半导体光电子学第2章 异质结.pptxVIP

异质结异质结是由不同材料组成的两个或多个层次结构叠加在一起的半导体结构。这种结构可以用于制造许多电子器件,如激光二极管、光电二极管等。异质结具有独特的电学和光学性能,在现代电子和光电子技术中扮演着重要的角色。ＯabyＯＯＯＯＯＯＯＯＯ

2.1异质结的概念定义异质结是由不同半导体材料制成的PN结构,具有不同的电子带隙和晶格常数,为异质界面带来了特殊的电子和光学性质。特点异质结具有能量带失配、空间电荷区和载流子限制等特点,可以产生独特的电子和光学行为。应用异质结广泛应用于光电子器件、高频高功率器件和新型存储器件等领域,成为半导体技术的重要组成部分。

2.1.1异质结的定义异质结是由两种或多种不同的半导体材料组成的连接结构。其中一个半导体层的禁带宽度和能量结构与另一个半导体层不同。这种突然的能带失配和空间电荷区的形成是异质结的核心特征。

2.1.2异质结的特点跨越两种不同材料界面的能量带不连续性，会产生独特的电子以及光学性质晶格失配引起的机械应力，会产生缺陷和畸变，影响器件性能异质结界面处可能出现空间电荷区，影响载流子的输运特性

异质结的能带结构异质结是由不同半导体材料组成的结构,其能带结构存在显著差异。这种能带不连续性可以产生空间电荷区,影响载流子输运过程,从而应用于各种新型电子器件。

2.2.1能带不连续性异质结中存在着能带不连续性,即导带和价带在两种材料界面处出现突然的能量变化。这种能量差距会导致电子和空穴在异质界面处产生反射和阻挡,影响载流子的输运特性。能带不连续性分为导带不连续性和价带不连续性两种形式。在设计异质结时,需要充分考虑这一特性,合理设计能带结构,以优化器件性能。

能带失配异质结中存在着能带失配的现象。这意味着异质界面处的两种材料能带结构并不连续,会形成一些能带失配。能带失配会导致空间电荷区的形成,对载流子输运产生重要影响。能带失配大小取决于两种异质材料的化学成分和结构差异。合理设计能带失配有利于提高器件性能,如在异质结电子器件中利用能带失配设计出量子阱等结构。

2.2.3空间电荷区异质结中由于材料性质的差异,会在结界面处形成一个含有大量载流子的空间电荷区。这个空间电荷区具有重要的物理特性：它会产生内建电场，影响载流子的输运过程。它还会引入如电容效应等电路特性，在高频工作时非常重要。空间电荷区的分布和大小决定了异质结的能带结构和性能。

异质结的载流子输运异质结中载流子的输运方式主要包括热电子发射、隧穿和复合-重复过程。这些输运机制决定了异质结器件的性能和应用。掌握这些基本概念将有助于更好地理解和设计异质结电子器件。

2.3.1热电子发射热电子发射是一种重要的异质结载流子输运机制。当异质结界面受热时，高能热电子可以从价带中逃逸并跨越势垒进入导带，从而实现载流子的注入和输运。这一过程受温度的显著影响，体现了热电子发射的温度依赖性。热电子发射通常出现在金属-半导体接触或半导体异质结中，对于异质结器件的工作性能和可靠性起着关键作用。了解热电子发射机理有助于设计和优化高性能的异质结器件。

2.3.2隧穿在异质结中,载流子如果具有足够的动能,就可以穿越势垒进入另一侧材料。这种现象被称为"隧穿"。隧穿概率受到势垒高度和宽度的影响,是异质结中重要的载流子输运机制之一。通过控制隧穿,可以设计出多种高性能异质结器件。

复合-重复复合-重复是异质结中一种重要的载流子输运机制。当载流子从宽能带半导体跨越到窄能带半导体时，会先发生复合,释放出光子或热量。然后,这些载流子会被窄带隙材料中的势垒阻挡,产生重复的过程。这种复合-重复过程在异质结光电子器件中广泛应用。

常见的异质结器件异质结器件广泛应用于光电子和高频高功率电子领域,包括异质结二极管、异质结三极管和量子阱器件等。这些器件利用异质结的特殊能带结构和载流子输运特性,实现了出色的性能和功能。

2.4.1异质结二极管异质结二极管是由两种不同半导体材料构成的PN结二极管,具有独特的能带结构。异质结二极管可以实现高漏电阻抗、高击穿电压和高开关速度等性能优势。异质结二极管广泛应用于高频放大、高功率开关和光电转换等领域,是重要的电子器件之一。

2.4.2异质结三极管异质结三极管是一种利用不同半导体材料构成的三极管器件。其结构通常由宽能隙半导体基区、窄能隙半导体发射极和狭窄发射极接触区组成。与传统双极型三极管相比,异质结三极管具有高电子迁移率、高击穿电压和低噪声等优点。

2.4.3量子阱器件量子阱器件是一种利用量子效应的半导体器件，它包含多个材料层结构，形成量子阱结构。量子阱器件具有精确的电子能带结构设计和控制，可以实现特殊的电子和光学特性。常见的量子阱器件包括量子阱激光器、量子点太阳电池、量子阱场效应管等，在光电子、存储器、微波通信等领域有广泛应用。

异质结的制备技术异质结器件的制