第十四結(jié)異質(zhì)結(jié)_第1頁(yè)
第十四結(jié)異質(zhì)結(jié)_第2頁(yè)
第十四結(jié)異質(zhì)結(jié)_第3頁(yè)
第十四結(jié)異質(zhì)結(jié)_第4頁(yè)
第十四結(jié)異質(zhì)結(jié)_第5頁(yè)
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第十四節(jié)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)內(nèi)容半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的簡(jiǎn)介異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)的特性異質(zhì)結(jié)的應(yīng)用簡(jiǎn)介半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)?由兩種不同的半導(dǎo)體材料組成的結(jié),則稱為異質(zhì)結(jié)。本章主要討論半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)、異質(zhì)pn結(jié)的電流電壓特性與注入特性及各種半導(dǎo)體量子阱結(jié)構(gòu)及其電子能態(tài),并簡(jiǎn)單介紹一些應(yīng)用。半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的發(fā)展歷史1947年,巴丁,布喇頓,肖克萊發(fā)明點(diǎn)接觸晶體管;1949年,肖克萊提出pn結(jié)理論;1957年,克羅默(Kroemer)指出導(dǎo)電類型相反的兩種半導(dǎo)體組成的異質(zhì)pn結(jié)比同質(zhì)結(jié)具有更高的注入效率;1962年,Anderson提出異質(zhì)結(jié)的理論模型;1968年,美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室和前蘇聯(lián)的約飛研究所做成GaAs-AlxGa1-xAs異質(zhì)結(jié)激光器;70年代,液相外延、汽相外延、金屬氧化物化學(xué)汽相沉積和分子束外延技術(shù)的出現(xiàn),使異質(zhì)結(jié)的生長(zhǎng)技術(shù)趨于完善;半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的分類根據(jù)兩種半導(dǎo)體單晶材料的導(dǎo)電類型,異質(zhì)結(jié)又分為以下兩類:反型異質(zhì)結(jié),指有導(dǎo)電類型相反的兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料所形成的異質(zhì)結(jié)同型異質(zhì)結(jié),指有導(dǎo)電類型相同的兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料所形成的異質(zhì)結(jié)。異質(zhì)結(jié)也可以分為突變型異質(zhì)結(jié)(過(guò)渡區(qū)~幾個(gè)原子層)和緩變形異質(zhì)結(jié)(過(guò)渡區(qū)~幾個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度)。內(nèi)容半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的簡(jiǎn)介異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)的特性異質(zhì)結(jié)的應(yīng)用簡(jiǎn)介突變型異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)忽略界面態(tài)影響;如圖表示兩種不同的半導(dǎo)體材料沒(méi)有形成異質(zhì)結(jié)前的熱平衡能帶圖。有下標(biāo)“1”者為禁帶寬度小的半導(dǎo)體材料的物理參數(shù),有下標(biāo)“2”者為禁帶寬度大的半導(dǎo)體材料的物理參數(shù)。平衡時(shí),兩塊半導(dǎo)體有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)因而異質(zhì)結(jié)處于熱平衡狀態(tài)。兩塊半導(dǎo)體材料交界面的兩端形成了空間電荷區(qū)。n型半導(dǎo)體一邊為正空間電荷區(qū),p型半導(dǎo)體一邊為負(fù)空間電荷區(qū)。正負(fù)空間電荷間產(chǎn)生電場(chǎng),也稱為內(nèi)建電場(chǎng),因?yàn)殡妶?chǎng)存在,電子在空間電荷區(qū)中各點(diǎn)有附加電勢(shì)能,1.能帶發(fā)生了彎曲。2.能帶在交界面處不連續(xù),有一個(gè)突變則能帶總的彎曲量就是真空電子能級(jí)的彎曲量即

顯然兩種半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底在交界面的處突變?yōu)椋▽?dǎo)帶階)而價(jià)帶頂?shù)耐蛔儯▋r(jià)帶階)而且式(9-4)、式(9-5)和式(9-6)對(duì)所有突變異質(zhì)結(jié)普遍適用。(9-5)(9-4)(9-6)p-n-Ge-GaAs異質(zhì)結(jié)的能帶圖突變np異質(zhì)結(jié)的能帶圖突變nn異質(zhì)結(jié)對(duì)于反型異質(zhì)結(jié),兩種半導(dǎo)體材料的交界面兩邊都成了耗盡層;而在同型異質(zhì)結(jié)中,一般必有一邊成為積累層。突變pp異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)界面,晶格常數(shù)較小的半導(dǎo)體存在一部分的不飽和鍵,稱為懸掛鍵;懸掛鍵產(chǎn)生了界面態(tài);懸掛鍵密度為界面兩端鍵密度之差:界面態(tài)的影響界面態(tài)形成的主要原因:晶格失配兩種半導(dǎo)體晶格常數(shù)a1,a2(a1<a2),定義晶格失配為:2(a2-a1)/(a2+a1)晶格失配引入懸掛鍵金剛石/纖鋅礦結(jié)構(gòu):Si,Ge,GaN,AlN,GaAs,ZnO等金剛石結(jié)構(gòu)界面懸鍵密度:(110)(100)(111)與面原子密度差別?表面能級(jí)的作用根據(jù)表面能級(jí)理論計(jì)算求得,當(dāng)金剛石結(jié)構(gòu)的晶體表面能級(jí)密度在1013cm-2以上時(shí),在表面處的費(fèi)米能級(jí)位于禁帶寬度的1/3處(巴丁極限)對(duì)于n型半導(dǎo)體,懸掛鍵起受主作用,因此表面能級(jí)向上彎曲。對(duì)于p型半導(dǎo)體懸掛鍵起施主作用,因此表面能級(jí)向下彎曲。考慮表面能級(jí)的作用時(shí)的能級(jí)圖表面態(tài)在界面是普遍存在的,界面能級(jí)彎曲由a較小的一方?jīng)Q定;界面形成積累層、耗盡層;施主作用(p型)考慮表面能級(jí)的作用時(shí)的能級(jí)圖受主作用(n型)內(nèi)容半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的簡(jiǎn)介異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)的特性異質(zhì)結(jié)的應(yīng)用簡(jiǎn)介突變異質(zhì)結(jié)的勢(shì)壘高度和以突變pn異質(zhì)結(jié)為例設(shè)p型和n型半導(dǎo)體中的雜質(zhì)都是均勻分布的,則交界面兩邊的勢(shì)壘區(qū)中的電荷密度可以寫成

勢(shì)壘區(qū)總寬度為勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的正負(fù)電荷總量相等,即式(9-13)可以化簡(jiǎn)為設(shè)V(x)代表勢(shì)壘區(qū)中x電的電勢(shì),則突變反型異質(zhì)結(jié)交界面兩邊的泊松方程分別為:(9-13)(9-12)(9-14)

由式(9-12)(9-14)得將上述兩式代入(9-30)得從而算得勢(shì)壘區(qū)寬度XD為(9-34)(9-33)(9-35)(9-36)

交VD1與VD2之比為以上是在沒(méi)有外加電壓的情況下,突變反型異質(zhì)結(jié)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)得到的一些公式。若在異質(zhì)結(jié)上施加外加電壓V。可以得到異質(zhì)結(jié)處于非平衡狀態(tài)時(shí)的一系列公式:(9-42)(9-43)(9-41)半導(dǎo)體異質(zhì)pn結(jié)的電流電壓特性及注入特性如圖半導(dǎo)體異質(zhì)pn結(jié)界面導(dǎo)帶連接處存在一勢(shì)壘尖峰,根據(jù)尖峰高低的不同有兩種情況。圖a表示勢(shì)壘尖峰低于p區(qū)導(dǎo)帶底的情況,稱為低勢(shì)壘尖峰情況,圖b表示勢(shì)壘尖峰高于p區(qū)導(dǎo)帶底的情況,稱為高勢(shì)壘尖峰情況(熱發(fā)射)。根據(jù)上述,低尖峰勢(shì)壘情形是異質(zhì)結(jié)的電子流主要由擴(kuò)散機(jī)制決定,可用擴(kuò)散模型處理,如圖9.11中圖a和圖b分別表示其零偏壓時(shí)和正偏壓時(shí)的能帶圖。p型半導(dǎo)體中少數(shù)載流子濃度n10與n型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子濃度的關(guān)系為:取交界面x=0,當(dāng)異質(zhì)結(jié)加正向偏壓V時(shí)(9-59)(9-60)在穩(wěn)定情況下,p型半導(dǎo)體中注入少數(shù)載流子運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程為其通解為從而求得電子擴(kuò)散電流密度(9-62)(9-61)上式為由n型區(qū)注入p型區(qū)的電子擴(kuò)散電流密度,以下計(jì)算由p型區(qū)注入n型區(qū)的空穴電流密度。從p區(qū)價(jià)帶頂?shù)目昭▌?shì)壘高度為在熱平衡時(shí)n型半導(dǎo)體中少數(shù)載流子空穴的濃度與p型半導(dǎo)體中的空穴濃度關(guān)系正向電壓V時(shí)在n區(qū)x=x2處的空穴濃度增加為(9-63)

從而求得空穴擴(kuò)散電流密度、由(9-62)(9-65)可得外加電壓,通過(guò)異質(zhì)pn結(jié)的總電流為(9-66)(9-65)(9-64)異質(zhì)pn(擴(kuò)散)結(jié)同質(zhì)pn結(jié):內(nèi)容半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的簡(jiǎn)介異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)的特性異質(zhì)結(jié)的應(yīng)用簡(jiǎn)介異質(zhì)結(jié)的一些特性和應(yīng)用注入特性:高注入比;超注入現(xiàn)象;界面二維電子氣;共振隧穿效應(yīng);超晶格結(jié)構(gòu);異質(zhì)pn結(jié)的注入特性異質(zhì)pn結(jié)電子電流與空穴電流的注入比為

以寬禁帶n型和窄禁帶p型GaAs組成的pn結(jié)為例,其禁帶寬度之差,設(shè)p區(qū)摻雜濃度為,n區(qū)摻雜濃度為由上式可得這表明即使禁帶寬n區(qū)摻雜濃度較p區(qū)低近兩個(gè)數(shù)量級(jí),但注入比仍可高達(dá),異質(zhì)pn結(jié)的這一高注入特性是區(qū)別于同質(zhì)pn結(jié)的主要特點(diǎn)之一,也因此得到重要應(yīng)用。

(9-75)超注入現(xiàn)象超注入現(xiàn)象是指在異質(zhì)pn結(jié)中由寬禁帶半導(dǎo)體注入到窄禁帶半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子濃度可超過(guò)寬帶半導(dǎo)體中多數(shù)載流子濃度,應(yīng)用:半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)激光器應(yīng)用:二維電子氣在結(jié)平面上,電子可以自由運(yùn)動(dòng);在與結(jié)平面垂直的方向上,電子被束縛在界面幾個(gè)到幾十個(gè)原子層的范圍內(nèi);高遷移率;能量量子化;應(yīng)用:HEMT(高電子遷移率晶體管)GaN-AlGaN器件高遷移率;寬禁帶;高熱導(dǎo)率和擊穿電壓;大功率微波器件;量子霍爾效應(yīng)RH=h/ie2 i為整數(shù)半導(dǎo)體超晶格半導(dǎo)體超晶格是指有交替生長(zhǎng)兩種半導(dǎo)體材料薄層組成的一維周期性結(jié)構(gòu),而其薄層厚度的周期小于電子的平均自由程的人造材料。概念提出:1970江琦和朱照祥實(shí)現(xiàn):分子

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