Dai Xianying
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3.2 异质结的电学特性
3.2.1 突变异质结的I-V特性
突变异质结I-V模型：扩散模型、发射模型、发射-复合模 型、隧道模型、隧道复合模型。 同质结I-V模型：扩散和发射模型
两种势垒尖峰： （a）低势垒尖峰负反向势垒 （b）高势垒尖峰正反向势垒
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3.11 突变同型nn异质结平衡能带图
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3.1 异质结及其能带图
3.1.2 异质结的能带图
2)突变同型异质结能带图
3.12 突变同型pp异质结平衡能带图
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3.1 异质结及其能带图
3.1.2 异质结的能带图
2、考虑界面态时的能带图
Dai Xianying (a)单量子阱
(b)多量子阱
(c)超晶格 化合物半导体器件
3.4 多量子阱与超晶格
多量子阱（a）和超晶格（b）中电子的波函数
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3.4 多量子阱与超晶格
3.4.1 复合超晶格
1、Ⅰ型超晶格
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3.4 多量子阱与超晶格
化合物半导体器件
3.1 异质结及其能带图
3.1.2 异质结的能带图
3、渐变异质结能带图
1）渐变的物理含义 2）渐变异质结的近似分析：能带的叠加 3）渐变能级
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3.1 异质结及其能带图
3.1.3 突变反型异质结的接触势垒差及势垒区宽度
推导过程参考刘恩科等著 《半导体物理》第9章
（以pn异质结为例）
与求解同质pn结相同：由 求解界面两边势垒区的泊 松方程，可得VD及XD
1、势垒区宽度XD 2、接触电势差VD 3、外加电压V 4、np突变异质结
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第三章 半导体异质结
• • • • • 异质结及其能带图 异质结的电学特性 量子阱与二维电子气 多量子阱与超晶格 半导体应变异质结
（以突变异质结为例）
1、不考虑界面态时的能带图（理想状态）
1)突变反型异质结能带图
(a)
(b)
Dai Xianying图3.6 形成异质结之前(a)和之后(b)的平衡能带图 化合物半导体器件
3.1 异质结及其能带图
• 热平衡下的能带图（p-GaAs/N-AlGaAs）
图3.7 异质结pn平衡能带图
3.3.1 调制掺杂异质结构界面量子阱
4、2DEG的高迁移率特性
（1）调制掺杂结构特点 （2）2DEG的特性 （3）应用
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3.3 量子阱与二维电子气
3.3.2 双异质结间的单量子阱结构
双异质结结构： AlxGa1-xAs/GaAs /AlxGa1-xAs，要求 GaAs层足够薄；
1）异质结
2）异质结形成的工艺 3）异质结的类型 4）异质结形成的关键 5）晶格失配
图3.1 III-V族和II-VI族化合物 半导体的禁带宽度和晶格常数
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3.1 异质结及其能带图
6）单位面积的悬挂键数
1 LS LS a2 a1 a2 a1 N ss 2 2 2 LS a1 a2 a12 a2
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图3.8 同质pn结平衡能带图
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3.1 异质结及其能带图
• 热平衡下的能带图
图3.9突变反型np异质结平衡能带图
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3.1 异质结及其能带图
异质结平衡能带的特点： ①能带发生弯曲 ② 能带在界面处不连续，有突变。
Anderson定则（模型）：
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3.2 异质结的电学特性
3.2.1 突变异质结的I-V特性
2、高势垒尖峰（正反向势垒异质结）的I-V特性
特征：势垒尖峰高于p区的EC 1）电流模型：由热电子发射机制决定
2）势垒高度
3）电流密度
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3.2 异质结的电学特性
3.2 异质结的电学特性
3.2.2 异质pn结的注入特性
2.异质pn结的超注入现象
1）超注入现象：由宽禁带半导体 注入到窄禁带半导体中的少子浓度 超过了宽禁带半导体中多子浓度。 2）能带结构：外加足够的正向电压 使结势垒拉平，Ec2>Ec1 3）载流子浓度： n1/n2=exp(Ec2-Ec1)/kT>1
1、导带量子阱中的电子能态
（1）电子在量子阱中的势能V（z） （2）求解薛定谔方程
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3.3 量子阱与二维电子气
3.3.2 双异质结间的单量子阱结构
2、价带量子阱中的空穴能态
（1）二维空穴气：2DHG （2）量子阱中的空穴能态
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3.5 半导体应变异质结
3.5.2 应变层材料能带的人工改性
（以Si1-xGex上生长应变异质Si为例）
1、应变类型 2、晶格类型 3、晶格常数 4、能带结构 5、迁移率： μn、μp均提高 6、应用：沟道长度小于0.1μm的CMOS电路
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3.5 半导体应变异质结
• • • • • 异质结及其能带图 异质结的电学特性 量子阱与二维电子气 多量子阱与超晶格 半导体应变异质结
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3.5 半导体应变异质结
3.5.1 应变异质结
1、应变异质结的形成
2、应用
超过临界厚度后，弛豫Si1-xGex形成
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(a) (b) 图3.8 异型异质结的两种势垒示意图 （a）负反向势垒；（b）正反向势垒
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3.2 异质结的电学特性
1、低势垒尖峰（负反向势垒异质结）的I-V特性
特征：势垒尖峰低于p区的EC
1）电流模型：主要由扩散机制决定
2）载流子浓度
3）电子扩散电流密度Jn 4）空穴扩散电流密度Jp 5）总电流密度J=Jn+Jp 6）Jn、Jp大小对比分析
4）应用：半导体激光器
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第三章 半导体异质结
• • • • • 异质结及其能带图 异质结的电学特性 量子阱与二维电子气 多量子阱与超晶格 半导体应变异质结
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3.3 量子阱与二维电子气
量子阱：能够对电子（空穴）的运动产生某种约束，使其能 量量子化的势场。如量子力学中的一维方势阱、有限势阱。 二维电子气（2DEG）：势阱中的电子在与异质结界面平行的 二维平面内是自由运动，而在垂直异质结界面方向上其能量 是量子化的。
2、势阱中的电子能态
图3.12 量子阱中电子的能量
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图3.13 三角形势阱的示意图
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3.3 量子阱与二维电子气
3.3.1 调制掺杂异质结构界面量子阱
3、2DEG的子带及态密度
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异质结2DEG的电子态密度与能量的关系
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3.3 量子阱与二维电子气
①ΔEC=χ1-χ2 ②ΔEV=(Eg2-Eg1)-(χ1-χ2) = ΔEg- Δχ ③ΔEC+ΔEV = ΔEg
异质结能带的新要点 （特征）：
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图3.10 Anderson模型的ΔEC- Δχ关系
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3.1 异质结及其能带图
3.1.2 异质结的能带图
2)突变同型异质结能带图 界面处：一侧形成耗尽层，一侧形成电子（空穴）积累层
图3.3 晶格失配形成位错缺陷 图3.2 （张）应变Si示意图
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3.1 异质结及其能带图
3.1.2 异质结的能带图
图3.4 半导体能带边沿图
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图3.5 孤立的n型和p型半导体能带图
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3.1 异质结及其能带图
3.1.2 异质结的能带图
1）界面态 2）界面态密度ΔNS
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3.1 异质结及其能带图
2、考虑界面态时的能带图
3）降低界面态 4）界面态的类型 5）巴丁极限
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3.1 异质结及其能带图
2、考虑界面态时的能带图
6）考虑面态影响的异质结能带示意图
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Jn 0.99 Jn J p
同质结的BJT：基区不能太薄，频率特性不高；
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异质结的HBT：基区可以很薄，频率特性很高；
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思考题
• 试分析高势垒尖峰异质结的反向I-V特性。 • 为什么HBT的频率特性比BJT好？
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(a)
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(b) 图3.11 半导体量子阱示意图
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3.3 量子阱与二维电子气
3.3.1 调制掺杂异质结构界面量子阱
1、调制掺杂结构： n+-AlXGa1-XAs(宽禁带）/i-GaAs（窄禁带）
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