北京大学GaN课件2

1、什么是Anderson 定则？异质结能带有几种突变形式？尖峰的位置与掺杂浓度的关系是什么？同质结和异质结的电势分布有何异同？同型异质结有哪些特点。3.1节（3.1.1）能带图（3.1.2）突变反型异质结的接触电势差及势垒区宽度（3.1.3）突变同型异质结（3.1.4）几种异质结的能带图（3.1.5) 尖峰的位置与掺杂浓度的关系第三章第三章 异质结异质结的能带图的能带图异质结界面两侧的导带极小值和价带最高值随坐标的变化。异质结界面两侧的导带极小值和价带最高值随坐标的变化。（3.1.1）能带图Sapphiren-GaNp-GaN电子或空穴的势阱和势垒电子或空穴的势阱和势垒e电场下：电子空穴实际上是

2、缺少价电子同质结的情况同质结的情况e(a)As+xAs+As+As+As+EcEdCBEv0.05 eVAs atom sites every 106 Si atomsDistance intocrystal(b)Electron Energy(a) The four valence electrons of Asallow it to bond just like Si but the fifthelectron is left orbiting the As site. Theenergy required to release to free fifth-electron into th

3、e CB is very small.(b) Energy band diagram for an n-type Si dopedwith 1 ppm As. There are donor energy levels justbelow Ec around As+ sites. 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)Bh+(a)xBEvEaB atom sites every 106 Si atomsDistanceinto crystal0.05 eVBBBh+VBEcElectron energy(b)(a) Boron dope

4、d Si crystal. B has only three valence electrons. When itsubstitutes for a Si atom one of its bonds has an electron missing and therefore ahole. (b) Energy band diagram for a p-type Si doped with 1 ppm B. There areacceptor energy levels just above Ev around B sites. These acceptor levels acceptelect

5、rons from the VB and therefore create holes in the VB. 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)扩散漂移统一费米能级内建场空间电荷区能带弯曲正向偏置反向偏置c真空能级导带底Let x be the electron affinity, which is the energy required to take an electron from the conduction band edge to the vacuum level,电子亲和势c：电子由导带底跃迁到真空能级所需的能量，c=

6、E0-Eclet f be the work function, which is the energy diffcrcnce between the vacuum level and the Fermi level.功函数：电子由费米能级至自由空间所需的能量，=E0-FEvEfEc不考虑界面态时的能带结构不考虑界面态时的能带结构(一）能带图一）能带图由电子亲和能、禁带宽度、导电类型、掺杂浓度决定由电子亲和能、禁带宽度、导电类型、掺杂浓度决定A 突变反型突变反型x1x2DEDEcDEDEvEFEvECEFEg1Eg2 1 2未组成异质结前的能带图未组成异质结前的能带图Consider firs

7、t a p-type narrow-gap semiconductor, such as GaAs, in contact with an N-type wide-band-gap semiconductor, such as Al ,GaAlAs.安德森(Anderson)能带模型 假定：1，在异质结界面处不存在界面态和偶极态；2，异质结界面两边的空间电荷层（或耗尽层中)，空间电荷的符号相反、大小相等；3，异质结界面两边的介电常数分别为1和2, 12,界面处的电场不连续： 1E1=2E2 E1 E2。)2 . 3(EE) 1 . 3(EE2c2F21v1F1.3)31221（ffDDDEEq

8、VqVqVx1x2DEDEcDEDEvEAEF1EvECEF2EDEg1Eg2 1 21 1异质结的带隙差等于导带异质结的带隙差等于导带差同价带差之和。差同价带差之和。2 2导带差是两种材料的电子导带差是两种材料的电子亲和势之差。亲和势之差。 2 2而价带差等于带隙差减去而价带差等于带隙差减去导带差。导带差。 There is nonsymmetry in DEC and DEv values that will tend to make the potential barriers seen by electrons and holes different.This nonsymmetry

9、does not occur in homejunctionEg1eVDECEg2ECEFEg2Eg1接触前接触前接触后接触后 当两种单晶材料组成在一起构成异质结后，它们处于平衡态，费米能级应当相同。当两种单晶材料组成在一起构成异质结后，它们处于平衡态，费米能级应当相同。 为了维持各自原有的功函数为了维持各自原有的功函数 和电子亲和势和电子亲和势c c不变，就会形成空间电荷区，在结的两旁出现不变，就会形成空间电荷区，在结的两旁出现静电势，相应的势垒高度为静电势，相应的势垒高度为eVDeVD，e e为电子电荷，为电子电荷，VDVD为接触电势。为接触电势。 它等于两种材料的费米能级差：它等于两种材

10、料的费米能级差：eVDeVD=F2-F1=F2-F1ECEFEg2Eg11 能带发生了弯曲：能带发生了弯曲：n型半导体的导带和价带的弯曲量为型半导体的导带和价带的弯曲量为qVD2, 界面处形成尖峰界面处形成尖峰. p型半导体的导带和价带的弯曲量为型半导体的导带和价带的弯曲量为qVD1, 界面处形成凹口界面处形成凹口(能谷）。能谷）。2 能带在界面处不连续，有突变。能带在界面处不连续，有突变。 Ec , EvDEDEc=0.07eVDEDEv=0.69eVDEDEc+ DEDEv= =0.76eVInGaAsGaAsSbInAsGaSbEC1Ev1EC2Ev2EC1Ev1EC2Ev2EC1Ev1

11、EC2Ev2(a)Straddling跨立型(b) Staggered错开型(c) Broken gap破隙型AlGaAsGaAs典型的能带突变形式p16AlGaAsGaAsInGaAsGaAsSb电子和空穴在空间分离。InAsGaSb电子从一种半导体大量流入到另一种半导体，使一种半导体存在大量电子，而另一种存在大量空穴。使它们具有导电能力，具有半金属性质。电子和空穴在同一区域利用分子束外延生长高质量GaAs基GaSb体材料和InAs/GaSb超晶格材料技术，为下一步制造价格便宜、性能可靠的N-GaAs/P-GaSb热光伏电池、新一代焦平面多色红外探测器件等提供了重要的技术基础。 可以产生热电

12、子可以产生热电子能带突变的应用能使电子发生能使电子发生反射的的势垒反射的的势垒提供一定厚度提供一定厚度和高度的势垒和高度的势垒能造成一定能造成一定深度和宽度深度和宽度的势阱。的势阱。一 工艺过程生长方法, 界面态能带弯曲二 异质结晶面的取向极性半导体,组成半导体的两种原子具有不同的负电性 例如,GAAs, 半导体中Ga和As对电子的束缚能力不同,当组成晶体时,电子更多地偏向As原子一方.(110) : 电中性(111) 极性- 偶极距三 组成异质结的半导体特性偶极距应变影响能带突变的因素3.1.2突变反型异质结的接触电势差势垒区宽度突变反型异质结的接触电势差势垒区宽度)6 . 3()()(xd

13、xxdD)7 . 3()(ExD)8 . 3(dxdVE)()()(xdxdVdxddxdEdxxdD泊松方程9 . 3)(22xdxdV)10. 3()(,)(,22201101DAqNxxxxqNxxxx势垒区中的电荷密度分布where again NA1 is the net acceptor concentration in the p side, and ND2 is the net donor concentration on the N side.施主密度施主密度受主密度受主密度控制方法：控制方法：掺杂类型掺杂类型补偿机制补偿机制激活方法激活方法质量影响质量影响)11. 3()2

14、00122221122xxxxxxDAqNdxdVqNdxdV（突变反型异质结的泊松方程与同质结的区别？与同质结的区别？where &p and &N are the permittivity in the p and N regions,)8 . 3(dxdVE边界条件:0,0,2211ExxExxpnx1x2x0)12. 3 ()()(202220111121xxxxxExxxxxEDAqNqN（线性，在交界处不连续线性，在交界处不连续x EF1, EF2EF1, 电子从宽带电子从宽带流入窄带流入窄带必有一边为积累区必有一边为积累区（3.1.3）突变同型异质结）突变同型异质结积累积累耗尽耗尽同型同型异质结的空间电荷区异质结的空间电荷区特点：一边为耗尽层，一边为积累特点：一边为耗尽层，一边为积累 层层分析方法：仍为求解泊松方程分析方法：仍为求解泊松方程1111