最新异质结的能带图3剖析精品课件

1扩散和热电子发射模型的异同。2界面态对能带的影响(yǐngxiǎng)有那些。3异质结的注入比。4什么是超注入现象。第一页，共34页。3.3节界面(jièmiàn)态对突变异质结能带的影响界面态等缺陷(quēxiàn)--------界面能级界面能级--------施主能级受主能级能级位置，分立能级，连续能级电离后带电,界面电荷对能带图产生影响：弯曲方向，势垒高度ICNTERFACEstatescanplayanimportantroleindeterminingtheequilibriumbanddiagramandtheelectricalcharacteristicsofabruptheterojunctions.Fromlatticeconstantconsiderations,interfacestatesupto6x10l3cm-2areexpectedinGe-Sijunctions,while9x1Ol1cm-2areexpectedinGe-GaAsjunctions.第二页，共34页。3.3.1界面(jièmiàn)态密度较小例界面(jièmiàn)态对激光器性能的影响老化实验不影响(yǐngxiǎng)异质结的基本形状FormationofinterfacestatesanddefectsinGaAs-AlxGa1-xAsDHlasersunderroom-temperaturecwoperation*Theactivelayerhadathicknessof0.3mm.ThelasershadthemesastripegeometryandaFabry-Perotcavityofapproximately350x20mm2Thepulsedthresholdcurrentsbeforeagingwerebetween2.4and4kA/cm2Degradationexperimentswereperformedinanitrogengasenvironmentat20°Cwithadccurrent10-20%abovethepulsedthreshold.Theagingtestwasinterruptedperiodicallyandthelasers'characteristicsweremeasured.有源区尺寸阈值电流老化环境测量第三页，共34页。采用(cǎiyòng)的样品第四页，共34页。Thecapacitanceofap-nheterojunction,excludinginterfacestatesanddeep-leveltraps,hasbeengivenbyAnderson第五页，共34页。Theeffectofinterfacestatesonthesingle-heterojunctioncapacitancewasinvestigatedbyDonnellyandMilneswhoobtainedthefollowingexpression:whereQISistheinterfacechargeperunitarea第六页，共34页。thedopinglevelintheactivelayeris2x1017cm-316hdegradation,theslopeofline2remainsessentiallythesameasline1.VD1.58V.QIS=3x1012cm-2.62hdegradation(line3),theslopeisreducedbutthediffusionvoltageremainsunchanged.Thisindicatesanincreaseoftheionizedchargedensitygreaterthan1017cm3intheactivelayer.ThechangesoftheC-Vcharacteristicsshowthatthechargecentersareformedfirstattheinterfaceandthenspreadintotheactivelayer.第七页，共34页。存在类施主(shīzhǔ)界面态时的异质结能带3.3.2界面(jièmiàn)态密度很大p-Nn-Pp-pn-Pp-Nn-N存在类受主界面态时的异质结能带第八页，共34页。电流(diànliú)传输正向(zhènɡxiànɡ)突变反型异质结通过势垒的方式多样，一般不存在多数(duōshù)情况下占主导的机制可能的机制有：扩散发射隧穿复合扩散－发射发射－复合隧穿－复合发射－复合－隧穿多种模型第四章异质结的伏安特性第九页，共34页。4.1突变(tūbiàn)异质结的伏安特性低尖峰势垒由n区扩散向结处的电子流可以通过发射机制越过尖峰势垒进入p区.因此异质pn结的电流主要有扩散机制决定-扩散模型(móxíng).(b)高尖峰势垒由n区扩散向结处的电子,只有能量高于势垒尖峰的才能通过发射机制进入p区,异质pn结的电流主要有电子发射机制决定-发射模型(móxíng).qVD1qVD2ΔECΔEVqVD2第十页，共34页。4.1.1低尖峰(jiānfēnɡ)势垒用扩散模型.电子(diànzǐ)由n型半导体的导带到p型半导体的导带遇到的势垒高度为(qVD-DEc)空穴由p型半导体的价带到n型半导体的价带遇到的势垒高度为(qVD+DEV)1空间电荷区之外半导体是电中性的；2载流子浓度可以用玻尔兹曼统计来近似；3注入的少子密度比多子少得多（小信号情况）；4耗尽层中没有产生复合效应，没有界面态。假设(jiǎshè)：第十一页，共34页。同质(tónɡzhì)P-n结时的情况第十二页，共34页。当外加电压V施加在半导体材料上时，其伏安特性即电压同电流的关系为：I=A[exp(eV/kT)-1]式中A为一常数，e为电子电荷，k为玻尔兹曼常数，T为温度。可以看出电流的大小(dàxiǎo)是随着外加电电压的增大而呈指数形式上升的。第十三页，共34页。零偏压(piānyā)有偏压(piānyā)P区少子和n区多子(duōzǐ)关系电压V使x1处的载流子浓度由第十四页，共34页。注入到P型区的少子(shǎozǐ)运动的连续性方程为:一边(yībiān)扩散，一边(yībiān)复合，建立起稳定的过剩载流子分布。第十五页，共34页。求A：求B：第十六页，共34页。从p型区价带底到n型区价带底的势垒高度为qVD1+qVD2+DEv=qVD+DEv第十七页，共34页。第十八页，共34页。4.1.2热电子发射模型(móxíng)（高势垒尖峰情况）从右到左的热电子发射(fāshè)电流vrA第十九页，共34页。由p区注入到n区的电子(diànzǐ)要越过势垒高度正向(zhènɡxiànɡ)时可忽略第二十页，共34页。正反两个方向的电压都按指数(zhǐshù)增加扩散(kuòsàn)或热电子发射：(4.13)室不能应用于反向情况，因为反向时，电子流是从p区注入(zhùrù)到n区的，反向电流由p区少数载流子决定，在较大的反向电压下应该是饱和的。第二十一页，共34页。b是二极管的理想(lǐxiǎng)因子第二十二页，共34页。4.1.3隧穿机制(jīzhì)隧道(suìdào)电流表现出来的特点是lnJ-V的曲线斜率和温度无关。T1T2T3VLg(J)第二十三页，共34页。4.2异质(yìzhì)结的注入比电子(diànzǐ)面临的势垒下降：VD-DEC空穴面临的势垒上升:VD+DEv同质(tónɡzhì)结：掺杂异质结：利用带阶注入比：4.2异质结的注入比第二十四页，共34页。我们将注入(zhùrù)比r定义为：在p-N结上加有正向电压时，由N区向p区注入(zhùrù)的电子流JN→p同p区向N区注入(zhùrù)的空穴流Jp→N的比值，即r=JN→p/Jp→N。理论分析得出：r=Dexp(Eg/kT)式中D为常数。同质结：Eg=0，r=D。异质结：r随着Eg呈指数上升。例如，在p-GaAs/N-Al0.3Ga0.7As异质结中，它们的Eg=0.33eV，结果注入(zhùrù)比r高达7.4×105，因而注入(zhùrù)比提高了七十四万倍。在同样的正向电压下，可以获得更高的注入(zhùrù)电子浓度。对于晶体管和半导体激光器等器件来说,“注人比”是个很重要的物理量,它决定晶体管的放大倍数、激光器的注人效率和阐值电流密度,因为总电流中只有注人到基区或有源区中的少数载流子,才对器件的功能发挥真正的作用所以,用异质(yìzhì)结宽带隙材料作发射极,效率会很高,这是异质(yìzhì)结的特性之一第二十五页，共34页。nEpnn+collectorGaAsGaAsAlGaAsBCn-AlGaAs/p-GaAs/n+GaAsHBTFirstHBTinthehistoryofBJT第二十六页，共34页。PrincipleofOperationWidebandgapemitterDependenceofcommon-emittercurrentgainondopinglevelsandenergybanddiscontinuityattheemitter-baseinterfaceExponentfactorcanbeverylargetocompensateforNde/Nberatio第二十七页，共34页。PrincipleofOperationBasedopinghigherthanemitterdopingLowerbaseresistanceimprovesfmaxScalinglimitationduetopunchthrougheliminatedBasechargeisinsensitivetooutputvoltageVCB(Earlyvoltageincreases)Reducedhighcurrenteffects第二十八页，共34页。PrincipleofOperationLoweremitterdopingReducedbandgapnarrowingReductioninminoritycarrierconcentrationintheemitterImprovementincurrentgainReducedCBEEmitter-basespace-chargeregionbroadensonemittersideofthejunctionReductioninemitterdopinglevelsreduceswhat?Why?第二十九页，共34页。第三十页，共34页。4.3超注入(zhùrù)现象加正向电压时,n区导带底上升,结势垒可被拉平.由于导带阶的存在,n区导带底甚至高于p区导带底,准费米能级可达到一致.p区导带底较n区导带底低,距EFn更近.故p区导带的电子(diànzǐ)浓度高于n区.第三十一页，共34页。应用(yìngyòng)注入到窄带区的少数载流子浓度达到1018cm-3以上,实现粒子数反转.加了较大正向偏置电压之后，N-AlxGa1-xAs/p-GaAs中，位于N区的导带上的电子的能量(néngliàng)比p区的导带底的能量(néngliàng)还高，在外加电压的作用下，电子注入到p区的导带中，至使p区的电子比N区的电子还多(常规情况下是N区的电子多，p区的空穴多)。在p-N结p区一侧载流子堆积得很多，即注入到p区的少子（电子）的浓度比N区的多子（电子）的浓度还多，以至于达到简并化的程度，这就是超注入现象，它也是光电子器件的重要物理基础之一。第三十二页，共34页。Fundamentalphysicalphenomenainclassicalheterostructures(a)(b)(c)One-sideInjectionPropozal—1948(W.Shokley)Experiment—1965(Zh.Alferovetal.)SuperinjectionTheory—1966(Zh.Alferovetal.)Experiment—1968(Zh.Alferovetal.)Diffusioninbuilt-inquasielectricfieldTheory—1956(H.Kroemer)Experiment—1967(Zh.Alferovetal.)第三十三页，共34页。第三十四页，共34页。