1、第第 九九 章章半导体异质结的组成与生长半导体异质结的组成与生长Part 1第九章第九章 9.1 半导体异质结的一般性质半导体异质结的一般性质9.2 半导体异质结的能带结构半导体异质结的能带结构9.3 异质异质PN结的注入特性结的注入特性9.4 理想突变异质结的伏安特性理想突变异质结的伏安特性 9.1 9.1 半导体异质结的一般性质半导体异质结的一般性质 由由两种不同的半导体单晶材料形成的两种不同的半导体单晶材料形成的PNPN结结称为称为异质结异质结。1951 1951年由年由GubanovGubanov首先提出了异质结的概念；首先提出了异质结的概念；1957 1957年克罗默年克罗默得得到了
2、到了“导电类型相反的两种不同的半导导电类型相反的两种不同的半导体单晶材料制成的异质结，比同质结具有更高的注入效率。体单晶材料制成的异质结，比同质结具有更高的注入效率。”这一重要结论。这一重要结论。1960 1960年年IBMIBM公司利用公司利用汽相外延生长技术汽相外延生长技术成功地实现了异质成功地实现了异质结构。结构。1969 1969年人类制备出了第一支年人类制备出了第一支异质结激光二极管异质结激光二极管。(1)(1)反型异质结反型异质结(2)(2)同型异质结同型异质结 由导电类型相反的两种不同的半导体单晶材料形成的异质结称为反型异质结。如：P型Ge与N型GaAs构成的异质结，记为p-n
3、Ge-GaAs或(p)Ge-(n)GaAs 由导电类型相同的两种不同的半导体单晶材料形成的异质结称为同型异质结。如：n型Ge与n型GaAs所形成的结，记为n-n Ge-GaAs或(n)Ge-(n)GaAs一、异质结的分类一、异质结的分类1.1.按两种材料导电类型的不同来分：按两种材料导电类型的不同来分：一、异质结的分类一、异质结的分类（1）I 型异质结：型异质结：禁带宽度小的半导体材料的导带底和价带顶均处于宽禁带半导体材料的禁带内。（2）I 型异质结：型异质结：两种半导体材料的禁带相互交错。（3）型异质结：型异质结：两种半导体材料的禁带完全错开。2.2.按两种材料能带的相对位置来分：按两种材料
4、能带的相对位置来分：一、异质结的分类一、异质结的分类（1 1）突变型异质结：突变型异质结：从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡只发生在几个原从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡只发生在几个原子距离范围内。子距离范围内。（2 2）缓变型异质结：缓变型异质结：从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡发生于几个扩散从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡发生于几个扩散长度范围内。长度范围内。3.3.按从一种材料向另一种材料过渡的变化程度来分：按从一种材料向另一种材料过渡的变化程度来分：二、异质结的组成二、异质结的组成1 1、元素半导体：、元素半导体：GeGe、SiSi；2 2、-族族半导体半
5、导体：GaAsGaAs、AlAsAlAs、InAsInAs、GaPGaP、InPInP、GaSbGaSb、InSbInSb、AlSb AlSb 等立方系闪锌矿；等立方系闪锌矿；-族氮化物：族氮化物：BNBN、GaNGaN、InNInN、AlN AlN 等六方晶系；等六方晶系；3 3、-族半导体：族半导体：CdTeCdTe、HgTeHgTe、ZnTeZnTe、ZnSeZnSe、CdSCdS、ZnSZnS、CdS CdS 等闪锌矿；等闪锌矿；4 4、-族半导体：族半导体：PbTePbTe、SnTeSnTe等等NaClNaCl结构（离子晶体）；结构（离子晶体）；5 5、氧化物半导体：、氧化物半导体：
6、ZnOZnO。三、异质结的生长技术三、异质结的生长技术1.1.液相外延技术（液相外延技术（LPELPE）2.2.汽相外延技术（汽相外延技术（VPEVPE）3.3.金属有机化学汽相沉积技术（金属有机化学汽相沉积技术（MOCVDMOCVD）4.4.分子束外延技术（分子束外延技术（MBEMBE）9.2 9.2 异质结的能带结构异质结的能带结构概述概述 当两种半导体材料接触在一起形成异质结时，异质结两边的费米能级要当两种半导体材料接触在一起形成异质结时，异质结两边的费米能级要趋于一致，引起电荷的流动，导致在界面附近形成空间电荷区、内建电场，趋于一致，引起电荷的流动，导致在界面附近形成空间电荷区、内建电
7、场，由于结两边材料不同，特别是两边材料介电常数的不同，导致在异质结的界由于结两边材料不同，特别是两边材料介电常数的不同，导致在异质结的界面处尽管电通量是连续的，但场强一般不连续，形成界面处面处尽管电通量是连续的，但场强一般不连续，形成界面处电场和电场和电势的突电势的突变。变。概述概述 由于电势的不连续以及禁带宽度的不一致，使得异质结界面附近的能由于电势的不连续以及禁带宽度的不一致，使得异质结界面附近的能带产生突变，即产生了带产生突变，即产生了“尖峰尖峰”、“凹口凹口”（或下陷）一些与同质结不同（或下陷）一些与同质结不同的情况，这些将严重地影响载流子的运动，使得异质结具有一些同质结所的情况，这些
8、将严重地影响载流子的运动，使得异质结具有一些同质结所没有的特性。没有的特性。一、不考虑界面态一、不考虑界面态1 1、突变反型异质结、突变反型异质结 一个一个P型型A材料和一个材料和一个n型型B材料形成的异质结。材料形成的异质结。A、B两材料在未形成异质结前的热平衡能带图如下图所示：两材料在未形成异质结前的热平衡能带图如下图所示：下标为下标为1 1的参数为禁带宽度小的半导体材料的物理参数；的参数为禁带宽度小的半导体材料的物理参数；下标为下标为2 2的参数为禁带宽度大的半导体材料的物理参数。的参数为禁带宽度大的半导体材料的物理参数。一、不考虑界面态一、不考虑界面态 形成异质结时，由于形成异质结时，
9、由于n n型半导体（型半导体（B B材料）的费米能级高于材料）的费米能级高于P P型半导体（型半导体（A A材材料），因此电子从料），因此电子从n n型半导体流向型半导体流向P P型半导体，直到两块半导体具有统一的费米型半导体，直到两块半导体具有统一的费米能级。能级。由于电子与空穴的流动，在由于电子与空穴的流动，在n n型和型和P P型半导体的交界面附近形成空型半导体的交界面附近形成空了了间电荷间电荷区，产生自建电场，使电子在空间电荷区中各点的电势分布不同，即有附加电区，产生自建电场，使电子在空间电荷区中各点的电势分布不同，即有附加电势能存在，使空间电荷区中的能带发生弯曲。势能存在，使空间电荷
10、区中的能带发生弯曲。1221DDDFFqVqVqVEE即即显然显然 12DDDVVV 由于两种材料的禁带宽度不同，能带弯曲不连续，出现由于两种材料的禁带宽度不同，能带弯曲不连续，出现了了“尖峰尖峰”和和“凹口凹口”。尖峰阻止了电子向宽带一侧的运动，这就是所谓的。尖峰阻止了电子向宽带一侧的运动，这就是所谓的“载流子的限制载流子的限制作用作用”。一、不考虑界面态一、不考虑界面态一、不考虑界面态一、不考虑界面态n 异质结的能带结构与同质结的相比有以下异质结的能带结构与同质结的相比有以下特点特点：其一、其一、能带发生了弯曲。能带发生了弯曲。n n型半导体能带的弯曲量是型半导体能带的弯曲量是qVqVD2
11、D2，且导带底在交界面处，且导带底在交界面处形成一个向上的形成一个向上的“尖峰尖峰”。P P型半导体能带的弯曲量是型半导体能带的弯曲量是qVqVD1D1，导带底在交界面，导带底在交界面处形成一个向下的处形成一个向下的“凹口凹口”；其二、其二、能带在交界面处，有一个突变。能带在交界面处，有一个突变。即即 显然显然 Ec Ec 称为称为导带阶导带阶，Ev Ev 称为称为价带阶价带阶。12cExx1221()()vggEEExx21CvggEEEE其三、其三、尖峰的位置处于势垒上的什么位置由两边材料的相对掺杂浓度决定。尖峰的位置处于势垒上的什么位置由两边材料的相对掺杂浓度决定。其四、其四、在在半导体
12、半导体器件中关心的是少子运动。因为在器件中关心的是少子运动。因为在PNPN异质结中，异质结中，EcEc 对对P P区电区电子向子向N N区的运动起势垒作用，而区的运动起势垒作用，而Ev Ev 则对则对N N区空穴向区空穴向P P区运动没有明显的影响。区运动没有明显的影响。一、不考虑界面态一、不考虑界面态一、不考虑界面态一、不考虑界面态2 2、突变同型异质结、突变同型异质结n n型型A A材料材料(用用1 1表示表示)和和n n型型B B材料材料(用用2 2表示表示)形成的异质结，即形成的异质结，即nNnN结。结。A A、B B两材料在未形成异质结前的热平衡能带图如下图所示。两材料在未形成异质结
13、前的热平衡能带图如下图所示。一、不考虑界面态一、不考虑界面态 这两种半导体材料紧密接触形这两种半导体材料紧密接触形成异质结时，成异质结时，B B材料的费米能级比材料的费米能级比A A材料的高，因此电子从材料的高，因此电子从B B流向流向A A，在，在两者的界面处两者的界面处A A材料一边形成了电材料一边形成了电子积累层，子积累层，B B材料一边则形成了耗材料一边则形成了耗尽层（在反型异质结中，界面两边尽层（在反型异质结中，界面两边形成的都是耗尽层）。形成的都是耗尽层）。21CvggEEEE同理：同理：二、计入界面态的影响二、计入界面态的影响在异质结的界面处引入界面态的原因在异质结的界面处引入界
14、面态的原因晶格失配的定义：晶格失配的定义：当两种半导体材料形成异质结时，在交界面处晶格常数小的半导体材料表面当两种半导体材料形成异质结时，在交界面处晶格常数小的半导体材料表面出现了一部分不饱和的键，即出现了不饱和的悬挂键。出现了一部分不饱和的键，即出现了不饱和的悬挂键。（a a1 1，a a2 2分别为两种半导体晶体的晶格常数）分别为两种半导体晶体的晶格常数）突变异质结交界面处的悬挂键密度突变异质结交界面处的悬挂键密度NsNs为两种材料在交界面处的悬挂键密度为两种材料在交界面处的悬挂键密度之差。即之差。即 Ns Ns=N NS1 S1 -N NS2S2 主要原因：主要原因：形成异质结的两种半导
15、体材料的晶格失配，在交界面处晶格常数小的半形成异质结的两种半导体材料的晶格失配，在交界面处晶格常数小的半导体材料中出现了一部分不饱和的键导体材料中出现了一部分不饱和的键悬挂键。悬挂键。%10021212aaaa二、计入界面态的影响二、计入界面态的影响2221212234aaaaNS222121224aaaaNS以金刚石结构为例：以金刚石结构为例：以（以（111111）晶面为交界面时，其悬挂键密度为：）晶面为交界面时，其悬挂键密度为：以（以（110110）晶面为交界面时，其悬挂键密度为：）晶面为交界面时，其悬挂键密度为：以（以（100100）晶面为交界面时，其悬挂键密度为：）晶面为交界面时，其悬
16、挂键密度为：2221212224aaaaNS二、计入界面态的影响二、计入界面态的影响其他原因：其他原因：由于两种材料热膨胀系数不同，在高温下产生悬挂键，在交界面引入界面态；由于两种材料热膨胀系数不同，在高温下产生悬挂键，在交界面引入界面态；在化合物半导体构成的异质结中，化合物半导体中的成分元素的互扩散也引入在化合物半导体构成的异质结中，化合物半导体中的成分元素的互扩散也引入界面态。界面态。对于对于n型半导体，悬挂键起受主作用型半导体，悬挂键起受主作用，因此，因此，表面处的能带向上弯曲。表面处的能带向上弯曲。对于对于P型半导体，悬挂键起施主作用型半导体，悬挂键起施主作用，因此，因此，表面处的能带
17、向下弯曲。表面处的能带向下弯曲。显然，这些悬挂键对半导体起补偿作用。显然，这些悬挂键对半导体起补偿作用。界面态可分为施主态（电离后带正电）和受主态（电离后带负电）两种类型。界面态可分为施主态（电离后带正电）和受主态（电离后带负电）两种类型。二、计入界面态的影响二、计入界面态的影响1 1、界面态密度较小、界面态密度较小无论是施主态还是受主态，都不影响异质结能带的基本形状和结构。无论是施主态还是受主态，都不影响异质结能带的基本形状和结构。以以PNPN异质结为例异质结为例 设：窄带区的空间电荷为设：窄带区的空间电荷为Q Q1 1 宽带区的空间电荷为宽带区的空间电荷为Q Q2 2 界面态上电荷为界面态
18、上电荷为Q QISIS二、计入界面态的影响二、计入界面态的影响当有外加偏压当有外加偏压VaVa作用时，异质结两边的空间电荷应满足：作用时，异质结两边的空间电荷应满足：1/22111212AISDaISADN QQB VVB QNN 1/22221212DISDaISADN QQB VVB QNN其中：其中：1/2121122ADADqN NBNN 21212()ADBqNN二、计入界面态的影响二、计入界面态的影响因为因为：21ISQQQ当界面电荷当界面电荷Q QISIS是受主电荷时，即与是受主电荷时，即与Q Q1 1相同，此时与无界面态电荷相同，此时与无界面态电荷Q QISIS时相时相比较，比
19、较，显然显然Q Q1 1减小了，而减小了，而Q Q2 2则增大了则增大了。若若Q QISIS很小，得到：很小，得到：1/2111121/222112AISDaADDISDaADN QQB VVNNN QQB VVNN 式中第一项为由界面态影响在空间电荷区产生的电荷量，第二项为不考虑界式中第一项为由界面态影响在空间电荷区产生的电荷量，第二项为不考虑界面态时的空间电荷区电荷量。面态时的空间电荷区电荷量。分析空间电荷区电荷量的变化：分析空间电荷区电荷量的变化：二、计入界面态的影响二、计入界面态的影响令令L L1 1=x=x0 0-x-x1 1,L,L2 2=x=x2 2-x-x0 0，L L1 1、
20、L L2 2为为P P区和区和N N区的耗尽层宽度，区的耗尽层宽度，则则 Q Q1 1、Q Q2 2可改写为：可改写为：111012222012AISAAADDISDDADN QqN LqN LNNN QqN LqN LNN qNqNA AL L1 1 是计入界面态影响后空间电荷区的总电荷是计入界面态影响后空间电荷区的总电荷 是界面态影响引入的电荷是界面态影响引入的电荷qNqNA AL L10 10 是不计界面态影响时的空间电荷区总电荷是不计界面态影响时的空间电荷区总电荷 112AISADN QNN分析空间电荷区宽度的变化：分析空间电荷区宽度的变化：二、计入界面态的影响二、计入界面态的影响L
21、L1010、L L20 20 分别为不考虑界面态时分别为不考虑界面态时P P区和区和N N区的耗尽层宽度，因此有：区的耗尽层宽度，因此有：22021101LLLL 则：与与 Q QIS IS 同号的耗尽区宽度减小了，即同号的耗尽区宽度减小了，即 P P 区区的耗尽区宽度的耗尽区宽度减小了；而与减小了；而与 Q QIS IS 反号的耗尽区宽度增大了，即反号的耗尽区宽度增大了，即 N N 区的增大了。减小与增加的量与界面态电荷区的增大了。减小与增加的量与界面态电荷量量 Q QIS IS，以及介电常数成正比。，以及介电常数成正比。DAISDAISNNqQLLNNqQLL212202211101二、计
22、入界面态的影响二、计入界面态的影响2 2、界面态密度很大、界面态密度很大 当半导体表面存在足够大的界面态时，半导体表面的状态完全由界面态电当半导体表面存在足够大的界面态时，半导体表面的状态完全由界面态电荷决定，与功函数等没有关系。荷决定，与功函数等没有关系。当表面态为施主态时当表面态为施主态时：（被电子占据时呈电中性，释放电子后呈正电性）对于对于n n型半导体：型半导体：在半导体表面处形成很薄的多子积累层。在半导体表面处形成很薄的多子积累层。二、计入界面态的影响二、计入界面态的影响对于对于P型半导体：型半导体：在半导体表面形成耗尽在半导体表面形成耗尽层，层内电荷为电离受主。层，层内电荷为电离受
23、主。该耗尽层很厚，其厚度由掺该耗尽层很厚，其厚度由掺杂浓度决定。杂浓度决定。二、计入界面态的影响二、计入界面态的影响 当表面态为受主态时：当表面态为受主态时：（能级空着时呈电中性，接受电子后带负电）对于对于n n型半导体：型半导体：在半导体表面处形成很厚的耗尽层，在半导体表面处形成很厚的耗尽层，层内电荷为电离施主。厚度由掺杂浓层内电荷为电离施主。厚度由掺杂浓度决定。度决定。二、计入界面态的影响二、计入界面态的影响对于对于P P型半导体：型半导体：在半导体表面处形成很薄的多子在半导体表面处形成很薄的多子积累层。积累层。二、计入界面态的影响二、计入界面态的影响 对异质结来说，当界面态密度很大，且为
24、对异质结来说，当界面态密度很大，且为施主态施主态时，这些施主态电离后使界面时，这些施主态电离后使界面带正电荷，则带正电荷，则pN(pN(图图a)a)、nP(nP(图图b)b)、pP(pP(图图c)c)异质结的能带结构如下图所示：异质结的能带结构如下图所示：二、计入界面态的影响二、计入界面态的影响 当界面态密度很大，且为当界面态密度很大，且为受主态受主态时，这些受主态被电离后使界面带负时，这些受主态被电离后使界面带负电荷，则电荷，则pNpN、nPnP、nNnN异质结的能带结构如下图所示：异质结的能带结构如下图所示：二、计入界面态的影响二、计入界面态的影响 界面态不同，在界面形成的势垒也不同，此时
25、界面态不同，在界面形成的势垒也不同，此时界面态起决定性的作用，而界面两侧半导体材料的界面态起决定性的作用，而界面两侧半导体材料的固有性质（如功函数、电子亲和能、介电常数等）固有性质（如功函数、电子亲和能、介电常数等）对界面势垒没有影响，这是由于界面态上大量电荷对界面势垒没有影响，这是由于界面态上大量电荷的屏蔽作用所致。的屏蔽作用所致。三、突变反型异质结的接触电势差三、突变反型异质结的接触电势差 设：构成异质结的两种半导体材料即设：构成异质结的两种半导体材料即P P型和型和N N型中的杂质都是均匀分布的，其型中的杂质都是均匀分布的，其浓度分别为浓度分别为N NA1A1和和N ND2D2，势垒区的
26、正、负空间电荷区的宽度分别为：，势垒区的正、负空间电荷区的宽度分别为：d d1 1=x=x0 0 x x1 1 d d2 2=x=x2 2 x x0 0取取 x=xx=x0 0 为交界面处坐标。泊松方程为：为交界面处坐标。泊松方程为：21122222112200()()()()ADd VxqNdxd VxqNdxxxxxxx 式中，式中，、分别为分别为P P型及型及N N型半导体的介电常数。型半导体的介电常数。12、三、突变反型异质结的接触电势差三、突变反型异质结的接触电势差积分并根据边界条件可得到两边空间电荷区内的电势分布积分并根据边界条件可得到两边空间电荷区内的电势分布V V1 1(x)(
27、x)、V V2 2(x)(x)1 1、无外加电压时、无外加电压时由由V V1 1(x(x0 0)=V)=V2 2(x(x0 0)可得到接触电势差：可得到接触电势差：势垒区宽度：势垒区宽度：22221112()22)DADqNqNVxxxx212121222112()()ADDDADDANNVqN NNNx 在交界面两侧，两种半导体势垒区宽度分别为：在交界面两侧，两种半导体势垒区宽度分别为：12211112212122112201202()()2()()DDAADADDADN VdqNNNN VdqNNNxxxx 耗尽区总电荷量为：耗尽区总电荷量为：121222111012202()()ADDD
28、AADqN NVNNQqNxxqNxx 三、突变反型异质结的接触电势差三、突变反型异质结的接触电势差2 2、外加电压、外加电压V V时时2221211212121 2()()()2DDADDADADADNxN xVVNNNNNNq 212121222112()()()ADDADDADNNVVqN NNNx 12211221112122221101202()()()2()()()DDADAADDDANVVdqNNNNVVdqNNNxxxx 三、突变反型异质结的接触电势差三、突变反型异质结的接触电势差121222112()ADDDAqN NVVNNQ 单位面积异质结的电容为 以上各式只要将下标1与
29、2互换，就可用于突变NP异质结。耗尽区总电荷量为：VVNNNNqdVdQCDDADA221121212四、突变同型异质结的接触电势差四、突变同型异质结的接触电势差 对于突变同型异质结（对于突变同型异质结（nnnn结），窄禁带一侧是多子积累层，而宽禁带一侧结），窄禁带一侧是多子积累层，而宽禁带一侧是耗尽层。是耗尽层。0011100221121111022222202211122()(1)2 J Jp p，说明异质结的，说明异质结的电流主要有电子电流构成。电流主要有电子电流构成。一、异质一、异质PNPN结的高注入比特性结的高注入比特性在在P P区和区和N N区杂质完全电离的情况下，有区杂质完全电离
30、的情况下，有 n n2020=N=ND2 D2，P P1010=N=NA1A1 所以有：所以有：D Dn1n1、D Dp2p2分别为两种半导体材料中载流子的扩散系数分别为两种半导体材料中载流子的扩散系数L Lp2p2、L Ln1n1分别为载流子的扩散长度分别为载流子的扩散长度21CvggEEEEE 式中式中D Dn1 n1 与与 D Dp2 p2，L Lp2 p2 与与 L Ln1 n1 相差不大，且都在同一数量级相差不大，且都在同一数量级然而式中的然而式中的 则远远大于则远远大于1 1的的。0exp()Ek T TkELpDLnDJJnppnpn011012201exp一、异质一、异质PNP
31、N结的高注入比特性结的高注入比特性1 1、对于同质结、对于同质结 0E所以：所以：nDpnppAnD N LJJD N L同样，同样，D Dn n 与与 D Dp p，L Lp p 与与 L Ln n 相差不大，也都在同一数量级，因此，决定同质结相差不大，也都在同一数量级，因此，决定同质结注入比的是掺杂浓度，要获得高注入比，就要求注入比的是掺杂浓度，要获得高注入比，就要求PNPN结的一边应高掺杂，所以结的一边应高掺杂，所以晶体管的发射区都是高掺杂的。晶体管的发射区都是高掺杂的。由于由于一、一、异质异质PNPN结的高注入比特性结的高注入比特性2 2、对于异质结、对于异质结 上式中的上式中的E E
32、 是指数项，是指数项，是决定注入比的关键，是决定注入比的关键，即使即使 N ND2D2 N E EC1 C1 故有故有 n n1 1 n n2 2室温下，室温下，k k0 0T T 的数值很小，只要的数值很小，只要 E EC2 C2-E-EC1 C1 的数值比的数值比 k k0 0T T 大一倍，大一倍，n n1 1就比就比n n2 2 几乎大一个数量级。一般情况下，几乎大一个数量级。一般情况下，E Ec1 c1 远低于远低于E Ec2 c2，从而就保证，从而就保证了了 n n1 1 n n2 2，实现超注入。，实现超注入。TkEEnnCC01221exp二、异质二、异质PNPN结的超注入现象
33、结的超注入现象 超注入现象是异质结特有的另一重要特性超注入现象是异质结特有的另一重要特性。这一特性已在器件开发中广泛应用，如在半导体异质结激光这一特性已在器件开发中广泛应用，如在半导体异质结激光器的设计中，利用异质结的超注入特性，可使窄禁带区的注入少器的设计中，利用异质结的超注入特性，可使窄禁带区的注入少子浓度达到子浓度达到10108 8cmcm-3-3以上，保证了实现异质结激光器所要求的粒子以上，保证了实现异质结激光器所要求的粒子数反转的必备条件。数反转的必备条件。9.4 9.4 理想突变异质结的伏安特性理想突变异质结的伏安特性一、一、低势垒尖峰形异质结的低势垒尖峰形异质结的I-VI-V特性
34、特性低势垒尖峰形异质结低势垒尖峰形异质结：势垒尖峰顶低于：势垒尖峰顶低于P P型区导带底。型区导带底。其能带结构如图所示：由其能带结构如图所示：由n n区扩散向结处的电子流可以越过尖峰势垒进入区扩散向结处的电子流可以越过尖峰势垒进入P P区，这样该异质区，这样该异质pnpn结的电流主要由扩散机制决定，结的电流主要由扩散机制决定，可以利用扩散模型来处理可以利用扩散模型来处理。一、一、低势垒尖峰形异质结的低势垒尖峰形异质结的I-VI-V特性特性施加一正向偏压施加一正向偏压V V时，通过该异质结的电流密度为：时，通过该异质结的电流密度为：211020120()exp()1pnnpnpDDqVJJJq
35、npLLk T式中：式中：D Dn1n1、L Ln1n1分别为窄禁带半导体中电子的扩散系数和扩散长度；分别为窄禁带半导体中电子的扩散系数和扩散长度；D Dp2p2、L Lp2p2分别为宽禁带半导体中空穴的扩散系数和扩散长度分别为宽禁带半导体中空穴的扩散系数和扩散长度 n n1010和和p p2020分别为窄禁带半导体（分别为窄禁带半导体（p p型）和宽禁带半导体（型）和宽禁带半导体（n n型）的平衡少型）的平衡少 子浓度。子浓度。上式表明，上式表明，在正向偏压下，异质在正向偏压下，异质pnpn结的电流随电压按指数规律增加。结的电流随电压按指数规律增加。一、低势垒尖峰形异质结的一、低势垒尖峰形异
36、质结的I-VI-V特性特性TkEcJn0expTkEvJp0exp式中的式中的J Jn n、J Jp p 也可用也可用n n区、区、p p区多子浓度区多子浓度n n20 20、p p1010表示：表示：对于由窄禁带对于由窄禁带P P型半导体和宽禁带型半导体和宽禁带n n型半导体形成的异质型半导体形成的异质pnpn结，其结，其E Ec c 和和 E Ev v 都是正值，且比室温时的都是正值，且比室温时的 k k0 0T T 大得多，固有大得多，固有J Jn n J Jp p 。表明表明通过异质结面的电流主要由电子电流构成，而空穴电流所占的比列很小通过异质结面的电流主要由电子电流构成，而空穴电流所
37、占的比列很小。1expexp1expexp002202001011TkqVTkEVqLpqDJTkqVTkEVqLnqDJvDpppcDnnn二、高势垒尖峰形异质结的二、高势垒尖峰形异质结的I-VI-V特性特性 高势垒尖峰形异质高势垒尖峰形异质pnpn结：结：n n区的势垒尖峰顶较区的势垒尖峰顶较P P区导带底高得多。区导带底高得多。其能带结构如图所示：其能带结构如图所示：n n区的势垒尖峰顶较区的势垒尖峰顶较P P区导带底高得多，那么区导带底高得多，那么n n区扩散向结区扩散向结面处的电子，只有能量高于势垒尖峰的才能通过发射机制进入面处的电子，只有能量高于势垒尖峰的才能通过发射机制进入P P
38、区，可以采用区，可以采用热热电子发射模型来处理电子发射模型来处理。二、高势垒尖峰形异质结的二、高势垒尖峰形异质结的I-VI-V特性特性施加正偏压时，通过该异质施加正偏压时，通过该异质pnpn结的总电流密度为结的总电流密度为:1/202212120*000()exp()exp()exp()2Dk TqVqVqVJJJqnmk Tk Tk T式中式中 J J1 1为为P P区注入到区注入到N N区的电子流形成的电流；区的电子流形成的电流；J J2 2为为N N区注入到区注入到P P区的电子流区的电子流形成的电流；形成的电流；m m*=m m*1 1=m m*2 2。在正向偏压时，由在正向偏压时，由
39、P P区注入区注入n n区的电子流很小，式中第二项可以略去，该区的电子流很小，式中第二项可以略去，该异异质质pnpn结的正向电流主要由从结的正向电流主要由从n n区注入区注入p p区的电子流形成区的电子流形成，上式可简化为：，上式可简化为：200exp()exp()qVqVJk Tk T利用发射模型所得到的结果同样是利用发射模型所得到的结果同样是正向电流随电压按指数关系增加正向电流随电压按指数关系增加。三、穿通势垒尖的隧道模型三、穿通势垒尖的隧道模型隧道模型隧道模型：势垒尖的厚度有限，电子无须具有高出整个势垒尖的厚度有限，电子无须具有高出整个“尖峰顶尖峰顶”的能量的能量就能够以隧穿的方式由就能
40、够以隧穿的方式由N N区进入区进入P P区。区。隧道模型的隧穿电流等于隧穿几率与入射电子流的乘积，可表示为：隧道模型的隧穿电流等于隧穿几率与入射电子流的乘积，可表示为：()exp()SaJJTAV式中：式中：T T为隧穿几率；为隧穿几率；J JS S(T)(T)是与温度有微弱关系的常数；是与温度有微弱关系的常数；A A是与温度无关的常数；是与温度无关的常数；V Va a为外加偏压。为外加偏压。三、穿通势垒尖的隧道模型三、穿通势垒尖的隧道模型 从图中看出，在从图中看出，在N N区中只有能量达到三角形势垒底部的电子才有可能以隧区中只有能量达到三角形势垒底部的电子才有可能以隧道的方式穿透势垒尖而进入
41、道的方式穿透势垒尖而进入P P区，所以，当正向电压较小时，只有少量的电子区，所以，当正向电压较小时，只有少量的电子能达到势垒尖区，总电流受热电子发射电流的限制，其数值较小；当正向电能达到势垒尖区，总电流受热电子发射电流的限制，其数值较小；当正向电压很大时，大量电子都能到达势垒尖区，总电流受隧道效应的限制。压很大时，大量电子都能到达势垒尖区，总电流受隧道效应的限制。在异质结的正向伏安特性曲线上存在一个转折点，在转折点的左边，曲在异质结的正向伏安特性曲线上存在一个转折点，在转折点的左边，曲线的斜率与温度有关，是热电子发射或扩散机制；在转折点右边，曲线的斜线的斜率与温度有关，是热电子发射或扩散机制；
42、在转折点右边，曲线的斜率与温度无关，是隧道机制。率与温度无关，是隧道机制。三、穿通势垒尖的隧道模型三、穿通势垒尖的隧道模型 在实际计算中还应考虑能带结构对于在实际计算中还应考虑能带结构对于I-VI-V特性的影响，如：特性的影响，如：(1)(1)积累层的作用；积累层的作用；(2)S (2)S形伏安特性。实质上形伏安特性。实质上S S形伏安特性是耿氏谷间散射的逆过程。形伏安特性是耿氏谷间散射的逆过程。(3)(3)界面态的影响。当界面界面态的影响。当界面态态密度较小时，界面态作为复合中心；密度较小时，界面态作为复合中心；当界面当界面态态密度较大时，它将改变能带的形状，形成背对背串联的肖特基二密度较大时，它将改变能带的形状，形成背对背串联的肖特基二极管结构。极管结构。谢谢 谢谢
