：电子的亲和能
W：电子的功函数 Eg：禁带宽度
两种半导体紧密
接触时，电子
（空穴）将从
n(p)型半导体流
向p(n)型半导体，
直至费米能级相
P型
N. 型
等为止。
5
5.1 异质结及其能带图
（1）不考虑界面态时的能带图 突变反型(pn)异质结能带图（形成异质结后）
交界面两边形成空间电 荷区(x1-x2)，产生内建电 场。
EcEv0.76eV
交界面两侧半导体中的 内建电势差VD1,VD2由掺 杂浓度、空间电荷区 （势垒区）宽度和相对 . 介电常数共同决定。 8
5.1 异质结及其能带图
（1）不考虑界面态时的能带图 突变反型(np) 异质结能带图
N型
P型
形成异质结前
.
N型
P型
形成异质结后 9
5.1 异质结及其能带图
异质结具有许多同质结所所不具有的特性，往往具 有更高的注入效率。
反型异质结：由导电类型相反的两种不同的半导体 单晶材料构成。如：p-nGe-GaAs（p型Ge与n型GaAs）
同型异质结：由导电类型相同的两种不同的半导体 单晶材料构成。如：n-nGe-GaAs（n型Ge和n型GaAs）
异质结的能带图对其特性起着重要作用。在不考虑
导带阶 Ec 12
价带阶
E v E g 2 E g 1 1 2
E c E vE g2E g1
以上式子对所有突变异
P型
N型.
质结普适 7
5.1 异质结及其能带图
（1）不考虑界面态时的能带图 突变p-nGe-GaAs异质结能带图
n-GaAs
Ec 0.07eV
Ev 0.69eV
界面态的情况下，任何异质结的能带图都取决于形
成异质结的两种半导体的电子亲和势、禁带宽度以
及功函数。功函数随杂质浓度的不同而变化。
.
3
5.1 异质结及其能带图
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 材料的过渡发生于几个扩散长度范围内。
两种半导体材料的介电
常数不同，因此内建电
场在交界面处(x0)不连续。
空间电荷区中的能带特
点：1）能带发生弯曲，
尖峰和势阱，2）能带在
交界面处不连续，有一
P型
N型.
个突变。
6
5.1 异质结及其能带图
（1）不考虑界面态时的能带图
突变反型(pn)异质结能带图（形成异质结后）
内建电势差VD
qD VqD V 1qD V 2EF2EF1 W 1W 2
课程主要内容：
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章
半导体光电材料概述 半导体物理基础 PN结 金属-半导体结 半导体异质结构 半导体太阳能电池和光电二极管 发光二极管和半导体激光器 量子点生物荧光探针
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1
第五章 半导体异质结构
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2
5.1 异质结及其能带图
异质结：由两种不同的半导体单晶材料组成的结。
化合物半导体形成的异质结中，由于化合物 半导体中成分元素互扩散，也会引入界面态。
.
17
5.1 异质结及其能带图
（3）突变反型异质结的接触电势差及势垒区宽度
不考虑界面态，以突变pn异质结为例。 设p型和n型半导体中杂质均匀分布，浓度分别为NA1和ND2.
势垒区正负空间电荷区宽度：d1=x0-x1, d2=x2-x0
11
5.1 异质结及其能带图
（2）考虑界面态时的能带图
制造突变异质结时，通常在一种半导体材料上生长 另一种半导体单晶材料，或采用真空蒸发技术。
两种半导体材料之间的晶格失配：2(a2-a1)/(a1+a2)， a1,a2为两种半导体的晶格常数。
异质结中的晶格失配导致两种半导体材料的交界面 处产生了悬挂键，引入了界面态。
接触前
.
接触后12
5.1 异质结及其能带图
（2）考虑界面态时的能带图
若两种半导体材料在交界面处的键密度分别为 Ns1,Ns2，形成异质结后，晶格常数小的材料表面出 现部分未饱和键，突变异质结交界面处的悬挂键密
度：Ns Ns1Ns2
对于两种相同晶体结构材料形成的异质结，交界面
处悬挂键密度Ns取决于晶格常数和作为交界面的
半导体能带图
5.1 异质结及其能带图
（2）考虑界面态时的能带图
当悬挂键（或界面
态）的密度很高时，界
面态电荷产生的电场往
往大于由两种半导体材
ห้องสมุดไป่ตู้
料接触而产生的电势差，
在这样情况下，异质结
的能带图往往由界面态
所引起的能带的弯曲来
决定。
.
15
5.1 异质结及其能带图
（2）考虑界面态时的能带图 （界面态密度很大时）
突变异质结的能带图研究得比较成熟。
异质结的能带图比同质结复杂（禁带宽度，电子 亲合能，功函数，介电常数差异）。
由于晶体结构和晶格常数不同，在异质结交界面
上形成的界面态增加了能带图的复杂性。
.
4
5.1 异质结及其能带图
（1）不考虑界面态时的能带图 突变反型(pn)异质结能带图（形成异质结前）
求解交界面x0两边的泊松方程，得到 势垒区两侧内建电势差为：
P型
XD
N型
VD1qNA1(2x01x1)2 VD2qND2(2x22x0)2
VD VD1 VD2 EF 2 EF1
晶面。
.
13
5.1 异质结及其能带图
（2）考虑界面态时的能带图
+-
对于n型半导体，悬挂键起 受主作用，受主型界面态 施放空穴后带上负电荷， 因此表面能带向上弯曲。
N型 -+
P型
对于p型半导体，悬挂键起 施主作用，施主型界面态 施放电子后带上正电荷， 因此表面能带向下弯曲。
表面能级密度大的
.
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悬挂键 起施主 作用时
pn
np
pp
悬挂键 起受主 作用时
pn
np
.
nn
16
5.1 异质结及其能带图
（2）考虑界面态时的能带图
当两种半导体的晶格常数极为接近时，晶格 间匹配较好，一般可以不考虑界面态的影响。
但在实际中，即使两种半导体材料的晶格常 数在室温时相同，但如果它们的热膨胀系数 不同，在高温下，也将发生晶格失配，从而 产生悬挂键，在交界面处引入界面态。
（1）不考虑界面态时的能带图 突变同型(nn)异质结能带图
形成异质结前
形成异质结后
在同型异质结中，一般必有一边. 成为积累层，一边为耗尽层10 。
5.1 异质结及其能带图
（1）不考虑界面态时的能带图 突变同型(pp)异质结能带图
形成异质结后 .
对于反型异质结， 当1=2， Eg1=Eg2,1=2时， 成为普通的PN结。