Transcript 界面态时的能带图

异质结
• 同质PN结的P区与N区只是掺杂材料类型不
同，其半导体主体材料是相同的，器件特
性只能由掺杂来进行设计。
• 异质PN结的P区与N区不仅掺杂不同，其半
导体的主体材料也是不同的，从而具有更
多的可变因素，从而有可能制造出性能远
优于同质PN结的光电器件。
• 1951年，提出了异质结的理论，1960年，
制造出了异质结。
半导体异质结结构及其能带图
• 半导体异质结的能带图
• 根据两种半导体单晶材料的导电类型，异
质结又分为以下两类：
– 反型异质结，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
– 同型异质结，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。
• 异质结也分为突变型异质结和缓变形异质
结。
突变反型异质结能带图
𝑊 真空能级到费米能级的能量差，电子功函数，
𝜒 真空能级到导带底的能量差，电子亲和势。
异质结的关系式
内建电势差
𝑞𝑉𝐷 = 𝑞𝑉𝐷1 + 𝑞𝑉𝐷2 = 𝐸𝐹2 − 𝐸𝐹1
导带电势差
∆𝐸𝑐 = 𝜒1 − 𝜒2
价带电势差
Δ𝐸𝑣 = 𝐸𝑔2 − 𝐸𝑔1 − (𝜒1 − 𝜒2 )
∆𝐸𝑐 + Δ𝐸𝑣 = 𝐸𝑔2 − 𝐸𝑔1
突变反型NP结
突变同型异质结的能带图
界面态时的能带图
• 异质结是在一种半导体衬底上生长具有相同的或不同的晶
格结构的另一种半导体材料而成。
• 生长层的晶格结构及晶格完整程度都与这两种半导体材料
的晶格匹配情况有关。
• 由于晶格失配是不可避
免的，两种半导体材料
的交界面处将产生了悬
挂键，引入了表面态。
• 突变异质结的交界面处
的悬挂键密度∆𝑁𝑠 为两
种半导体材料在交界面
处的键密度之差，即
∆𝑁𝑠 = 𝑁𝑠1 − 𝑁𝑠2
悬挂键面密度
• 以金刚石结构的两块半导
体为例，计算晶格失配所
形成的悬挂键密度。
• 对于晶格常数分别为𝑎1 , 𝑎2
的两块半导体形成的异质
结，以（111）晶面为交界
面的时悬挂键密度为
∆𝑁𝑠 =
4 (𝑎2 2 −𝑎1 2 )
[ 2 2 ]
3 𝑎1 𝑎2
悬挂键对能带的影响
• 根据表面能级理论计
算求得，当金刚石结
构的晶体表面能级密
度在1013cm-2以上时，
在表面处的费米能级
位于禁带宽度的1/3
处。
热膨胀系数与晶格失配
• 当两种半导体的晶格常数极为接近时，晶格间匹配较好，
一般可以不考虑界面态的影响。
• 在实际中，即使两种半导体材料的晶格常数在室温时相同，
但考虑它们的热膨胀系数不同，在高温下，也将发生晶格
适配从而产生悬挂键。