2015异质结的能带图详解.pptx

什么是什么是Anderson Anderson 定则？定则？异质结能带有几种突变形式？异质结能带有几种突变形式？尖峰的位置与掺杂浓度的关系是什么？尖峰的位置与掺杂浓度的关系是什么？同质结和异质结的电势分布有何异同？同质结和异质结的电势分布有何异同？同型异质结有哪些特点。同型异质结有哪些特点。3.13.1节节（3.1.13.1.1）能带图）能带图（3.1.23.1.2）突变反型异质结的接触电势差及势垒区宽）突变反型异质结的接触电势差及势垒区宽度度（3.1.33.1.3）突变同型异质结）突变同型异质结（3.1.43.1.4）几种异质结的能带图）几种异质结的能带图（3.1.5)3.1.5)尖峰的位置与掺杂浓度的关系尖峰的位置与掺杂浓度的关系第三章第三章 异质结的能带图异质结的能带图（3.1.13.1.1）能带图）能带图ABEcEcABEcEcEvEvEvEv能带结构能带结构异质结界面两侧的导带极小值和价带最高值随坐标的变化。异质结界面两侧的导带极小值和价带最高值随坐标的变化。什么是能带图？什么是能带图？Let x be the electron affinity,which is the energy required to take an electron from the conduction band edge to the vacuum level,电子亲和势电子亲和势：电子由导带底跃迁到真空能级所需：电子由导带底跃迁到真空能级所需的能量的能量，=E=E0 0-E-Ec cvacuumlevelEcEvlet be the work function,which is the energy difference between the vacuum level and the Fermi level.功函数：电子由费米能级至自由空间所需的能量，=E0-FEcEfEvAndersonsrulestatesthatwhenconstructinganenergybanddiagram,thevacuumlevelsofthetwosemiconductorsoneithersideoftheheterojunctionshouldbealigned不考虑界面态时的能带结构不考虑界面态时的能带结构(一）能带图一）能带图由电子亲和能、禁由电子亲和能、禁带宽度、导电类型、带宽度、导电类型、掺杂浓度决定掺杂浓度决定A A 突变反型突变反型x x1 1x x2 2D DE Ec cD DE Ev vE EF FE Ev vE EC CE EF FE Eg1g1E Eg2g2f f1 1f f2 2未组成异质结前的能带图未组成异质结前的能带图121 1异质结的带隙差等于导带差同价带差之异质结的带隙差等于导带差同价带差之和。和。2 2导带差是两种材料的电子亲和势之差。导带差是两种材料的电子亲和势之差。3 3而价带差等于带隙差减去导带差。而价带差等于带隙差减去导带差。x1x2DEDEcDEDEvEC2Eg1Ev2Ec1Ev1n-GaAsP-GaAspn 当当两两种种单单晶晶材材料料组组成成在在一一起起构构成成异异质质结结后后，它它们们处处于于平平衡衡态，费米能级应当相同。态，费米能级应当相同。为为了了维维持持各各自自原原有有的的功功函函数数 和和电电子子亲亲和和势势 不不变变，就就会会形形成成空空间间电电荷荷区区，在在结结的的两两旁旁出出现现静静电电势势，相相应应的的势势垒垒高高度为度为eVeVD D，e e为电子电荷，为电子电荷，V VD D为接触电势。为接触电势。它等于两种材料的费米能级差：它等于两种材料的费米能级差：ECEF2Eg2Eg1EF1Eg1EF1ECEF2Eg2接触前接触后1.AligntheFermilevelwiththetwosemiconductorbandsseparated.Leavespaceforthetransitionregion.如何画接触后的异质结能带图如何画接触后的异质结能带图ECEF2Eg2Eg1EF1内建电场内建电场=空间电荷区中各点有附加电势能，使空间电荷区中各点有附加电势能，使空间电荷区的能带发生弯曲。空间电荷区的能带发生弯曲。Eg1eVDECEg21 1 能带发生了弯曲：能带发生了弯曲：n n型半导体型半导体的导带和价带的弯曲量为的导带和价带的弯曲量为qVqVD2,D2,界界面处形成尖峰面处形成尖峰.p p型半导体的导带和价带的弯曲型半导体的导带和价带的弯曲量为量为qVqVD1,D1,界面处形成凹口界面处形成凹口(能谷）能谷）。2 2 能带在界面处不连续，有突变。能带在界面处不连续，有突变。Ec,EvEc,EvThereisnonsymmetryinDECandDEvvaluesthatwilltendtomakethepotentialbarriersseenbyelectronsandholesdifferent.ThisnonsymmetrydoesnotoccurinhomejunctionInGaAsGaAsSbInAsGaSbEC1Ev1EC2Ev2EC1Ev1EC2Ev2EC1Ev1EC2Ev2(a)Straddling跨立型(b)Staggered错开型(c)Broken gap破隙型AlGaAsGaAs典型的能带突变形式AlGaAsGaAsInGaAsGaAsSb电子和空穴在空间分离电子和空穴在空间分离 根据半导体物理理论，这种分离效应可以有效抑制材料载流子的俄歇复合。任何光子探测器，随着温度的升高，最终的效率极限都将是材料中载流子的俄歇复合。目前最好的红外探测器材料碲镉汞的最终性能极限就是载流子的俄歇复合，如果禁带错位型类超晶格结构如预期的那样能将电子、空穴物理分离，实现对俄歇复合的有效抑制。InAsInAsGaSbGaSb电子从一种半导体大量流入到另一种半导体，使一种半导体存在大量电子，而另一种存在大量空穴。使它们具有导电能力，具有半金属性质。利用分子束外延生长高质量GaAs基GaSb体材料和InAs/GaSb超晶格材料技术，为下一步制造价格便宜、性能可靠的N-GaAs/P-GaSb热光伏电池、新一代焦平面多色红外探测器件等提供了重要的技术基础。a)a)可以产生热电子可以产生热电子b)b)能使电子发生反射的的势垒能使电子发生反射的的势垒c)c)提供一定厚度和高度的势垒提供一定厚度和高度的势垒d)d)能造成一定深度和宽度的势阱能造成一定深度和宽度的势阱能带突变的应用DEDEc=0.07eVDEDEv=0.69eVDEDEc+DEDEv=0.76eV3.1.23.1.2突变反型异质结的接触突变反型异质结的接触电势差势垒区宽度电势差势垒区宽度一 工艺过程生长方法,界面态能带弯曲二 异质结晶面的取向极性半导体,组成半导体的两种原子具有不同的负电性 例如,GAAs,半导体中Ga和As对电子的束缚能力不同,当组成晶体时,电子更多地偏向As原子一方.(110):电中性(111)极性-偶极距三 组成异质结的半导体特性偶极距应变影响能带突变的因素影响能带突变的因素安德森安德森(Anderson)(Anderson)能带模型能带模型 假定：假定：1 1，在异质结界面处不存在界面态和偶极态；，在异质结界面处不存在界面态和偶极态；2 2，异异质质结结界界面面两两边边的的空空间间电电荷荷层层（或或耗耗尽尽层层中中)，空间电荷的符号相反、大小相等；，空间电荷的符号相反、大小相等；3 3，异异质质结结界界面面两两边边的的介介电电常常数数分分别别为为 11和和 22,1122,界面处的电场不连续：界面处的电场不连续：11E E11=22E E22 E E11 E E22。泊松方程泊松方程势垒区中的电荷密度分布势垒区中的电荷密度分布whereagainNA1isthenetacceptorconcentrationinthep side,andND2isthenetdonorconcentrationontheNside.突变反型异质结的泊松方程突变反型异质结的泊松方程where1and2arethepermittivityinthep andNregions,边界条件:pnx1x2x0线性，在交界处不连续Thustheelectricfieldisgivenbytwointhedepletionregionandzerooutside.电场分布电场分布IfwechoosethereferencepotentialtobezeroforxEEF1F1,电子从宽带电子从宽带流入窄带流入窄带必有一边为积累区必有一边为积累区异型异质结中，少子起主要作用。异型异质结中，少子起主要作用。同同型型异异质质结结（nNnN和和pPpP）中中，其其性性质质主主要要是是由由多多数载流子决定。数载流子决定。同同型型异异质质结结中中，由由于于异异质质结结两两边边的的导导电电型型号号相相同同，两两侧侧不不再再象象异异型型异异质质结结那那样样出出现现两两个个耗耗尽尽层层构构成成的的电电偶偶极极区区。而而是是在在宽宽带带隙隙一一侧侧的的施施主主（nNnN结结N N侧侧）或或受受主主（pPpP结结的的P P侧侧）电电离离产产生生足足够够的的空空间间电电荷荷，而而窄窄带带隙隙一一侧侧出出现现多多子子的的积积累累。因因此此，同同型型异异质质结结是是由由宽宽带带一一侧侧的的耗耗尽尽层层和和窄窄带一侧的载流子积累层构成的电偶极区。带一侧的载流子积累层构成的电偶极区。3.1.43.1.4）几种异质结的能带图）几种异质结的能带图(1)p-N(1)p-N异质结异质结(2)n-P(2)n-P异质结异质结(3)n-N(3)n-N同型同型异质结异质结(4)p(4)p-P-P 同型异质结同型异质结a)A 宽带掺杂少b)相近c)窄宽带掺杂少3.1.5 3.1.5 尖峰的位置与掺杂浓度的关系尖峰的位置与掺杂浓度的关系尖峰的位置由两尖峰的位置由两侧的掺杂决定侧的掺杂决定异质结应用举例异质结应用举例