现代电子材料与元器件-4

第四章

化合物半导体基础光电工程学院微电子教学部冯世娟fengsj@4.2载流子的输运过程3速度过冲在强电场作用下，半导体中载流子的瞬间漂移速度远超过其饱和速度值的现象，称为速度过冲。

图4.13GaAs中载流子漂移速度与电场之间的关系4.2载流子的输运过程3速度过冲为了讨论速度过冲现象，引入动量弛豫时间τm来表征载流子遭受散射的情况。于是载流子的运动方程可表示为若τm与E无关，则有当t远大于τm时，vd达到最大图4.15漂移速度vd与时间的关系4.2载流子的输运过程3速度过冲最大的漂移速度即定态漂移速度，随电场强度的增大而增大，但稳态时漂移速度都将趋于一个饱和值，即使电场在不断增加，这是热电子效应作用的必然结果。在强电场的作用下，电子“温度”升高而成为热电子，此时热电子与晶格的散射越发频繁，从而使得驰豫时间τm在不断减小vd即趋于定态值4.2载流子的输运过程3速度过冲vd的定态值由于电场强度越大，τm0就越小，而两者的乘积近乎为常数，故vd与电场强度E的关系如图4.16所示。可见，这时的结果和前面看到的实验结果较为一致。图4.16考虑热电子效应时，vd与时间的关系4.2载流子的输运过程3速度过冲产生速度过冲这种瞬态效应的实质，可以认为是由于在强电场下，电子的动量驰豫时间τm很短所造成的。τm很短就意味着当电子进入高电场区时，其波矢会立刻增大，也就是说，电子可立刻获得很高的定向漂移速度；而这时如果电子的能量升高较慢(即能量弛豫时间较长)，来不及被“加热”，则电子的平均热运动速度仍将停留在与晶格温度相适应的较低数值上，从而使得电子的平均自由时间τ较长。迁移率μ=qτ/m*较高，漂移速度vd=μE很高，可以超过定态vd值，即速度过冲。发生速度过冲的条件可以归纳为以下三点原因：(1)电场很强；(2)τm<<τE；(3)具有有效质量大的导带卫星能谷，其所具有的能量足够低，以至于在稳定态时，处于该能谷中的电子数较多。4.2载流子的输运过程3速度过冲对于GaAs和InP等双能谷半导体,能量弛豫时间τE实际上应是载流子的能量上升时间加上载流子在谷间转移所需要的时间。一般是有τm<<τE，则在强电场下电子动量(m*v)增加很快，但能量增加较慢，则这种动量很大的电子仍处于有效质量较小的主能谷中，从而迁移率较高。漂移速度可以大大越过定态漂移速度。在这类半导体中，子能谷有很小的动量驰豫时间，则速度过冲效应尤为显著，可以说，速度过冲效应是动量很大、而能量(或电子温度)较低的非热电子在强电场作用下的一种瞬态输运过程中的现象。当电子从低电场区进入高电场区的开始瞬间，也会有这种瞬态现象。4.2载流子的输运过程3速度过冲需要说明的是在半导体中，能量弛豫时间τE一般不同于动量弛豫时间τm

，因为两者的散射机构不同。例如高掺杂半导体，在较低温度下，动量弛豫主要是通过电离杂质散射进行，但能量驰豫却只能通过各种声子散射进行。经过能量弛豫后，电子温度升高而成为热电子，则电子的平均热运动速度增大，使平均自由时间减小，迁移率下降，从而漂移速度也下降到与电场相应的定态值。4.2载流子的输运过程4载流子的弹道输运过程与速度过冲必须考虑散射作用的情形不同。器件有源区尺寸小于l的情形下，此时载流子在输运过程中将不断被电场加速，而不必考虑散射的影响。在2DEG的二维体系中

图4.192DEG中的电子输运过程4.2载流子的输运过程4载流子的弹道输运过程速度过冲和弹道输运都是载流子的瞬态输运过程。在速度过冲的初始阶段，总包含有弹道输运过程。在图4.13中曲线的起始阶段，漂移速度随时间线性增大，这表明载流子被电场自由加速，这正是弹道输运过程。此后漂移速度呈现出超过定态漂移速度的极大值，这才是速度过冲效应。弹道输运速度过冲4.2载流子的输运过程4载流子的弹道输运过程稳态时，有弹道输运

电子被加热到它们的最终的漂移能量Ef，此时有Ef>Ei。如果动量弛豫时间τm是能量E的单调递减函数，则有vd>vf，速度过冲现象就产生了。

4.3二维电子气1二维电子气1971年，Esaki和Tsu首先发现了超晶格和调制掺杂的半导体异质结中的二维效应。

GaAs/AlGaAs异质结中的2DEG

宽禁带半导体材料与窄禁带半导体材料形成异质结，在界面处产生会发生强烈的能带弯曲，在窄带半导体一侧形成电子的势阱。如果宽禁带半导体掺有施主杂质，则施主杂质中的电子将穿过界面势垒，被捕获在界面势阱中，如果这个势阱区很薄，则势阱中的电子呈现二维体系待征。

4.3二维电子气1二维电子气图4.21GaAs/AlGaAs超晶格中2DEG示意图

半导体超晶格，例如GaAs/AlGaAs系统，如果其中GaAs层较薄(＜20nm)，而A1GaAs层较厚，则电子基本上被封闭在禁带较窄的GaAs层内，成为2-DEG，如图4.21所示。这时GaAs层中的2-DEG不存在电离杂质，具有很高的电子迁移率。4.3二维电子气1二维电子气二维电子气的存在，使有关的材料和器件具有很多独特的性能，如高的电子迁移率、良好的光学性能、二维体系的电导特性等。低温下，二维电子气的电子迁移率主要受杂质散射限制；在一定温度下，声子散射起重要作用。此外，还有界面粗糙散射、子带间散射、压电散射、中性杂质散射等都影响2DEG系统的迁移率。在改善制备工艺时，考虑上述有关因素的影响，将有利于迁移率的进一步提高。

4.3二维电子气2二维电子气的能量状态考虑半导体表面反型层中的2-DEG

处于表面反型层中的电子如同被封闭于势阱中的自由电子一样，电子的德布罗意波波长比势阱的宽度要大，在垂直于表面方向上的能量将发生量子化，即在垂直表面方向的运动丧失了自由度，只存在有在表面内两个方向的自由度。4.4半导体异质结2热平衡时理想异质结的能带图以p-GaAs／n-A1GaAs异质结为例

热平衡时，有p-n异质结的能带反映出以下特点：(1)n区一侧出现尖峰，p区一侧出现凹口；(2)能带在交界面处不连续，存在能带突变；4.4半导体异质结2热平衡时理想异质结的能带图n-GaAs／p-A1GaAs异质结4.4半导体异质结2热平衡时理想异质结的能带图n-GaAs／n-A1GaAs异质结宽带的费米能级比窄带的费米能级高，所以电子从宽带一侧流向窄带一侧，从而在窄带一侧形成电子积累，而宽带一侧形成电子耗尽，其能带弯曲与pn型类似。4.4半导体异质结2热平衡时理想异质结的能带图p-GaAs／p-A1GaAs异质结其能带弯曲与np型类似。异质结的能带反映出以下特点：

(1)能带在交界面处存在能带突变；(2)在界面附近可能有电子势垒（向上的尖峰）；(3)也可能存在电子势阱（向下的尖峰），即空穴势垒。4.5半导体超晶格2组分半导体超晶格半导体超晶格按其结构形式大致可以分为两种：组分超晶格（复合超晶格）和掺杂超晶格。组分超晶格：组成超晶格的两种材料不同，即多个超薄异质结组成。组分超晶格又分为两类：第I类组分超晶格（跨立型异质结）和第II类组分超晶格（交叉型异质结）。

掺杂超晶格：同种材料由于掺入不同导电类型的杂质而形成，即多个超薄pn结组成。4.5半导体超晶格4应变超晶格利用晶格失配材料交替生长而成的超晶格。(1)结构类型失配(2)晶格常数失配(3)热膨胀系数失配目前研究较多的是Ge/Si应变层超晶格，我们将以此为例说明应变超晶格的结构、性质及应用。

4.5半导体超晶格4应变超晶格Si层掺杂成p型，