异质结的电学特性

1、半导体光伏与发光器件半导体光伏与发光器件第二章第二章 异质结电学特性异质结电学特性 知知 识识 点点 突变反型和同型异质结的电流输运机构、突变异质结的电容和电压特性、反型异质结的注入特性。重重 点点 突变反型和同型异质结的电流输运机构、影响尖峰势垒的因素、突变异质结的电容和电压特性。难难 点点反型异质结的超注入特性、电流输运机构中的扩散模型、发射模型。基本要求基本要求 1、识 记：异质结中存在的几种电流输运机构；2、领 会：几种电流输运机构的物理机制；扩散模型须满足的四个条件；3、简单应用：能画出不同电流输运机构的示意图；4、综合应用：能判别不同类型异质结电流输运机构中的I-V曲线特点。考核要

2、求考核要求1、记住异质结中存在的几种电流输运机构；2、影响尖峰势垒的因素、突变异质结的电容和电压特性；3、作出不同类型异质结的平衡能带图；4、判别不同类型异质结电流输运机构中的I-V曲线特点。 在形成异质结的两种半导体材料的交界面在形成异质结的两种半导体材料的交界面处，能带是不连续的，界面处能带的带阶导致处，能带是不连续的，界面处能带的带阶导致势垒和势阱。并且在交界面处必然引入界面态势垒和势阱。并且在交界面处必然引入界面态及缺陷（如晶格结构、晶格常数、热膨胀系数及缺陷（如晶格结构、晶格常数、热膨胀系数和工艺技术），所以异质结的电流输运结构必和工艺技术），所以异质结的电流输运结构必须根据交界面处

3、的情况分别加以讨论，没有统须根据交界面处的情况分别加以讨论，没有统一的理论。一的理论。引引 言言2.1 突变反型异质结的几种电流输运机构突变反型异质结的几种电流输运机构 目前提出的目前提出的 pN异质结可能存在的电流输运机构异质结可能存在的电流输运机构共有五种：共有五种： （1）扩散（发射）模型）扩散（发射）模型 （2）简单隧道模型）简单隧道模型 （3）界面复合模型）界面复合模型 （4）隧道复合模型）隧道复合模型 （5）界面）界面-隧道复合模型隧道复合模型Ec1Ev1Ec2Ev2（1）扩散（发射）模型：）扩散（发射）模型：在电场的作用下，在电场的作用下，具有足够能量的载流子越过势垒，形成通过异

4、具有足够能量的载流子越过势垒，形成通过异质结的扩散（发射）流。质结的扩散（发射）流。由于两个区域载流子所面对的势垒高度通常有由于两个区域载流子所面对的势垒高度通常有明显的差别，往往一种载流子的扩散流显著的明显的差别，往往一种载流子的扩散流显著的超过另一种载流子的扩散（发射）流。超过另一种载流子的扩散（发射）流。Ec1Ev1Ec2Ev2（2）简单隧道模型）简单隧道模型：n区电子在电场作用区电子在电场作用下穿过了导带尖峰在下穿过了导带尖峰在p区内复合，形成隧道区内复合，形成隧道电子流。电子流。Ec1Ev1Ec2Ev2（3）界面复合模型）界面复合模型：越过势垒的载流子：越过势垒的载流子在界面态上，和

5、相反型号载流子复合。在界面态上，和相反型号载流子复合。Ec1Ev1Ec2Ev2（4）隧道复合模型）隧道复合模型：通过界面态隧穿到：通过界面态隧穿到对方区域的载流子，和相反型号载流子复合。对方区域的载流子，和相反型号载流子复合。Ec1Ev1Ec2Ev2Ec1Ev1Ec2Ev2（a）隧穿势垒的空穴和越过势隧穿势垒的空穴和越过势 垒的电子在界面态上复合垒的电子在界面态上复合（b）隧穿势垒的电子和越过势隧穿势垒的电子和越过势 垒的空穴在界面态上复合垒的空穴在界面态上复合（5）界面）界面-隧道复合模型隧道复合模型：隧穿势垒的载：隧穿势垒的载流子和相反型号越过势垒的载流子在界面态流子和相反型号越过势垒的载

6、流子在界面态上复合，从而实现了载流子的输运。上复合，从而实现了载流子的输运。注意注意：一般来说，异质结中往往同一般来说，异质结中往往同时存在多种电流输运机构，究竟何时存在多种电流输运机构，究竟何种机构是主要的，这取决于能带的种机构是主要的，这取决于能带的带阶和界面态参数情况。带阶和界面态参数情况。2.1.1 影响尖峰势垒高度的因素影响尖峰势垒高度的因素异质结尖峰势垒高度产生的因素：异质结尖峰势垒高度产生的因素：掺杂浓度掺杂浓度和和外加外加电压电压。（1）掺杂浓度：）掺杂浓度：EcEvEFEcEVqVp 01D21A1NN当窄带材料的掺杂浓度比宽带材料的掺杂浓度当窄带材料的掺杂浓度比宽带材料的掺

7、杂浓度高的高的多时多时，势垒主要落在，势垒主要落在宽带空间电荷区宽带空间电荷区，宽带界面处，宽带界面处的尖峰势垒的尖峰势垒高于高于窄带空间电荷区外的导带底，尖峰窄带空间电荷区外的导带底，尖峰势垒为势垒为正正。(b) (b) 正尖峰势垒正尖峰势垒（2）外加电压：）外加电压：正向偏压增大正向偏压增大 尖峰势垒高度变高尖峰势垒高度变高 负尖峰势垒变为正尖峰势垒负尖峰势垒变为正尖峰势垒当当pN结施加电压时，尖峰势垒高度也会随之变化：结施加电压时，尖峰势垒高度也会随之变化：反向偏压增大反向偏压增大 尖峰势垒高度变低尖峰势垒高度变低 正尖峰势垒变为负尖峰势垒正尖峰势垒变为负尖峰势垒2.1.2 扩散模型扩散

8、模型运用扩散模型须满足以下运用扩散模型须满足以下4个条件：个条件：（1）突变耗尽条件：突变耗尽条件：电势集中在空间电荷区，注入的少电势集中在空间电荷区，注入的少数载流子在空间电荷区之外是纯扩散运动；数载流子在空间电荷区之外是纯扩散运动；（2）波尔兹曼边界条件：波尔兹曼边界条件：载流子分布在空间电荷区之外载流子分布在空间电荷区之外满足波尔兹曼统计分布；满足波尔兹曼统计分布；（3）小注入条件：小注入条件：注入的少数载流子浓度比平衡多数载注入的少数载流子浓度比平衡多数载流子浓度小得多；流子浓度小得多；（4）忽略载流子在空间电荷区的产生和复合。）忽略载流子在空间电荷区的产生和复合。1.负尖峰势垒突变负

9、尖峰势垒突变pN结电流和电压特性结电流和电压特性负尖峰势垒突变负尖峰势垒突变pN结电流密度和外加电压的关结电流密度和外加电压的关系可以用系可以用Shockley方程描述，即：方程描述，即： 1)exp(2p202p1n101kTqVLpqDLnqDJn其中，其中，n10和和p20是平衡时少数载流子浓度，是平衡时少数载流子浓度，Dn1和和Dn2是少数载流子的扩散系数，是少数载流子的扩散系数，Ln1和和Lp2是少数载流子的是少数载流子的扩散长度。扩散长度。（2.1）异质结常用多数载流子浓度描述电流和电压之间的关系，异质结常用多数载流子浓度描述电流和电压之间的关系，注意到对于负尖峰势垒突变注意到对于

10、负尖峰势垒突变pN结，结，平衡时材料平衡时材料2中的多数载中的多数载流子（电子）流子（电子）n20输运到材料输运到材料1转换为少数载流子（电子）转换为少数载流子（电子）n10所要克服的势垒为所要克服的势垒为qVD-EC，得：得：)exp(2010ktEqVnnCD（2.2）在外加电压下，电子电流为：在外加电压下，电子电流为：120n1exp()exp() 1nDCqD nqVEqVJLktkT（2.3）平衡时材料平衡时材料1中的多数载流子（空穴）中的多数载流子（空穴）p0输运到材料输运到材料2转换为转换为少数载流子（空穴）少数载流子（空穴）p20所要克服的势垒为所要克服的势垒为qVD+EV，得

11、：得：)exp(1020ktEqVppCD（2.4）在外加电压下，空穴电流为：在外加电压下，空穴电流为： 1)exp(exp(2p102pkTqVktEqVLpqDJCD（2.5）由于空穴电流所克服的势垒由于空穴电流所克服的势垒qVD+Ev要比电子电流所要克要比电子电流所要克服的势垒大得多，所以有服的势垒大得多，所以有Jp kT,即即exp（qV/kT）1,式式2.7变为：变为：)exp(-expCDdkTqVkTEqVAJ）（2.8）正向电流随正向偏压指数增长正向电流随正向偏压指数增长当正向偏压增加到使负尖峰势垒当正向偏压增加到使负尖峰势垒转变为正尖峰势垒时，此式不再转变为正尖峰势垒时，此式

12、不再适用。适用。在实际问题中，反向偏压下总有在实际问题中，反向偏压下总有qVkT,V0 ,即即exp（qV/kT）NA，即发射区的材料要高掺杂，然而高掺，即发射区的材料要高掺杂，然而高掺杂会带来晶体质量、载流子简并等一系列问题，使实验研究和杂会带来晶体质量、载流子简并等一系列问题，使实验研究和理论分析复杂化。理论分析复杂化。（2.26）1 10n1exp()exp() 1nDCqD nqVEqVJnLkTkTp2p210exp()exp() 1DCqD pqVEqVJpLkTkT不考虑导带的尖峰势垒，得到的电子扩散电流和空穴扩散电流为：不考虑导带的尖峰势垒，得到的电子扩散电流和空穴扩散电流为：

13、两式之比就是注入比，当杂质全部电离时，取两式之比就是注入比，当杂质全部电离时，取n20=ND2, p10=NA1，得：，得：)exp(pngA1n1p2D2P2n1ktENLDNLDJJ（2.27）对于异质结只要选择宽带材料作为发射区就可以获得很高的注入比，对于异质结只要选择宽带材料作为发射区就可以获得很高的注入比，而而不必像同质结那样刻意追求高掺杂浓度不必像同质结那样刻意追求高掺杂浓度2.2.2 超注入特性超注入特性反型异质结的另一个重要特性是超注入，它是由反型异质结的另一个重要特性是超注入，它是由Alferov在在1967年首先提出。即在一定的正向偏压条件下，注入到窄年首先提出。即在一定的

14、正向偏压条件下，注入到窄带材料中的少数载流子浓度可以超过宽带材料的多数载流带材料中的少数载流子浓度可以超过宽带材料的多数载流子浓度。子浓度。 对于非简并半导体，同质结两侧同种载流子关系为：对于非简并半导体，同质结两侧同种载流子关系为：)(exp(npktVVqnnD正向偏压下从正向偏压下从n区克服势垒区克服势垒qVD注入到注入到p区的少数载流子区的少数载流子（电子）浓度（电子）浓度n约等于约等于np，它随着正向偏压逐渐加大而，它随着正向偏压逐渐加大而不断增加。不断增加。（2.28）异质结情况则不同，由于能带带阶的存在，异质结情况则不同，由于能带带阶的存在，qVD已经不再已经不再代表势垒高度，对

15、于负尖峰势垒的代表势垒高度，对于负尖峰势垒的pN结，电子从结，电子从 N 区注区注入到入到p区克服势垒变为（区克服势垒变为（qVD-Ec）1020exp()DCqVEnnkT)exp(21ktqVEqVnnnCD（2.2）（2.29）平衡形式平衡形式非平衡形式非平衡形式当正向偏压满足下列条件时：当正向偏压满足下列条件时：CDDE-qVqVqV就有就有nn2,即实现了即实现了超注入超注入。（2.30）2.3 突变同型异质结突变同型异质结2.3.1 发射模型发射模型对于理想突变对于理想突变nN异质结，发射模型所描述的电流和电压特性异质结，发射模型所描述的电流和电压特性和理想突变和理想突变pN异质结

16、的公式相同，即：异质结的公式相同，即：)(exp)(exp)exp(122ekTqVkTqVkTqVAJD2/12D2e2）（nmkTqNA其中，其中， ，但是在但是在nN异质结中，材料异质结中，材料1靠近界面处是电子积累层，而靠近界面处是电子积累层，而材料材料2靠近界面处是电子耗尽层，导致靠近界面处是电子耗尽层，导致VD1VD2和和V1V2,上式化简为：上式化简为：1)(exp)exp(22ekTqVkTqVAJD（2.32）（2.31）注意：注意：对于同型异质结，所谓的正向偏对于同型异质结，所谓的正向偏压也是指削弱内建电场压也是指削弱内建电场VD的方向。同型异质的方向。同型异质结的内建电场

17、和反型异质结相比要小得多，结的内建电场和反型异质结相比要小得多，这意味着同型异质结的整流特性所能施加的这意味着同型异质结的整流特性所能施加的电压范围也很小，超过这个范围异质结就会电压范围也很小，超过这个范围异质结就会被击穿。被击穿。2.3.2 扩散模型扩散模型应用扩散模型处理理想突变应用扩散模型处理理想突变nN异质结，得到的电流和电压异质结，得到的电流和电压特性表达式为：特性表达式为：1221JJJ 1)exp(-exp21D1n1nD221kTqVkTqVLDqNJ）（ 1)exp(exp11D2n2nD112kTqVkTqVLDqNJ）（2.3.1 双双Schottky二极管模型二极管模型

18、qVD1ECqVD2EVEg1Eg212对于对于nN异质结，由于界面态存在大量电子陷阱，它能俘获界面两侧导带异质结，由于界面态存在大量电子陷阱，它能俘获界面两侧导带的电子，而使界面带负电。为满足电中性条件，界面两侧必然都形成带的电子，而使界面带负电。为满足电中性条件，界面两侧必然都形成带正电的耗尽层，导致界面两侧耗尽层的能带都向上弯曲。正电的耗尽层，导致界面两侧耗尽层的能带都向上弯曲。界面有大量负电荷界面有大量负电荷的的nN异质结能带图异质结能带图qV1S2SEC界面有大量负电荷的界面有大量负电荷的nN异质结，在正向偏置下有两种发射电流输运机异质结，在正向偏置下有两种发射电流输运机构：一次发射

19、和二次发射。一次发射是指电子直接越过两个势垒而没构：一次发射和二次发射。一次发射是指电子直接越过两个势垒而没有被界面态俘获，二次发射是指电子越过一个势垒而被界面态俘获，有被界面态俘获，二次发射是指电子越过一个势垒而被界面态俘获，再次发射越过另一个势垒，如下图所示。再次发射越过另一个势垒，如下图所示。正偏压下两种电流输运机构正偏压下两种电流输运机构1S2SEg1Eg21 2忽略可能存在的隧道电流输运机构，界面有大量负电荷忽略可能存在的隧道电流输运机构，界面有大量负电荷nN异异质结的发射电流输运机构可以等效为两个背靠背的质结的发射电流输运机构可以等效为两个背靠背的Schottky二极管的串联，如下

20、图所示。二极管的串联，如下图所示。双双Schottky二极管模型二极管模型 1)exp(exp(*22222kTqVkTTAJSSchottky二极管二极管2的电流和电压特性表达式为的电流和电压特性表达式为:令反向饱和电流密度令反向饱和电流密度 ，上式简写为：，上式简写为：)exp(2S2*22SkTTAJ 1)exp(2S22kTqVJJSchottky二极管二极管1的电流和电压特性表达式为的电流和电压特性表达式为: 1)exp(exp(*11221kTqVkTTAJS令反向饱和电流密度令反向饱和电流密度 ，上式简写为：，上式简写为：)exp(1S2*11SkTTAJ1S11exp() 1q

21、VJkTJ （2.37）（2.36）（2.38）（2.39）根据电流连续性条件，通过异质结的电流密度根据电流连续性条件，通过异质结的电流密度J=J1=J2，而外加电压，而外加电压V=V1+V2，由式（，由式（2.38）和（）和（2.39）可得电流和电压特性表达式为：）可得电流和电压特性表达式为：S1S2S2S12sinh(/2)exp/2exp/2J JqVkTJJqVkTJqVkT（）（-）（2.40）JS2JS1饱和区饱和区击穿区击穿区饱和区饱和区击穿区击穿区JV适度掺杂适度掺杂nN异质结伏安特性实验曲线异质结伏安特性实验曲线2.4 突变异质结电容和电压特性突变异质结电容和电压特性2.4.1 突变反型异质结突变反型异质结突变反型异质结界面两侧都是载流子耗尽层，用突变耗尽理论处理。突变反型异质结界面两侧都是载流子耗尽层，用突变耗尽理论处理。由空间电荷区内电荷的数量由空间电荷区内电荷的数量Q和外加