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1、第九章第九章 半导体异质结构半导体异质结构异质结异质结：两种不同的半导体单晶材料组成的结：两种不同的半导体单晶材料组成的结内容内容 异质结的能带结构异质结的能带结构 异质异质pn结的电流电压特性结的电流电压特性 异质异质pn结的注入特性结的注入特性 半导体异质结量子阱结构半导体异质结量子阱结构认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目9.1 半导体异质结及其能带图半导体异质结及其能带图根据半导体单晶材料的导电类型根据半导体单晶材料的导电类型异质结异质结反型异质结：导电类型相反反型异质结：导电类型相反同型异质结：导电类型
2、相同同型异质结：导电类型相同反型反型：p-nGe-GaAs 或或(p)Ge-(n)GaAs,n-pGe-GaAs 或或(n)Ge-(p)GaAs,p-nGe-Si,p-nSi-GaAs,p-nSi-ZnS,p-nGaAs-GaP,n-pGe-GaAs 等等9.1.1 半导体异质结的能带图半导体异质结的能带图认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目同型同型：n-nGe-GaAs 或或(n)Ge-(n)GaAs,p-pGe-GaAs 或或(p)Ge-(p)GaAs,n-nGe-Si,n-nSi-GaAs,n-nGaAs-
3、ZnSe,p-pSi-GaP,p-pPbS-Ge 等等禁带宽度较小的半导体材料写在前面禁带宽度较小的半导体材料写在前面异质结也可分为异质结也可分为突变异质结突变异质结和和缓变异质结缓变异质结突变异质结突变异质结：从一种半导体材料向另一种半：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导体材料的过渡只发生于几个 原子距离范围内。原子距离范围内。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目缓变异质结缓变异质结：从一种半导体材料向另一种半：从一种半导体材料向另一种半 导体材料的过渡发生在几个导体材料的过渡发生在几个
4、扩散长度范围内。扩散长度范围内。1.不考虑界面态时的能带图不考虑界面态时的能带图电子亲和能电子亲和能禁带宽度禁带宽度功函数功函数决定异质结的能带图决定异质结的能带图认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目（1）突变反型异质结能带图）突变反型异质结能带图形成突变形成突变pn异质结前的平衡能带图异质结前的平衡能带图真空能级真空能级EV2EC2EF2Eg2W2n2 EVn1 ECEg1EV1EC1EF1认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目形成
5、异质结前形成异质结前p型半导体的费米能级的位置型半导体的费米能级的位置n型半导体的费米能级的位置型半导体的费米能级的位置形成异质结后，平衡时，有统一的费米能级形成异质结后，平衡时，有统一的费米能级认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目形成突变形成突变pn异质结后的平衡能带图异质结后的平衡能带图x1x0 x2 EV 2qVD2 EC认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目突变反型异质结平衡时突变反型异质结平衡时 统一的费米能级统一的费米能级
6、 界面两边形成空间电荷区，正负界面两边形成空间电荷区，正负 内建电场，在界面处不连续内建电场，在界面处不连续 空间电荷区的能带发生弯曲，不连续空间电荷区的能带发生弯曲，不连续 两边均为耗尽层两边均为耗尽层能带总的弯曲量能带总的弯曲量认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目VD 称为接触电势差（内建电势差、扩散电势）称为接触电势差（内建电势差、扩散电势）VD1:p型半导体的内建电势差型半导体的内建电势差VD2:n型半导体的内建电势差型半导体的内建电势差qVD1:n型半导体的导带底或价带顶的弯曲量型半导体的导带底或价带顶
7、的弯曲量qVD2:p型半导体的导带底或价带顶的弯曲量型半导体的导带底或价带顶的弯曲量认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目导带底在交界面处的突变导带底在交界面处的突变价带顶在交界面处的突变价带顶在交界面处的突变 EC 导带阶导带阶 EV 价带阶价带阶认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目np异质结的平衡能带图异质结的平衡能带图 EV ECEC1EV1EV2EC2认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶
8、贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目（2）突变同型异质结能带图）突变同型异质结能带图Eg1Eg2 EC EV形成突变形成突变nn异质结前的平衡能带图异质结前的平衡能带图认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目形成突变形成突变nn异质结后的平衡能带图异质结后的平衡能带图 ECqVD1 EV认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目Eg小的小的n型半导体一边形成了电子的积累层，型半导体一边形成了电子的积累层，另一边形成耗尽层另一边形成耗尽层
9、认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目pp异质结平衡能带图异质结平衡能带图 EV EC认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目2.考虑界面态时的能带图考虑界面态时的能带图引入界面态的主要原因：引入界面态的主要原因：形成异质结的两种半导体材料的形成异质结的两种半导体材料的晶格失配晶格失配晶格常数晶格常数 a1，a2,且且 a1 0,且且kT Jn Jp认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视
10、，已经展开了“精准扶贫”项目高势垒尖峰情形异质高势垒尖峰情形异质pn结结由由n区注入区注入p区的电子电流密度区的电子电流密度由由p区注入区注入n区的电子电流密度区的电子电流密度正向偏压时正向偏压时认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目若若m1*=m2*,则总电子电流密度则总电子电流密度正向偏压时正向偏压时认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目9.3 半导体异质结量子阱结构及半导体异质结量子阱结构及 其电子能态与特性其电子能态与特性9.3
11、.1 半导体调制掺杂异质结构界面量子阱半导体调制掺杂异质结构界面量子阱1.界面量子阱中二维电子气的形成及电子能态界面量子阱中二维电子气的形成及电子能态调制掺杂异质结构调制掺杂异质结构：由宽禁带重掺杂的由宽禁带重掺杂的n型型AlxGa1-xAs和不掺杂的和不掺杂的GaAs组成的异质结。组成的异质结。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目EFGaAsn+-AlxGa1-xAs调制掺杂异质结界面处能带图调制掺杂异质结界面处能带图二维电子气二维电子气在在GaAs近结处近结处形成电子的势阱形成电子的势阱E认识到了贫困户贫困的
12、根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目0zV(z)调制掺杂异质结势阱区内电子势能函数调制掺杂异质结势阱区内电子势能函数认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目GaAs的导带底位于布里渊区中心的导带底位于布里渊区中心 k=0,导带底附近电子的导带底附近电子的 m*各向同性各向同性用分离变量法求解用分离变量法求解认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目认识到了贫困户贫困的根本原因，才能
13、开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目X-y平面内的平面波，对应的能量平面内的平面波，对应的能量电子在电子在 z 方向被局限在几到几十个原子层范方向被局限在几到几十个原子层范围的量子阱中，能量围的量子阱中，能量 Ez 量子化量子化认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目调制掺杂异质结势阱中的电子在与结平行的调制掺杂异质结势阱中的电子在与结平行的平面内作自由电子运动，实际就是在量子阱平面内作自由电子运动，实际就是在量子阱区内准二维运动，称为二维电子气。区内准二维运动，称为二
14、维电子气。二维电子气二维电子气(2DEG)2.二维电子气的子带及态密度二维电子气的子带及态密度异质结势阱中电子的能量异质结势阱中电子的能量认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目子带子带异质结势阱中电子的能量异质结势阱中电子的能量Ei 分量相同时，分量相同时，（kx,ky)取值不同的电子能态组成的一个带。取值不同的电子能态组成的一个带。求子带中的态密度求子带中的态密度设二维电子气在设二维电子气在 x 和和 y 方向的宽度为方向的宽度为 L,则则nx,ny 取整数取整数认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然
15、后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目k与与（k+dk)间的电子态数间的电子态数Ei 取定后取定后认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目二维电子气中单位面积单位能量间隔的子带态密度二维电子气中单位面积单位能量间隔的子带态密度异质结二维电子气的电子态密度异质结二维电子气的电子态密度认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目0zV(z)E1E2E3Ei 在势阱中的位置在势阱中的位置0D(E)E1E2E3ED(E)与
16、能量关系与能量关系认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目3.调制掺杂异质结构中电子的高迁移率调制掺杂异质结构中电子的高迁移率重掺杂重掺杂n型型AlxGa1-xAs和不掺杂的和不掺杂的GaAs形成异质结，其优点形成异质结，其优点 n型型AlxGa1-xAs电子供给区电子供给区 不掺杂的不掺杂的GaAs电子输运区电子输运区 提高了电子迁移率提高了电子迁移率应用于半导体微波和毫米波器件中应用于半导体微波和毫米波器件中异质结高电子迁移率晶体管异质结高电子迁移率晶体管认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病
17、除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目9.3.2 双异质结间的单量子阱结构双异质结间的单量子阱结构1.导带量子阱中电子的能态导带量子阱中电子的能态在在AlxGa1-xAs上异质外延极薄的上异质外延极薄的GaAs,再异质外延较厚的再异质外延较厚的AlxGa1-xAs。单量子阱结构的形成单量子阱结构的形成认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目GaAsAlxGa1-xAsAlxGa1-xAs单量子阱结构的能带图单量子阱结构的能带图不考虑能带弯曲不考虑能带弯曲0zV(z)l/2-l/2 EC电子势能分
18、布电子势能分布认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目势能函数势能函数电子波函数电子波函数认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目电子能量电子能量量子阱中电子在平行于结面内的运动是自由的，量子阱中电子在平行于结面内的运动是自由的，形成了二维电子气形成了二维电子气对电子能量对电子能量 Ez 小于势阱高度小于势阱高度 EC 的束缚态的束缚态阱外阱外认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展
19、开了“精准扶贫”项目阱内阱内Ez EC 时时 电子波函数在势阱区两边的势垒区有一定电子波函数在势阱区两边的势垒区有一定 的穿透深度的穿透深度 在阱内电子取分立能级在阱内电子取分立能级E1,E2,Ei,阱内总有一个束缚态阱内总有一个束缚态 势阱越深，阱内束缚态越多势阱越深，阱内束缚态越多认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目2.价带量子阱中的空穴能态价带量子阱中的空穴能态二维空穴气（二维空穴气（2DHG）单量子阱结构的单量子阱结构的GaAs中空穴处于价带量子阱中，中空穴处于价带量子阱中，在与结平行的面内形成二维空穴气
20、。在与结平行的面内形成二维空穴气。3.量子阱中的激子量子阱中的激子激子激子半导体中电子和空穴因库仑力相互作用而形半导体中电子和空穴因库仑力相互作用而形成的电子、空穴对。成的电子、空穴对。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目体半导体材料中体半导体材料中激子结合能小，在低温、高纯材料中才能观察到激子结合能小，在低温、高纯材料中才能观察到半导体量子阱中半导体量子阱中激子结合能大，在室温下能观察到激子结合能大，在室温下能观察到器件应用中，要求选取晶格匹配的异质结构器件应用中，要求选取晶格匹配的异质结构利用三元或四元合金材
21、料调整材料的晶格常数，利用三元或四元合金材料调整材料的晶格常数，使两种材料的晶格常数非常接近使两种材料的晶格常数非常接近GaAs-AlxGa1-xAs,InP-In0.52Al0.48As认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目9.4 半导体应变异质结半导体应变异质结应变异质结应变异质结在一种材料衬底上外延另种晶格常数不匹配的在一种材料衬底上外延另种晶格常数不匹配的材料时，若两种材料的晶格常数相差不太大，材料时，若两种材料的晶格常数相差不太大，外延层的厚度不超过某临界值时，生长的外延外延层的厚度不超过某临界值时，生长
22、的外延层发生弹性形变，在平行于结面方向产生张应层发生弹性形变，在平行于结面方向产生张应变或压缩应变，使其晶格常数改变为与衬底的变或压缩应变，使其晶格常数改变为与衬底的晶格常数相匹配，同时在与结面垂直的方向也晶格常数相匹配，同时在与结面垂直的方向也产生相应的应变。产生相应的应变。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目弛豫弛豫当外延层的厚度超过临界厚度时，则外延层当外延层的厚度超过临界厚度时，则外延层的应变消失，恢复原来的晶格常数。的应变消失，恢复原来的晶格常数。赝晶生长赝晶生长应变异质结的无界面失配应变层的生长模式。
23、应变异质结的无界面失配应变层的生长模式。赝晶生长的临界厚度随生长温度的升高而减小，赝晶生长的临界厚度随生长温度的升高而减小，随赝晶组分的不同而改变。随赝晶组分的不同而改变。应变异质结的应用应变异质结的应用 扩展了异质结材料的种类扩展了异质结材料的种类 实现材料人工改性实现材料人工改性认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目9.5 半导体超晶格半导体超晶格半导体超晶格半导体超晶格一种人造材料，由交替生长的两种半导体材料一种人造材料，由交替生长的两种半导体材料薄层组成的一维周期性结构，其薄层厚度的真薄层组成的一维周期性结
24、构，其薄层厚度的真气小于电子的平均自由层。气小于电子的平均自由层。生长超晶格的技术生长超晶格的技术MBE,MOCVD理想超晶格结构理想超晶格结构认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目超晶格材料超晶格材料III-V/III-V,IV/III-V,II-VI/II-VI,IV-VI/IV-VI 化合物超晶格材料化合物超晶格材料 元素半导体超晶格材料元素半导体超晶格材料 IV/IV 非晶态半导体超晶格材料非晶态半导体超晶格材料超晶格材料的应用超晶格材料的应用量子阱激光器、量子阱光电探测器、光学双稳量子阱激光器、量子阱光电
25、探测器、光学双稳态器件、调制掺杂场效应晶体管态器件、调制掺杂场效应晶体管认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目超晶格材料的分类超晶格材料的分类成分超晶格成分超晶格：周期性改变薄层的成分。：周期性改变薄层的成分。掺杂超晶格掺杂超晶格：周期性改变同一成分的各薄层中：周期性改变同一成分的各薄层中 的掺杂类型。的掺杂类型。Ga1-xAlxAs/GaAsGaAs Ga1-xAlxAs认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目Ga1-xAlxAs/GaAs 能带图能带图bc EC EVGaAsGa1-xAlxAszZ方向周期性势场为方向周期性势场为认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目n 为整数为整数超晶格中电子运动的方程超晶格中电子运动的方程认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目