光电子器件第二章半导体异质结.ppt

* 2.6 异质结的特性 高注入比 超注入现象 异质结对载流子和光场的限制作用 * 异质结的双限制效应 对载流子的限制 对光场的限制 * 作业 各种不同异质半导体在接触之前的能带图如下页各图显示，请分别画出在不同情形之下的、当两种异质材料接触后的能带图。 * Ec1 Ev1 EF1 Ec2 Ev2 EF2 Ec1 Ev1 EF1 Ec2 Ev2 EF2 Ec1 Ev1 EF1 Ec2 Ev2 EF2 Ec1 Ev1 EF1 Ec2 Ev2 EF2 (1) (2) (3) (4) * 金属半导体接触 对于p型半导体在何时形成Schottky接触，在何时形成ohm 接触？ 对于n型半导体在何时形成Schottky接触，在何时形成ohm 接触？ * eVA-p eVA-N eVbi-p eVbi-N 外加正偏压下pN异质结能带图的变化 外加正向偏压VA后 VA = VA-p+VA-N e(Vbi-p -VA-p) e(Vbi-N -VA-N) * 外加偏压下的内建电势差 (1) (2)两式相除，根据耗尽区内电中性条件，可以得到： 外加偏压下p区和N区的内建电势差分别变化为： 由前面平衡态下的推导过程可以知道， 其中x’p 和x’N和外加偏压后p、N区的耗尽宽度 外加电压分配比与内建电势分配比相同。 * 因为： 令： 外加偏压在异质结两边的分配 所以： 在下面的伏安特性推导时，我们将 ? 命名为理想因子 * 外加偏压下的空间电荷区宽度 在外加偏压下，空间电荷区宽度： 由前面平衡态下的推导过程可以知道， 在外加偏压下，只需将公式中的Vbi换成Vbi-VA即可。 * 异质pN结的伏安特性 扩散模型 热电子发射模型 尖峰隧穿模型 与同质结的伏安特性的推导过程加以对比。 由于异质结能带的不连续性，采用如下模型： * 扩散模型 原因：界面处能带的断续，导致两种载流子越过结时所克服的能量是不同的。 在反型异质结中只有一种载流子起主要作用： 主要思路： 根据电流连续性原理，求解界面处电流 扩散模型的电流是由于在界面处两侧向对面扩散的载流子数目的对比变化而引起的。 确定界面两侧的载流子浓度。 进而求出界面处的扩散流密度。 在pN异质结中： 在Pn异质结中： 为电子 为空穴 （见刘恩科教材p295） * 高势垒尖峰 低势垒尖峰 两种pN异质结能带图 对于高势垒尖峰情况，如势垒尖峰顶较p区导带底高很多，则由n区扩散向结处的电子只有能量高于势垒尖峰的电子才能通过发射机制进入p区，故异质结电流主要由电子的发射机制决定。 对于底势垒尖峰的情况，由n区扩散向结处的电子可以通过扩散机制越过尖峰势垒进入p区，异质结电流主要由电子的扩散机制决定。 * e(Vbi-p -VA-p) e(Vbi-N -VA-N) n(E) Ee p(E) Eh 外加正偏压前后pN能带图 以及多数载流子的能量分布 * 扩散模型 在热平衡时，由图可看出，从n型区导带底到p型区导带底的电子势垒高度为： 根据玻尔兹曼统计分布，可得p型半导体中少数载流子浓度n10与n型半导体中多数载流子浓度n20的关系为： ……1 ……2 （1）求解 n型区注入到p型区的电子扩散电流密度 * 取pN结交界面处x=0，当异质结外加电压为V时，设p区和n区的势垒边界分别为-x1和x2，p型半导体－x1处的少数载流子浓度为n1(-x1)，如果忽略势垒区载流子的产生与复合，则n1(-x1)与n型半导体中多数载流子浓度n20间的关系为： ……3 * 在稳态情况下，p型半导体中注入的少数载流子运动的连续性方程为： 其通解为： 式中，Dn1和Ln1分别为p型区少数载流子－电子的扩散系数和扩散长度 ……4 ……5 * 应用边界条件： （1）当 时 可得 A＝0 （2）当x＝－x1时，将（3）式代入（5）式，得 ……6 * 将A和B代入（5）式通解中，得 从而得到电子扩散电流密度 ……7 ……8 此式为 由n型区注入到p型区的电子扩散电流密度 * （2）求解 p型区注入到n型区的空穴扩散电流密度 在热平衡时，由图可看出，从p型区价带顶到n型区价带顶的空穴势垒高度为： 根据玻尔兹曼统计分布，可得n型半导体中少数载流子空穴的浓度p20与p型半导体中多数载流子浓度p10的关系为： ……9 ……10 * 当异质结外加电压为V时，空穴的势垒降低为： ……11 在n区x=x2处的空穴浓度增加为： * 与前相同，求解扩散方程并应用边界条件，得： 从而得到空穴扩散电流密度 ……12 ……13 此式为 由n型区注入到p型区的电子扩散电流密度， 式中，Dp2和Lp2分别表示n型区空穴的扩散系数和扩散长度 * （3）通过异质