半导体异质结构.ppt

课程主要内容 第一章半导体光电材料概述第二章半导体物理基础第三章PN结第四章金属 半导体结第五章半导体异质结构第六章半导体太阳能电池和光电二极管第七章发光二极管和半导体激光器第八章量子点生物荧光探针 第五章半导体异质结构 5 1异质结及其能带图 异质结 由两种不同的半导体单晶材料组成的结 异质结具有许多同质结所所不具有的特性 往往具有更高的注入效率 反型异质结 由导电类型相反的两种不同的半导体单晶材料构成 如 p nGe GaAs p型Ge与n型GaAs 同型异质结 由导电类型相同的两种不同的半导体单晶材料构成 如 n nGe GaAs n型Ge和n型GaAs 异质结的能带图对其特性起着重要作用 在不考虑界面态的情况下 任何异质结的能带图都取决于形成异质结的两种半导体的电子亲和势 禁带宽度以及功函数 功函数随杂质浓度的不同而变化 5 1异质结及其能带图 突变异质结 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原子距离范围内 缓变异质结 从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡发生于几个扩散长度范围内 突变异质结的能带图研究得比较成熟 异质结的能带图比同质结复杂 禁带宽度 电子亲合能 功函数 介电常数差异 由于晶体结构和晶格常数不同 在异质结交界面上形成的界面态增加了能带图的复杂性 5 1异质结及其能带图 1 不考虑界面态时的能带图 突变反型 pn 异质结能带图 形成异质结前 P型 N型 电子的亲和能W 电子的功函数Eg 禁带宽度 两种半导体紧密接触时 电子 空穴 将从n p 型半导体流向p n 型半导体 直至费米能级相等为止 5 1异质结及其能带图 1 不考虑界面态时的能带图 突变反型 pn 异质结能带图 形成异质结后 交界面两边形成空间电荷区 x1 x2 产生内建电场 两种半导体材料的介电常数不同 因此内建电场在交界面处 x0 不连续 空间电荷区中的能带特点 1 能带发生弯曲 尖峰和势阱 2 能带在交界面处不连续 有一个突变 5 1异质结及其能带图 1 不考虑界面态时的能带图 突变反型 pn 异质结能带图 形成异质结后 内建电势差VD 导带阶 价带阶 以上式子对所有突变异质结普适 5 1异质结及其能带图 1 不考虑界面态时的能带图 突变p nGe GaAs异质结能带图 n GaAs 交界面两侧半导体中的内建电势差VD1 VD2由掺杂浓度 空间电荷区 势垒区 宽度和相对介电常数共同决定 5 1异质结及其能带图 1 不考虑界面态时的能带图 突变反型 np 异质结能带图 形成异质结前 形成异质结后 P型 N型 P型 N型 5 1异质结及其能带图 1 不考虑界面态时的能带图 形成异质结前 形成异质结后 突变同型 nn 异质结能带图 在同型异质结中 一般必有一边成为积累层 一边为耗尽层 5 1异质结及其能带图 1 不考虑界面态时的能带图 形成异质结后 突变同型 pp 异质结能带图 对于反型异质结 当 1 2 Eg1 Eg2 1 2时 成为普通的PN结 5 1异质结及其能带图 2 考虑界面态时的能带图 制造突变异质结时 通常在一种半导体材料上生长另一种半导体单晶材料 或采用真空蒸发技术 两种半导体材料之间的晶格失配 2 a2 a1 a1 a2 a1 a2为两种半导体的晶格常数 异质结中的晶格失配导致两种半导体材料的交界面处产生了悬挂键 引入了界面态 接触前 接触后 5 1异质结及其能带图 2 考虑界面态时的能带图 若两种半导体材料在交界面处的键密度分别为Ns1 Ns2 形成异质结后 晶格常数小的材料表面出现部分未饱和键 突变异质结交界面处的悬挂键密度 对于两种相同晶体结构材料形成的异质结 交界面处悬挂键密度 Ns取决于晶格常数和作为交界面的晶面 5 1异质结及其能带图 2 考虑界面态时的能带图 对于n型半导体 悬挂键起受主作用 受主型界面态施放空穴后带上负电荷 因此表面能带向上弯曲 对于p型半导体 悬挂键起施主作用 施主型界面态施放电子后带上正电荷 因此表面能带向下弯曲 N型 P型 表面能级密度大的半导体能带图 5 1异质结及其能带图 2 考虑界面态时的能带图 当悬挂键 或界面态 的密度很高时 界面态电荷产生的电场往往大于由两种半导体材料接触而产生的电势差 在这样情况下 异质结的能带图往往由界面态所引起的能带的弯曲来决定 5 1异质结及其能带图 2 考虑界面态时的能带图 pn pn np np nn pp 悬挂键起施主作用时 悬挂键起受主作用时 界面态密度很大时 5 1异质结及其能带图 2 考虑界面态时的能带图 当两种半导体的晶格常数极为接近时 晶格间匹配较好 一般可以不考虑界面态的影响 但在实际中 即使两种半导体材料的晶格常数在室温时相同 但如果它们的热膨胀系数不同 在高温下 也将发生晶格失配 从而产生悬挂键 在交界面处引入界面态 化合物半导体形成的异质结中 由于化合物半导体中成分元素互扩散 也会引入界面态 5 1异质结及其能带图 3 突变反型异质结的接触电势差及势垒区宽度 P型 N型 不考虑界面态 以突变pn异质结为例 设p型和n型半导体中杂质均匀分布 浓度分别为NA1和ND2 势垒区正负空间电荷区宽度 d1 x0 x1 d2 x2 x0 求解交界面x0两边的泊松方程 得到势垒区两侧内建电势差为 1 2分别为p型和n型半导体的介电常数 XD 5 1异质结及其能带图 3 突变反型异质结的接触电势差及势垒区宽度 P型 N型 势垒区内的正负电荷总量相等 XD 势垒区宽度 5 2突变异质pn结的电流电压特性 异质结由两种不同材料形成 交界面处能带不连续 存在界面态 因此异质结的电流电压关系比同质结复杂得多 异质pn结按势垒尖峰高低的不同 有两种情况 分别采用不同的模型来处理电流电压特性 低势垒尖峰 势垒尖峰顶低于p区导带底 采用扩散模型 高势垒尖峰 势垒尖峰较p区导带底高得多 采用发射模型 P N P N 5 2突变异质pn结的电流电压特性 1 低势垒尖峰情况 扩散模型 P N P N 外加正向偏压V V1 V2分别为加在p区和n区的电压 零偏压 正偏压 通过异质pn结的总电流密度 5 2突变异质pn结的电流电压特性 1 低势垒尖峰情况 扩散模型 外加正向偏压V 由窄带隙p型半导体和宽带隙n型半导体形成的异质pn结 Ec 0 Ev 0 且比室温下k0T大得多 P N 通过结的电流主要由电子电流组成 空穴电流占比很小 由于导带阶 Ec的存在 n区电子面临的势垒高度由qVD下降至qVD Ec 而空穴面临的势垒高度升高了 Ev 导致电子电流大大超过空穴电流 5 2突变异质pn结的电流电压特性 2 高势垒尖峰情况 热电子发射模型 外加正向偏压V P N 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 正向电流主要由从n区注入p区的电子流形成 发射模型也得到正向电流随电压按指数关系增加 EFn EFp 5 3异质pn结的注入特性 1 异质pn结的高注入特性 异质pn结 低势垒尖峰 电子电流与空穴电流的注入比为 饱和杂质电离时 电子 空穴扩散系数D和扩散长度L在同一数量级 而 可远大于1 即使ND2 NA1 仍可得到很大的注入比 5 3异质pn结的注入特性 1 异质pn结的高注入特性 表明即使禁带宽n区掺杂浓度比p区低近两个数量级 但注入比仍可高达 例如 宽禁带n型和窄禁带p型GaAs组成异质pn结 p区掺杂浓度为 n区掺杂浓度为 可得 异质pn结的这一高注入特性是区别于同质pn结的主要特点之一 也因此得到重要应用 5 3异质pn结的注入特性 2 异质pn结的超注入现象 超注入现象 在异质pn结中由宽禁带半导体注入到窄禁带半导体中的少数载流子浓度可超过宽带半导体中多数载流子浓度 这一现象首先在p nGaAs 异质结中观察到 加正向电压时n区导带底相对p区导带底随所加电压的增加而上升 当电压足够大时 n区导带底甚至高于p区导带底 p区电子准费米能级随电子浓度的上升很快 正向大电流 稳态时 结两边电子的准费米能级可达到一致 由于p区导带底距EFn较n区导带底更近 故p区导带电子浓度高于n区 5 3异质pn结的注入特性 2 异质pn结的超注入现象 p区和n区电子浓度之比 只要n区导带底比p区导带底高出的值较k0T大一倍 则n1比n2大近一个数量级 超注入现象是异质结特有的另一重要特性 可实现异质结激光器所要求的粒子数反转条件 在半导体异质结激光器中得到重要应用 课程主要内容 第一章半导体光电材料概述第二章半导体物理基础第三章PN结第四章金属 半导体结第五章半导体异质结构第六章半导体太阳能电池和光电二极管第七章发光二极管和半导体激光器第八章量子点生物荧光探针 第六章半导体太阳能电池和光电二极管 引言 半导体太阳能电池是直接把太阳能转换成电能的器件 光电二极管用于检测各种光辐射信号 是一种重要的光探测器 光电二极管和半导体太阳电池的基本工作原理相同 都是利用光生伏打效应工作的器件 6 1半导体中光吸收 6 1半导体中光吸收 本征吸收 电子由价带到导带之间的跃迁所形成的吸收 如 a 和 b 相应的电子跃迁过程称为本征跃迁或带 带跃迁 本征吸收条件 hv Eg本征吸收限波长 hv Eg时 除产生一个电子 空穴对外 多余的能量hv Eg将以热的形式耗散掉 非本征跃迁 如果hv Eg 则只有当禁带内存在合适的化学杂质或物理缺陷引起的能态时 光子才会被吸收 如 c 6 1半导体中光吸收 吸收系数 假设半导体被一光源照射 沿光传播方向上 在距离表面x处的光通量 单位时间垂直通过单位面积的光子数 为 吸收系数 是光子能量h 的函数 称为吸收曲线 吸收系数在截止波长 c处急剧下降 截止波长附近的吸收曲线称为吸收边 直接跃迁 6 1半导体中光吸收 本征吸收 hk hk 光子动量但一般半导体吸收的光子 其动量远小于能带中的电子的动量 光子动量可忽略不计 k k 电子吸收光子产生跃迁时波矢保持不变 如价带中状态A的电子只能跃迁到导带中的状态B 这种跃迁称为直接跃迁 属于本征跃迁 光照下 电子吸收光子的跃迁过程 除满足能量守恒外 还必须满足动量守恒 直接跃迁 任何一个k值的不同能量的光子都有可能被吸收 而吸收的光子最小能量应等于禁带宽度 直接带隙半导体 半导体的导带极小值和价带极大值对应于相同的波矢 在本征吸收过程中 产生电子的直接跃迁 6 1半导体中光吸收 本征吸收 6 1半导体中光吸收 本征吸收 直接带隙半导体带隙的测定 理论计算表明 直接跃迁中吸收系数和光子能量的关系为 A为常数 Eg 吸收谱 6 1半导体中光吸收 本征吸收 间接跃迁 间接带隙半导体 Ge Si一类半导体 价带顶和导带底对应于不同的波矢k 间接跃迁 电子不仅吸收光子 同时还和晶格交换一定的振动动量 即放出或吸收一个声子 声子的能量非常小 可以忽略不计 间接跃迁的概率 光吸收系数 比直接跃迁的概率 光吸收系数 小得多 间接带隙半导体带隙的测定 间接跃迁中吸收系数和光子能量的关系为 只要对作图 并将直线部分外推到与hv轴相交 即可得到带隙值Eg 6 1半导体中光吸收 本征吸收 A 为常数 6 1半导体中光吸收 其他吸收过程 激子 受激电子和空穴互相束缚而结合在一起成为一个新的系统 这种系统称为激子 激子吸收 光子能量hv Eg 价带电子受激发后虽然跃出了价带 但还不足以进入导带而成为自由电子 仍然受到空穴的库仑场作用 这种吸收即激子吸收 6 1半导体中光吸收 其他吸收过程 自由载流子吸收 入射光子能量小于带隙时 自由载流子在同一带内的跃迁 杂质吸收 束缚在杂质能级上的电子或空穴的吸收 电子可以吸收光子跃迁到导带能级 空穴也同样可以吸收光子而跃迁到价带 晶格振动吸收 远红外区 光子能量直接转换为晶格振动动能 6 1半导体中光吸收 其他吸收过程 资源丰富 40分钟照射地球辐射的能量 全球人类一年的能量需求 洁净能源 不会导致 温室效应 不会造成环境污染 使用方便 同水能 风能等新能源相比 不受地域的限制 成本低 6 2半导体太阳能电池 6 2半导体太阳能电池 半导体太阳能电池是直接把太阳能转换成电能的器件 利用各种势垒的光生伏打效应 Photovoltaiceffect 也称为光生伏打电池 简称光电池 1883年 弗里茨首次用硒制造了光生伏打电池 1941年 奥勒制作了单晶硅光电池 1954年 贝尔实验室制作了第一个实用的硅太阳能电池 太阳电池的优点 寿命长 效率高 性能可靠 成本低 无污染 几乎所有空间设备和装置均使用太阳电池 在地面上 太阳电池作为无人气象站 无人灯塔 微波中继站的电源盒自控系统的光电元件 目前 太阳电池的光电转换效率已相当可观 在AM1 5条件下 单晶硅电池的效率达到近24 非晶硅电池为13 2 而InGaPAs GaAs叠层电池已达到41 4 6 2半导体太阳能电池 太阳能电池的基本结构如右图所示 PN结的光生伏打效应是指半导体吸收光能后在PN结上产生电动势 大面积蒸镀金属 减少阳光反射 6 2半导体太阳能电池 PN结的光生伏打效应主要涉及三个主要的物理过程 1 半导体材料吸收光能产生非平衡的电子 空穴对 2 产生的非平衡电子和空穴从产生处以扩散或漂移的方式向势场区 PN结的空间电荷区 运动 这种势场也可以是金属 半导体的肖特基势垒或异质结的势垒等 3 进入势场区的非平衡电子和空穴在势场的作用下向相反方向运动而分离 在P侧积累空穴 在N侧积累电子 建立起电势差 6 2半导体太阳能电池 开路电压 oc PN结开路时 两端的电势差 光电流 PN结两端连接负载时 通过的电流 短路光电流IL PN结短路时的电流 是PN结太阳能电池能提供的最大电流 光照下 在PN结扩散区以内产生的电子 空穴对 一旦进入PN结的空间电荷区 就会被内建电场所分离 在P N 区边界将积累非平衡空穴 电子 产生一个与平衡PN结内建电场方向相反的光生电场 6 2半导体太阳能电池 开路状态下 光生载流子积累于PN结两侧 PN结两端的电位差 即开路电压 就是光生电动势Voc 非平衡载流子的出现意味着N P 区电子 空穴 准费米能级升高 降低 二者直接的距离等于qVoc PN结势垒高度比热平衡时下降qVoc 6 2半导体太阳能电池 外部短路时 短路电流在PN结内部从N区指向P区 非平衡载流子不再积累在PN结两侧 光电压为零 能带图恢复为 a 无光照平衡PN结情形 一般情况下 即使无负载 也存在等效串联电阻Rs 光生载流子只有一部分积累于PN结上 使势垒降低qV P N区费米能级相差qV 与电注入相比 光生电流方向相当于普通二极管反向电流的方向 6 2半导体太阳能电池 暗电流 光照使PN结势垒降低等效于外加正向偏压 同样能引起P区空穴和N区电子向对方注入 形成PN结正向注入电流 方向与光生电流方向相反 是太阳电池的不利因素 应设法减小 6 2半导体太阳能电池 太阳电池的I V特性 串联电阻Rs 0的理想情况 RL为负载电阻 IL为短路光电流 ID为暗电流 即PN结正向电流 肖克利方程 6 2半导体太阳能电池 结饱和电流 6 3太阳电池的I V特性 串联电阻Rs 0的理想情况 PN结上的电压为 开路情况下 I 0 得到开路电压为 这是太阳电池能够提供的最大电压 短路情况下 V 0 得到短路电流为 I IL 这是太阳电池能够提供的最大电流 GL 光生电子 空穴对的产生率 A PN结的面积 A Ln Lp 光生载流子的体积 短路电流取决于光照强度和PN结的性质 整个器件均匀吸收太阳光的情况下 6 3太阳电池的I V特性 串联电阻Rs 0的理想情况 AM1