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第五章 半导体物理基础复习 深圳大学 光电工程学院 能带 载流子分布的规律 掺杂 能带图及pn结的电流电压特性 载流子的复合与发光 异质结与化合物半导体 双异质结构 量子阱 1、晶体结构 半导体是由一种(或几种)原子周期性规则排列而成的晶体材料 晶体的结点其总体称为点阵 过结点可以作许多平行的直线轴—晶向/晶向族,以（XXX）表示 过结点可以作许多平行的面--晶面/晶面族，以{XXX}表示 晶格周期性的最小重复单元称之为原胞。 常用半导体材料的结构 常用半导体材料的特性 GaAs： 垂直于三个晶轴x、y、z的六个平面是等价的{100}晶面（族） 包含Ga原子和As原子的对角平面构成四个等价的{110}晶面（族） 晶胞切割As原子的三角形构成八个等效的{111}晶面（族） {111}面上有排列有原子As或Ga原子之分，故称排列As原子的{111}面为{111}A面，而排列Ga原子的为{111}B面 特性： {110} 晶面之间的面间距最大，原子之间的键合力最弱，最容易沿此晶面断裂开，形成GaAs晶体的自然解理面---半导体激光器理想的谐振腔面 不同晶面（包括{111}A面和{111}B面）具有不同的化学势，不同的化学活泼性。在制造半导体激光器的工艺过程中会影响到化学腐蚀速率和外延生长速率 ---选择性腐蚀 —选择性生长 原子的基本结构 电子运动规律服从薛定谔方程 E-k曲线---半导体中电子和空穴运动应服从的规律 本征半导体与掺杂半导体 载流子的运动与pn结的形成与特性 载流子的运动规律---漂移-扩散 载流子的复合与发光 同质结（同质pn结） 形成pn结的两种材料相同（禁带宽度一样） 异质结及形成过程、特点 形成异质结的两种材料不相同（禁带宽度不一样） 异质结分类（按照异质结界面两侧半导体导电类型来分） n—N(或p—P)同型异质结 n--P(或p—N)异型异质结 宽带隙材料用大写英文字母表示， 窄带隙材料用小写英文字母表示。 带隙差产生载流子分布 应用： 异质结在Ⅲ—Ⅴ族半导体的 光电子和微波器件中应用非 常广泛 化合物半导体与异质结 元素半导体 如Si等 化合物半导体 由两种或以上元素构成的半导体材料，如GaAs、InP、GaN系列等 GaAs及其三元化合物半导体A1xGa1-xAs （闪锌矿） A1xGa1-xAs是A1取代GaAs中Ga组合而成， x为克分子比，最大特点是在x从o到1的范围内其晶格常数几乎不变--A1xGa1-xAs和GaAs晶格匹配，最大晶格失配不超过0.12％，这是构筑异质结的基本要求。当x≤0.45时，A1xGa1-xAs是直接带隙半导体材料。 相对应的带隙宽度Eg与克分子比x的关系： Eg(x)＝1.424十1.247x （eV） 0＜x＜0.45 折射率nR与克分子比x的关系： nR＝3.59—0.7x十0.091x2 0＜x＜0.45 InP及三元、四元化合物材料 InP及其三元化合物InxGal-xAs和四元化合物InxGal-xAsyP1-y，是光纤通信用光电子器件最重要的材料系统，前者是长波PD的重要材料系统，后者是长波LED和LD的重要材料 InP和InxGal-xAs： 在长波PD中，InP做为衬底， InxGal-xAs作为光吸收层，带隙宽度为0.75一1.35eV，相应的本征吸收波长范围为1.72一0.92μm。InP和InxGal-xAs有一个晶格匹配点(x＝0.53)，偏离这一点都属于应变。当x＞0.53时产生压应变，当x＜0.53时产生张应变。因此， InxGal-xAs ／InP可生长压应变和张应变以及补偿应变的超晶格。 InP和InxGal-xAsyP1-y GaInAsP的Eg对应1.3μm和1.55μm辐射波长。在晶格匹配的外延组分时，不需要缓解晶格失配应变的组分渐变层，也可在InP衬底上得到高质量的低位错密度的GaInAsP层。 四元化合物的晶格常数与组分的关系用费加德定律来确定： a(InxGal-xAsyP1-y)=5.8696—0.4184x十0.1894y十0.013xy 当满足a(x,y)＝a(InP) ，即：X=0.4526y时 InxGal-xAsyP1-y 与InP是晶格匹配的 折射率nR与组分的关系： 当与InP晶格匹配(即x＝0.45y)时，结果有如下关系（实验）： nR(y)＝3.4十0.256y—0.095y2 相对应的带隙宽度Eg与组分的关系（见下图）： 化合物半导体带隙宽度Eg与组分的关系 化