雪体物理学黄尾第七章半辱体电予论20050406 §7.8异质结 同质结:由同种半导体材料构成的N区或P区,形成的PN结。如将两块带隙宽度相同、掺杂不 同的半导体材料,在一定的条件下生长在一起形成同质结。 异质结:两种带隙宽度不同的半导体材料生长在同一块单晶上形成的结。 同型异质结:结的两边导电类型相同:NN,PP结 异型异质结:结的两边导电类型不相同:NP,PN结 对于异型异质结:两种材料的带隙不同,左边为N型,右边为P型,如图XCH007_021所示 XCHOD7 021 XCHO070210 Ea AEC EI E EF? Egl Ep EI fAEv Er fAEy E 两种半导体材料构成异质结前的能级图如图ⅩCH007021所示 由于N型何P型半导体材料的费密能级不同,接触以后N型材料中电子流向P型材料中,最 后达到平衡时,两种材料的费密能级相等。 两种半导体材料构成异质结后的能级图如图ⅩCH00702101所示。 两种半导体材料组成异质结后,在界面处导带底和价带顶是不连续的,其差值分别为: Z1-x AE=(x1+E1)-(x2+E2) AEy=Egl-Eg2+Ec PN结势垒的形成 由于两种材料的费密能级不同,形成异质结时,电子从高费密能级材料流向低费密能级材料, 形成PN结势垒。形成异质结时,能带在界面处间断,在势垒的一侧出现尖峰,另一侧出现峡谷。 REVISED TIME: 0S-6-2 CREATED BY XCH
固体物理学_黄昆_第七章 半导体电子论_20050406 §7.8 异质结 同质结：由同种半导体材料构成的 N 区或 P 区，形成的 PN 结。如将两块带隙宽度相同、掺杂不 同的半导体材料，在一定的条件下生长在一起形成同质结。 异质结：两种带隙宽度不同的半导体材料生长在同一块单晶上形成的结。 同型异质结：结的两边导电类型相同：NN，PP 结 异型异质结：结的两边导电类型不相同：NP，PN 结 —— 对于异型异质结：两种材料的带隙不同，左边为 N 型，右边为 P 型，如图 XCH007_021 所示。 两种半导体材料构成异质结前的能级图如图 XCH007_021 所示。 —— 由于 N 型何 P 型半导体材料的费密能级不同，接触以后 N 型材料中电子流向 P 型材料中，最 后达到平衡时，两种材料的费密能级相等。 两种半导体材料构成异质结后的能级图如图 XCH007_021_01 所示。 两种半导体材料组成异质结后，在界面处导带底和价带顶是不连续的，其差值分别为： ∆EC = χ1 − χ 2 ( ) ( ) ∆EV = χ1 + Eg1 − χ 2 + Eg 2 ∆EV = Eg1 − Eg 2 + ∆EC PN 结势垒的形成 —— 由于两种材料的费密能级不同，形成异质结时，电子从高费密能级材料流向低费密能级材料， 形成 PN 结势垒。形成异质结时，能带在界面处间断，在势垒的一侧出现尖峰，另一侧出现峡谷。 REVISED TIME: 05-6-2 - 1 - CREATED BY XCH
雪体物理学黄尾第七章半辱体电予论20050406 如图XCH007022所示 XCH007022 MEC 异质结的“注入比” E 注入到P区的电子电流密度 Ev E Jn=-qnp(eql/kgT -\yve 注入到N区的空穴电流密度:jn=-9p(e-1) 热平衡条件:n0P=NNe 同质PN结注入比:=DLnn2LDyn Jp DpLn pn Jp Dpl, 异质PN结注入比:=D2Lnn DL Un DL.N.Ey-EeDe 如果N型区的带隙宽度大于P型区带隙宽度,即使两边掺杂浓度差不多时,可以获得很高的 注入比一一决定晶体管的电流放大系数、激光器的注入效率和阈值电流。 光生伏特效应一一太阳能电池 利用扩散掺杂的方法,在P型半导体的表面形成 XCH007024 个薄的N型层,在光的照射下,在PN结及其附近 产生大量的电子和空穴对,在PN结附近一个扩散 教3返减(Nc9 ●●● 子将运动到N型区,空穴将运动到P型区,使N区 带负电、P区带正电,在上下电极产生电压-—光 生伏特效应。如图XCH07024所示。 异质结的“窗囗效应” REVISED TIME: 0S-6-2 CREATED BY XCH
固体物理学_黄昆_第七章 半导体电子论_20050406 如图 XCH007_022 所示。 异质结的“注入比” 注入到 P 区的电子电流密度： n qV k T n n P L D j qn e B ( 1) 0 / = − − 注入到 N 区的空穴电流密度： p qV k T p p N L D j qp e B ( 1) 0 / = − − 热平衡条件： k T E B g n p N N e − 0 0 = − + 同质 PN 结注入比： 0 0 N P p n n p p n p n D L D L j j = ， A D p n n p p n N N D L D L j j = 异质 PN 结注入比： 0 0 N P p n n p p n p n D L D L j j = ( ) ( ) g N g P B E E n D n p k T p p n A j N D L e j D L N − = —— 如果 N 型区的带隙宽度大于 P 型区带隙宽度，即使两边掺杂浓度差不多时，可以获得很高的 注入比——决定晶体管的电流放大系数、激光器的注入效率和阈值电流。 光生伏特效应——太阳能电池 利用扩散掺杂的方法，在 P 型半导体的表面形成一 个薄的 N 型层，在光的照射下，在 结及其附近 产生大量的电子和空穴对，在 结附近一个扩散 长度内，电子－空穴对还没有复合就有可能通过扩 散达到 PN 结的强电场区域（ 结自建电场），电 子将运动到 N 型区，空穴将运动到 P 型区，使 N 区 带负电、P 区带正电，在上下电极产生电压 —— 光 生伏特效应。如图 XCH007_024 所示。 PN PN PN 异质结的“窗口效应” REVISED TIME: 05-6-2 - 2 - CREATED BY XCH
雪体物理学黄尾第七章半辱体电予论20050406 光子能量小于宽带隙的N型层,即hv<(E2)x,可以透过N型层,在带隙较窄的P型层被吸收 质结的“窗囗效应” 用同质PN结制作光电池,入射光的大部分在表面 层被吸收,由于表面缺陷引起的表面复合和高掺 杂层中载流子寿命低等因素,使得一些电子一空穴 Attenuation 对不能到达强电场以前,就发生了复合,降低了太 阳能电池的效率。利用异质结的窗口效应,可以有 效地减小电子一空穴的复合率,提高太阳能电池的 光电转换效率。如图XCH007023所示 XCH007023 REVISED TIME: 0S-6-2 CREATED BY XCH
固体物理学_黄昆_第七章 半导体电子论_20050406 光子能量小于宽带隙的 N 型层，即 h Eg N ν < ( ) ，可以透过 N 型层，在带隙较窄的 P 型层被吸收。 —— 异质结的“窗口效应” 用同质 结制作光电池，入射光的大部分在表面 一层被吸收，由于表面缺陷引起的表面复合和高掺 杂层中载流子寿命低等因素，使得一些电子－空穴 对不能到达强电场以前，就发生了复合，降低了太 阳能电池的效率。利用异质结的窗口效应，可以有 效地减小电子－空穴的复合率，提高太阳能电池的 光电转换效率。如图 XCH007_023 所示。 PN REVISED TIME: 05-6-2 - 3 - CREATED BY XCH