為二維的面積設勢阱平面在x,y方向的長度分別為Lx和Ly，每個狀態(tài)所占的面積為k空間的等能曲線是一個圓，對于圓環(huán)狀面積對應的狀態(tài)數(shù)等于

單位實空間中對應的狀態(tài)數(shù)為

22ppt課件二維電子氣的態(tài)密度態(tài)密度：單位能量間隔內(nèi)允許存在的狀態(tài)數(shù)倒空間中的面積元

2DEG中電子的狀態(tài)密度與能量的關(guān)系

23ppt課件倒空間中的面積元2DEG中電子的狀態(tài)密度與能量的關(guān)系233.4多量子阱與超晶格（a）（b）（c）半導體量子阱多量子阱超晶格A層厚度dA遠小于B層厚度dB,,勢壘層的厚度dB必須足夠大，以保證一個勢阱中的電子不能穿透勢壘層進入另一個勢阱超晶格中電子的運動就不僅要受材料晶格周期勢的影響，同時受到一個沿薄層生長方向z展開的人工附加周期勢場的影響,周期24ppt課件3.4多量子阱與超晶格（a）多量子阱和超晶格中電子的波函數(shù)由于兩種構(gòu)成材料的禁帶寬度不同，當窄禁帶材料的厚度小于電子的德布羅意波長時，這種材料即成為載流子的勢阱

25ppt課件多量子阱和超晶格中電子的波函數(shù)由于兩種構(gòu)成材料的禁帶寬度不同量子阱效應

一、量子約束效應:量子阱中電子的能級間距與阱寬的平方成反比,對于由夾在寬禁帶材料之間的窄禁帶材料薄層構(gòu)成的量子阱，當薄層狹窄到足以使電子狀態(tài)量子化二、共振隧穿效應:當入射電子的能量與中間量子阱中的分立能級一致時，其隧穿概率可接近于1，而能量不一致時，其隧穿概率則幾乎為零三、聲子約束效應:在量子阱或超晶格中，聲子態(tài)也有類似于電子態(tài)的量子約束效應四、微帶效應:超晶格中各量子阱之問的勢壘較薄，各量子阱中的束縛能級互相耦合，形成微帶

26ppt課件量子阱效應一、量子約束效應:量子阱中電子的能級間距與阱寬的藍光InGaN/GaN多層量子阱LED結(jié)構(gòu)5-periodIn0.3Ga0.7N/GaNSLs(2.5nm/4.0nm)GaNbufferlayer:30nmTransparentelectrodePelectrodeNelectrodeN-typeGaN:Si3-4μmSubstrateSapphireorSiP-typeAl0.1Ga0.9N:Mg100nm3-4μmP-typeGaN:Mg0.5μmActiveLayer27ppt課件藍光InGaN/GaN多層量子阱LED結(jié)構(gòu)5-perioZnMgO/ZnO多層量子阱LED結(jié)構(gòu)28ppt課件ZnMgO/ZnO多層量子阱LED結(jié)構(gòu)28ppt課件周期性波長u=［（L1-L2)λ／［2（sinθ1一sinθ