• 同理，可得突变同型异质结的能带图
5.1.2 半导体异质结伏安特性
PN同质结的正向电流均以扩散电流为主， 伏安特性表达式为：
I
I
0
exp
qV kT
1
不同能带形式
不同的传输机理
不同伏安特性
在P-N异质结中既有电子势垒又有电子势阱，但当势垒高度 和势阱深度不相同时，异质结的导电机制也有所不同，所 以把这种异质结分为负反向势垒和正反向势垒。
+qVB
-qVn +qVn EF
EF
从N型区导带底到P型区导 带底的势垒高度是
qVD1 qVD2 EC qVD EC
P型半导体中的少数载流子浓度n10与N型半导 体中的多子浓度n20的关系是
n10
n20
exp
qVD
k0T
EC
n1（-x1）与n20的关系为
n1
x1
n20
exp
qVD
n10
Dp2 Lp2
p
20
exp
qV k0T
1
Jp
exp
EV k0T
如果n20和p10在同一个数量级上，则可得
两种半导体的导带底在交界面处的突变量为
Ec 1 2
价带顶的突变量为
Ev (Eg2 Eg1 ) (1 2 ) Eg Ec
由此有
Ec Ev Eg Eg2 Eg1
两种半导体形成异质结后，其内建电势为：
Vbi Eg1 Ec 1 2
x1
2N A1 2 Vbi -V qN D 2 N D 1N
• 两块半导体材料交界处 形成空间电荷区（即势 垒区或耗尽层），n型 半导体为正空间电荷区， p型半导体一边为负空 间电荷区，因不考虑界 面态，势垒区中正空间 电荷数等于负空间电荷 数。
能带发生了弯曲。n型半导体的导带底和价带顶的弯曲量 为qVD2，而导带底在交界面处形成一向上的“尖峰”。P 型半导体的导带底和价带顶的弯曲量为qVD1，而导带底在 交界面处形成一向下的“凹口”；能带在交界面处不连续， 有一个突变。
第 5 章 半导体异质结器件
材料1
材料2
由两种不同材料所构成的结就是异质结。如果这两种材料都是 半导体，则称为半导体异质结；如果这两种材料是金属和半导 体，则称为金属-半导体接触，这包括Schottky结和欧姆接触。
• 半导体异质结可根据界面情况分成三种 • 晶格匹配突变异质结；当两种半导体的晶格常数近似
1 2
x2
1
2N D1 2 Vbi -V 2
qN
A
2
N
D
1NA
耗尽层电容
1
CT
2
2
N
ND D
N A1 2
1N A Vbi
-V
2
对突变同型异质结的能带图分析，下左图为n型的两种 不同半导体材料形成异质结之前的平衡能带图，右图为 形成异质结之后的平衡能带图。当两种半导体材料紧密 接触形成异质结时，由于禁带宽度大的n型半导体的费 米能级比禁带宽度小的高，所以电子将从前者向后者流 动，在禁带宽度小的n型半导体一边形成电子积累层， 另一边形成耗尽层。
x x1 Ln1
从而求得电子的扩散电流密度
J n
qDn1
d
n1x
dx
n10
x x1
qDn1n10 Ln1
exp
qV k0T
1
J P
qDp2
d
p2 x
dx
p20
x x2
qDp2 p20 Lp2
exp
qV koT
1
外加电压V时，通过异质PN结的总电流密度是
J
JnΒιβλιοθήκη JpqDn1 Ln1
5.1.1 半导体异质结的能带突变
• 异质结的两边是不同的半导体材料，则禁带宽度不同， 从而在异质结处就存在有导带的突变量△EC和价带的 突变量△EV。
• 不考虑界面处的能带弯曲作用时的几种典型的能带突 变形式
两种材料禁带交叉的情况 △Ec=EC1-EC2＞0 △Ev=EV2-EV1＞0, △EG=EG1-EG2=△EC+△EV；
两种材料禁带错开的情况 △EC＜0 △EV＞0 △EG=EG1-EG2=△EC+△EV；
禁带没有交接部分的情况 △EC＜0 △EV＞0 △EG=EG1-EG2=△EC+△EV。
能带突变的应用例子： （a）产生热电子 （b）使电子发生反射的势垒 （c）提供一定厚度和高度的势垒 （d）造成一点深度和宽度的势阱。
A
1 2
运用同质结一样的耗尽层近似，可以得出内建 电势在P型区和N型区中的分量：
Vbi1
2ND 2ND 1NA
Vbi
Vbi2
1N A 2ND 1NA
Vbi
在反向偏压或小正向偏压（V<Vbi）情形，P型区和N型区中 的耗尽层宽度公司与同质结相同，分别是
x1
2N A1 2 Vbi -V qN D 2 N D 1N A
相等时，即可认为构成了第一种异质结，这里所产生 的界面能级很少，可以忽略不计。
• 晶格不匹配异质结；当晶格常数不等的两种半导体构 成异质结时，可以认为在晶格失配所产生的附加能级 均集中在界面上，而形成所谓界面态，这就是第二种 异质结。
• 合金界面异质结。第三种异质结的界面认为是具有一 点宽度的合金层，则界面的禁带宽度将缓慢变化，这 时界面能级的影响也可以忽略。
V
k0T
EC
n10
exp
qV k0T
在稳定情况下，P型区半导体中注入的少子的运动连续性方
程是
Dn1
d
2n1 x
dx 2
n1x n10
n1
0
其通解是
Ec 1 2
n1x
n10
A exp
x Ln1
B exp
x Ln1
应用边界条件
n1x
n10
n10
exp
qV k0T
1
exp
负反向势垒P-N异质结——低
势垒尖峰异质结，是势垒尖峰
顶低于P区导带底的异质结。
N区扩散向结处的电子流通过
发射机制越过尖峰势垒进入P
qVDp
区，此类异质结的电子流主要
由扩散机制决定。
正反向势垒PN异质结——高 势垒尖峰异质结，是势垒尖峰 顶高于P区导带底的异质结。 N区扩散向结处的电子中高于 势垒尖峰的部分电子通过发射 机制进入P区，此类异质结电 流主要由电子发射机制决定。
(a)
(b)
(c)
(d)
不考虑界面态时，突变反型异质结能带图。 突变异质结是指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的半导体异质结。
• 在未形成异质结前，p型半 导体费米能级与n型半导体 费米能级不在同一水平
当紧密接触形成异质结时， 电子将从n型半导体流向p 型半导体，同时空穴在于 电子相反的方向流动，直 至两块半导体的费米能级 处于同一能级，形成异质 结。