《半导体异质结构》PPT课件.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。 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 突变反型 (pn)异质结能带图（形成异质结后） P型 N型 21 1221 WW EEqVqVqV FFDDD 内建电势差 VD 导带阶 21 cE 价带阶 2112 ggv EEE 12 ggvc EEEE 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 0 .0 7 e VcE 0 .6 9 e VvE 0 . 7 6 e VcvEE 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。 21 sss NNN 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 2 101 D1 2 )( xxqNV A 2 2 02D2 D2 2 )( xxqNV 1,2分别为 p型和 n型半导体的 介电常数。 X D 12 21 D D D FF V V V EE 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， )()( 022101 xxqNxxqN DA 21 2 10 ) DA DD NN XNxx （ 21 A1 02 ) DA D NN XNxx （ 2 21 2 1 1 1 2 DA DDA D NN XNqNV 2 21 1 2 2 2 2 DA DAD D NN XNqNV 2 1 112221 2 21212 ADDA DDA D NNNqN VNNX 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 12V V V （ V1,V2分别为加在 p区和 n区的电压） 零偏压 正偏压 1e x p 0 20 2 2 10 1 1 Tk qVp L Dn L DqJJJ p p n n np 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 0 e x p cn EJ kT 0 e x p vp EJ kT 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， Ec0, Ev0, 且比室温 下 k0T大得多。 P N npJJ 通过结的电流主要由电子电流组成， 空穴电流占比很小。 vE 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。 Tk qV Tk qVJ 00 2 e x pe x p 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： Tk E LND LND J J nAp pDn p n 0112 221 e x p（饱和杂质电离时） 21ggE E E 电子、空穴 扩散系数 D 和扩散长度 L 在同一 数量级，而 0 exp EkT 可远大于 1。即使 ND2 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 hvEg，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). 1 . 2 4 ( m) ( e V )c gE 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： 0() xxe 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 直接跃迁 1 / 2( ) ( )gh A h E 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。 1 / 2()h v h v 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 hvEg，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 （ Photovoltaic effect），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 /0 ( 1 )TVVDI I e 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） /0 ( 1 )TVVL D LI I I I I e 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： 0 l n 1 Lo c T IVV I 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。 ()L L n pI q A G L L 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： AM1：一级气团条件，即太阳 在天顶，测试器件在晴朗天空 下的海平面上。到达太阳电池 的太阳能量略高 100mW/cm2。 AM0：器件放在大气层外（如 卫星上），此时太阳能量约为 135mW/cm2。 大气对太阳光的衰减来自于臭 氧层对紫外光的吸收、尘埃对 太阳光的散射等。 /0 ( 1 )TVVL D LI I I I I e 典型的太阳电池在一级气团光 照下的 I-V特性 6.3 太阳电池的 I V特性 考虑存在串联电阻和分流电阻 串联 电阻 Rs：接触电阻 和薄层电阻的总和。 分流电阻 RSh： PN结漏 泄电流 。 太阳电池的 I-V特性 方程 为： ( ) / 0 1 STV I R V s L Sh V I RI I I e R 6.4 太阳电池的效率 太阳电池的效率 是指太阳电池的 功率转换效率 ，是 太阳电池最大输出功率与输入光功率的百分比，表 示为 ( 100% )m in P P Pin为输入光功率， 是 各种频率的入射 光功率的总和 。 Pm IL 单色光电转化效率 ,即入射单色光子 -电子转化效率 (monochromatic incident photon-to-electron conversion efficiency，用缩写 IPCE表示 )，也叫外量子效率。即 单位 时间内外电路中产生的电子数 Ne与单位时间内的入射单 色光子数 Np之比 。 FNIN ASCe /)( ch PN in P )( ISC为短路光电流密度 (Am -2)， NA为阿佛加德罗常数 (6.0221023mol-1)， F为法拉第常数 (96485Cmol-1)。 为单色光波长 (m)， Pin为 入射单色光的功率 (Wm -2)， h 为普朗克常数 (6.62610-34Js)， c为光速 (3108ms-1)。 6.4 太阳电池的效率 6.4 太阳电池的效率 填充因子 (Fill Factor, FF)：电池具有最大输出功率 (Pm) 时的电流 (ImP) 和电压 (VmP) 的乘积与短路光电流和开路 光电压乘积的比值称为填充因子。 m mP mP L OC L OC P I VFF I V I V IL ( 100 % )m L OC in in P FF I V PP 对于做得好的电池， FF为 0.70.8. Pm ImP VmP