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半导体能带工程

半导体能带工程. 1. 半导体固溶体定义： 两种或两种以上同一类型的半导体材料组成的合金。 可看成是两种或两种以上的材料通过互溶方式形成 ，每种材料的含量用组分表示。 Si x Ge 1-x ; Si 0.4 Ge 0.6 ： Si ： 0.4 ， Ge ： 0.6 GaAs x P 1-x ; GaAs 0.3 P 0.7 ： GaAs ： 0.3 ， GaP ： 0.7 In x Ga 1-x N; In 0.2 Ga 0.8 N ： InN ： 0.2 ， GaN ： 0.8

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半导体能带工程

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Presentation Transcript

  1. 半导体能带工程 1.半导体固溶体定义： 两种或两种以上同一类型的半导体材料组成的合金。 可看成是两种或两种以上的材料通过互溶方式形成，每种材料的含量用组分表示。 SixGe1-x; Si0.4Ge0.6 ：Si：0.4，Ge：0.6 GaAsxP 1-x ; GaAs0.3P 0.7：GaAs：0.3，GaP：0.7 InxGa 1-x N; In0.2Ga0.8 N： InN：0.2，GaN：0.8 AlxInyGa 1-x-y N; Al0.1In0.3Ga 0.6N：AlN：0.1，InN：0.3，GaN：0.6

  2. 2、固溶体的基本特征 性质一般会随组份比的变化而连续变化。 能带结构，载流子迁移率、折射率， 等。 （1）晶格常数服从Vegard关系：某种晶体的晶格常数等于所组成化合物晶格常数乘于其所占的比例之和 两种化合物组成： α(GaAsxP1-x)=xαGaAs+(1-x)αGaP 三种化合物组成: α(AlxInyGa 1-x-y N)=xαAlN + yαInN+(1-x-y)αGaN 通过对固溶体晶格常数的测定，可以确定固溶体的组分。

  3. （2）能带结构是其组分的函数： 某些固溶体的禁带宽度可表示为组分比的线性函数： EgAB=xEgA+（1-x）EgB EgABC=xEgA+yEgB +（1-x-y）EgC 某些固溶体的禁带宽度随组分变化偏离线性规律， 可用模型表示： Eg=a+bx+cx2 GaxInyP：1.351+0.643x+0.786 x2 裁剪材料的能带结构， 对特定固溶体禁带宽度随组分的变化关系研究。

  4. 3、固溶体的禁带展宽与跃迁类型的转变 同类型的半导体材料的禁带宽度随组成元素的平均原子序数的增加而减小。 EgInN＜EgGaN＜EgAlN。 EgGaAs＜EgGaP 1.9＜3.4 ＜6.2 1.43＜2.3 用一种较窄的直接带隙材料和一种较宽的间接带隙材料，通过组分比的控制，制备出一种较宽的直接带隙材料。 GaAs:直接带隙，GaP：间接带隙 GaAsxP1-x: 直接带隙可接近2.0eV InP：直接带隙 1.33 eV GaP: 间接带隙 GaxIn1-x P: 直接带隙可接近2.2eV

  5. B B A 半导体量子阱和超晶格 1、量子阱和超晶格定义 单量子阱：两种禁带宽度不同的材料A和B构成的背靠背异质结B/A/B。B的禁带宽度大于A。在材料A的厚度小于电子的平均自由程时，电子被约束在材料A中，构成量子阱。 B：势垒层，A：势阱层 电子平均自由程： 面电子密度：ns ,cm-2 多量子阱：将禁带宽度不同的两种薄层材料周期性的 交叠在一起。势垒层的厚度可使势阱中的电子不能 穿透势垒层进入另一个势阱。 载流子的德布罗意波长： 半导体超晶格：量子阱势垒层的厚度较薄，相邻的势阱中的电子波函数之间能够互相重叠。 周期厚度（L）= 阱层厚度（Lw）+垒层厚度（LB） 量子阱周期数

  6. p n 2、量子阱和超晶格分类： （1）晶格匹配量子阱与超晶格，应变量子阱与超晶格：按材料 的晶格匹配程度来分 晶格失配度：（αA-αB）/αB 晶格匹配：两种材料失配度小于0.5% 晶格失配：失配度大于0.5% 应变量子阱与超晶格：通过薄层双方或一方的晶格常数的有限改变来补偿晶格失配的应力。一般应变层的厚度十分有限。 临界厚度：应变量子阱与超晶格的厚度超过一定值时，在界面处产生失配位错，晶体质量变差。 （2）固定组分量子阱与超晶格、组分渐变量子阱与超晶格，以及调制掺杂量子阱与超晶格。 调制掺杂量子阱与超晶格：用同一种材料，通过使用不同的掺杂来调制其能带结构，形成量子阱和超晶格。电子和空穴被束缚在不同导电类型的薄层内。

  7. E3 E2 E2 E1 E1 （3）根据组成材料在结合处的能带匹配情况： 第1类量子阱与超晶格：电子和空穴均被束缚在统一薄层中。对电子和空穴，材料A都是势阱，材料B都是势垒。 第2类量子阱与超晶格：两种材料分别是一种载流 子的势阱和势垒。 3、量子阱与超晶格中的电子状态： 导带势垒高度：ΔEc；价带势垒高度：ΔEv ΔEg =ΔEc+ΔEv 量子化能级的间距反比于量子阱宽度Lw的平方，量子阱越窄， 量子化效应越明显，当Lw宽一定程度时（约几十nm），量子效 应消失。

  8. 在将半导体体材料的能带分裂成一系列的子能带。在将半导体体材料的能带分裂成一系列的子能带。 特点：1、电子和空穴均被束缚在一薄层中 2、块状半导体的连续的能带变成了量子化能级或被子禁带隔开的一些子能带。这些量子化能级或子能带的间距与量子阱宽Lw的平方成反比 3、由于量子化能级或子能带的基态离开了导带底和价带顶，半导体的有效禁带宽度增大，而且随Lw减小，有效宽度变大。 4、势阱中自由电子和空穴的激子束缚能增大，激子跃迁强度增加，激子束缚能约是体材料中激子束缚能的4倍，强度增加可达30-40倍。 自由激子： 量子阱中的激子：

  9. 异质结 1、异质结定义： 同质结：由导电类型相反的同一种半导体材料组成的结构。 异质结：由两种不同的半导体单晶材料组成的结构。 2、异质结分类： 根据材料的导电性： 反型异质结：两种半导体材料的导电类型相反： p-n Ge-GaAs；（p）Ge-（n）GaAs； p-nGaN-AlGaN；（p）GaN-（n）AlGaN 同型异质结：两种半导体材料的导电类型相同： n-n GaN- AlGaN；（n）GaN-（n）AlGaN

  10. 2、异质结的能带图：不考虑界面态时 半导体的功函数：真空中静止电子与 半导体费米能级之差。 W=E0-EFs E0：真空中静止电荷的能量； EFs：半导体费米能级 功函数（W）:一般为几个电子伏特， 与杂质浓度有关。 半导体的电子亲和能：半导体中电子逸出到真空需要的最小能量。 χ= E0-Ec 功函数和电子亲合能反映了电子在半导体中束缚的强弱，W或χ越大，电子越不容易逸出半导体。

  11. （1）突变反型异质结能带图： ΔEc= χ1-χ2 （9-4） ΔEv=（χ2+Eg2）-（χ1+Eg1） = （Eg2-Eg1）-（χ1-χ2 ） （9-5） ΔEc+ΔEv= Eg2-Eg1（9-6） 接触后： 发生载流子扩散运动； 形成空间电荷区（势垒区）； 形成内建电场：由n指向p； 平衡时： 空间电荷区宽度一定， 内建电场强度一定。 具有统一的费米能级

  12. P-n结：势垒高度qVD=EFn－EFp 异质结势垒高度（接触电势能差）： qVD = EF2-EF1 = W1-W2 ；（9-3） 接触电势差： VD= VD1+VD2 能带在交界面不连续，出现突变， n型形半导体导带在交界面出现“尖峰”， p型半导体在交界面出现“凹口”。 ΔEc= χ1-χ2 （9-4） ΔEv=（χ2+Eg2 ）-（χ1+Eg1） = （Eg2-Eg1）-（χ1-χ2 ）（9-5）

  13. qVD = EF2-EF1 = W1-W2 ；VD= VD1+VD2 ΔEc= χ1-χ2 ΔEv=（χ2+Eg2 ）-（χ1+Eg1） = （Eg2-Eg1）-（χ1-χ2 ）

  14. （2）突变同型异质结： n型半导体：在禁带小的一边形成电子的积累层，在禁带宽度大的一边 形成耗尽层。 P型半导体：在禁带宽度小的一边形成空穴积累层，在禁带宽度大的一边形成耗尽层。

  15. 2、突变反型异质结的接触电势差及势垒宽度：2、突变反型异质结的接触电势差及势垒宽度： 对于p-n结：qVD = EF2-EF1 = W1-W2 VD= VD1+VD2 XD =（x0-x1）+（x2-x0）= d1 +d2 （9-12） p掺杂浓度为NA1，n掺杂浓度为ND2； q NA1（x0-x1）= q ND2 (x2-x0 ) (9-13 ) ( x0-x1 ) / ( x2-x0 ) = ND2/ NA1 (9-14) 势垒区正负空间电荷区的宽度和 该区的杂质浓度成反比。 势垒区宽度计算公式：（9-36） VD1=ε2 ND2 VD /ε1 NA1+ε2 ND2 （9-39） VD2=ε1 NA1 VD /ε1 NA1+ε2 ND2 （9-40） VD1 / VD2=ε2 ND2 /ε1 NA1（9-41）

  16. 突变反型异质结的势垒电容：公式（9-52） 3、突变同型异质结的若干公式： VD1：公式（9-56） VD2：公式（9-56） C：公式（9-58）

  17. 4、突变反型异质结的电流电压特性： 扩散模型、发射模型、发射-复合模型 隧道模型、隧道-复合模型 负反向势垒：尖峰低于导带底 正反向势垒：尖峰高于导带底扩散模型：负反向势垒： 公式（9-63） 正反向势垒：公式（9-69）发射-复合模型：公式（9-70）

  18. 经验公式：J= JsT [exp（qV/mK0T）-1]

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