第九章_半导体异质结构.ppt

由n区注入p区的电子扩散电流密度 由p区注入n区的空穴扩散电流密度 n20：n区多子浓度 p10：p区多子浓度 若n20和p10在同一数量级，则 对窄禁带p型和宽禁带n型的异质结 ?EC, ?EV0, 且kT ? Jn Jp 高势垒尖峰情形异质pn结 由n区注入p区的电子电流密度 由p区注入n区的电子电流密度 正向偏压时 若m1*=m2*, 则总电子电流密度 正向偏压时 9.3 半导体异质结量子阱结构及 其电子能态与特性 9.3.1 半导体调制掺杂异质结构界面量子阱 1. 界面量子阱中二维电子气的形成及电子能态 调制掺杂异质结构： 由宽禁带重掺杂的n型AlxGa1-xAs和不掺杂的 GaAs组成的异质结。 EF GaAs n+-AlxGa1-xAs 调制掺杂异质结界面处能带图 二维电子气 在GaAs近结处 形成电子的势阱 E 0 z V(z) 调制掺杂异质结势阱区内电子势能函数 GaAs的导带底位于布里渊区中心 k = 0, 导带底附近电子的 m* 各向同性 用分离变量法求解 X-y平面内的平面波，对应的能量 电子在 z 方向被局限在几到几十个原子层范 围的量子阱中，能量 Ez 量子化 调制掺杂异质结势阱中的电子在与结平行的 平面内作自由电子运动，实际就是在量子阱 区内准二维运动，称为二维电子气。 二维电子气(2DEG) 2. 二维电子气的子带及态密度 异质结势阱中电子的能量 子带 异质结势阱中电子的能量Ei 分量相同时， （kx, ky)取值不同的电子能态组成的一个带。 求子带中的态密度 设二维电子气在 x 和 y 方向的宽度为 L, 则 nx, ny 取整数 k与 （k+dk)间的电子态数 Ei 取定后 二维电子气中单位面积单位能量间隔的子带态密度 异质结二维电子气的电子态密度 0 z V(z) E1 E2 E3 Ei 在势阱中的位置 0 D(E) E1 E2 E3 E D(E)与能量关系 3. 调制掺杂异质结构中电子的高迁移率 重掺杂n型AlxGa1-xAs和不掺杂的GaAs 形成异质结，其优点 n型AlxGa1-xAs－电子供给区 不掺杂的GaAs－电子输运区 提高了电子迁移率 应用于半导体微波和毫米波器件中 异质结高电子迁移率晶体管 9.3.2 双异质结间的单量子阱结构 1. 导带量子阱中电子的能态 在AlxGa1-xAs上异质外延极薄的GaAs, 再异质外延较厚的AlxGa1-xAs。 单量子阱结构的形成 GaAs AlxGa1-xAs AlxGa1-xAs 单量子阱结构的能带图 不考虑能带弯曲 0 z V(z) l /2 -l /2 ?EC 电子势能分布 势能函数 电子波函数 * * 9.1 半导体异质结及其能带图 根据半导体单晶材料的导电类型 异质结 { 反型异质结：导电类型相反 同型异质结：导电类型相同 反型：p-nGe-GaAs 或 (p)Ge-(n)GaAs, n-pGe-GaAs 或 (n)Ge-(p)GaAs, p-nGe-Si, p-nSi-GaAs, p-nSi-ZnS, p-nGaAs-GaP, n-pGe-GaAs 等 9.1.1 半导体异质结的能带图 同型：n-nGe-GaAs 或 (n)Ge-(n)GaAs, p-pGe-GaAs 或 (p)Ge-(p)GaAs, n-nGe-Si, n-nSi-GaAs, n-nGaAs-ZnSe, p-pSi-GaP, p-pPbS-Ge 等 禁带宽度较小的半导体材料写在前面 异质结也可分为突变异质结和缓变异质结 突变异质结：从一种半导体材料向另一种半 导体材料的过渡只发生于几个 原子距离范围内。 缓变异质结：从一种半导体材料向另一种半 导体材料的过渡发生在几个 扩散长度范围内。 1. 不考虑界面态时的能带图 电子亲和能 禁带宽度 功函数 } 决定异质结的能带图 （1）突变反型异质结能带图 形成突变pn异质结前的平衡能带图 真空能级 EV2 EC2 EF2 Eg2 W2 n2 ?EV n1 ?EC Eg1 EV1 EC1 EF1 形成异质结前 p型半导体的费米能级的位置 n型半导体的费米能级的位置 形成异质结后，平衡时，有统一的费米能级 形成突变pn异质结后的平衡能带图 x1 x0 x2 ?EV ?2 qVD2 ?EC 突变反型异质结平衡时 统一的费米能级 界面两边形成空间电荷区