半導體異質結構

1、課程主要內容：,第一章 半導體光電材料概述第二章 半導體物理基礎第三章 PN結第四章 金屬-半導體結第五章 半導體異質結構第六章 半導體太陽能電池和光電二極管第七章 發(fā)光二極管和半導體激光器第八章 量子點生物熒光探針,第五章 半導體異質結構,5.1 異質結及其能帶圖,異質結：由兩種不同的半導體單晶材料組成的結。異質結具有許多同質結所所不具有的特性，往往具有更高的注入效率。反型異質結：由導電類型相反的

2、兩種不同的半導體單晶材料構成。如：p-nGe-GaAs（p型Ge與n型GaAs）同型異質結：由導電類型相同的兩種不同的半導體單晶材料構成。如：n-nGe-GaAs（n型Ge和n型GaAs）異質結的能帶圖對其特性起著重要作用。在不考慮界面態(tài)的情況下，任何異質結的能帶圖都取決于形成異質結的兩種半導體的電子親和勢、禁帶寬度以及功函數。功函數隨雜質濃度的不同而變化。,5.1 異質結及其能帶圖,突變異質結：從一種半導體材料向另一種半導體材料的

3、過渡只發(fā)生于幾個原子距離范圍內。緩變異質結：從一種半導體材料向另一種半導體材料的過渡發(fā)生于幾個擴散長度范圍內。突變異質結的能帶圖研究得比較成熟。異質結的能帶圖比同質結復雜（禁帶寬度，電子親合能，功函數，介電常數差異）。由于晶體結構和晶格常數不同，在異質結交界面上形成的界面態(tài)增加了能帶圖的復雜性。,5.1 異質結及其能帶圖,（1）不考慮界面態(tài)時的能帶圖,突變反型(pn)異質結能帶圖（形成異質結前）,P型,N型,,,,,,,?：電子

4、的親和能W：電子的功函數Eg：禁帶寬度,兩種半導體緊密接觸時，電子（空穴）將從n(p)型半導體流向p(n)型半導體，直至費米能級相等為止。,,5.1 異質結及其能帶圖,（1）不考慮界面態(tài)時的能帶圖,突變反型(pn)異質結能帶圖（形成異質結后）,交界面兩邊形成空間電荷區(qū)(x1-x2)，產生內建電場。兩種半導體材料的介電常數不同，因此內建電場在交界面處(x0)不連續(xù)?？臻g電荷區(qū)中的能帶特點：1）能帶發(fā)生彎曲，尖峰和勢阱，2）能帶在交

5、界面處不連續(xù)，有一個突變。,5.1 異質結及其能帶圖,（1）不考慮界面態(tài)時的能帶圖,突變反型(pn)異質結能帶圖（形成異質結后）,內建電勢差VD,導帶階,價帶階,以上式子對所有突變異質結普適,5.1 異質結及其能帶圖,（1）不考慮界面態(tài)時的能帶圖,突變p-nGe-GaAs異質結能帶圖,n-GaAs,交界面兩側半導體中的內建電勢差VD1,VD2由摻雜濃度、空間電荷區(qū)（勢壘區(qū)）寬度和相對介電常數共同決定。,5.1 異質結及其能帶圖,（1）不

6、考慮界面態(tài)時的能帶圖,突變反型(np) 異質結能帶圖,,,形成異質結前,形成異質結后,,,,,P型,N型,,P型,N型,,5.1 異質結及其能帶圖,（1）不考慮界面態(tài)時的能帶圖,形成異質結前,形成異質結后,突變同型(nn)異質結能帶圖,在同型異質結中，一般必有一邊成為積累層，一邊為耗盡層。,,,,,,5.1 異質結及其能帶圖,（1）不考慮界面態(tài)時的能帶圖,形成異質結后,突變同型(pp)異質結能帶圖,對于反型異質結，當?1=?2，Eg1=

7、Eg2,?1=?2時，成為普通的PN結。,5.1 異質結及其能帶圖,（2）考慮界面態(tài)時的能帶圖,制造突變異質結時，通常在一種半導體材料上生長另一種半導體單晶材料，或采用真空蒸發(fā)技術。兩種半導體材料之間的晶格失配：2(a2-a1)/(a1+a2)，a1,a2為兩種半導體的晶格常數。異質結中的晶格失配導致兩種半導體材料的交界面處產生了懸掛鍵，引入了界面態(tài)。,接觸前,接觸后,5.1 異質結及其能帶圖,（2）考慮界面態(tài)時的能帶圖,若兩種半導

8、體材料在交界面處的鍵密度分別為Ns1,Ns2，形成異質結后，晶格常數小的材料表面出現部分未飽和鍵，突變異質結交界面處的懸掛鍵密度：對于兩種相同晶體結構材料形成的異質結，交界面處懸掛鍵密度?Ns取決于晶格常數和作為交界面的晶面。,5.1 異質結及其能帶圖,（2）考慮界面態(tài)時的能帶圖,對于n型半導體，懸掛鍵起受主作用，受主型界面態(tài)施放空穴后帶上負電荷，因此表面能帶向上彎曲。,對于p型半導體，懸掛鍵起施主作用，施主型界面態(tài)施放電子后帶上正

9、電荷，因此表面能帶向下彎曲。,N型,P型,表面能級密度大的半導體能帶圖,-,+,+,-,5.1 異質結及其能帶圖,（2）考慮界面態(tài)時的能帶圖,當懸掛鍵（或界面態(tài)）的密度很高時，界面態(tài)電荷產生的電場往往大于由兩種半導體材料接觸而產生的電勢差，在這樣情況下，異質結的能帶圖往往由界面態(tài)所引起的能帶的彎曲來決定。,5.1 異質結及其能帶圖,（2）考慮界面態(tài)時的能帶圖,pn,pn,np,np,nn,pp,懸掛鍵起施主作用時,懸掛鍵起受主作用時,（

10、界面態(tài)密度很大時）,5.1 異質結及其能帶圖,（2）考慮界面態(tài)時的能帶圖,當兩種半導體的晶格常數極為接近時，晶格間匹配較好，一般可以不考慮界面態(tài)的影響。但在實際中，即使兩種半導體材料的晶格常數在室溫時相同，但如果它們的熱膨脹系數不同，在高溫下，也將發(fā)生晶格失配，從而產生懸掛鍵，在交界面處引入界面態(tài)?；衔锇雽w形成的異質結中，由于化合物半導體中成分元素互擴散，也會引入界面態(tài)。,5.1 異質結及其能帶圖,（3）突變反型異質結的接觸電勢

11、差及勢壘區(qū)寬度,P型,N型,,,,,,,,不考慮界面態(tài)，以突變pn異質結為例。設p型和n型半導體中雜質均勻分布，濃度分別為NA1和ND2. 勢壘區(qū)正負空間電荷區(qū)寬度：d1=x0-x1, d2=x2-x0,求解交界面x0兩邊的泊松方程，得到勢壘區(qū)兩側內建電勢差為：,,?1,?2分別為p型和n型半導體的介電常數。,,XD,5.1 異質結及其能帶圖,（3）突變反型異質結的接觸電勢差及勢壘區(qū)寬度,P型,N型,,,,,,,,勢壘區(qū)內的正負電荷總

12、量相等，,,,,,XD,勢壘區(qū)寬度：,，,5.2 突變異質pn結的電流電壓特性,異質結由兩種不同材料形成，交界面處能帶不連續(xù)，存在界面態(tài)，因此異質結的電流電壓關系比同質結復雜得多。異質pn結按勢壘尖峰高低的不同，有兩種情況，分別采用不同的模型來處理電流電壓特性。低勢壘尖峰：勢壘尖峰頂低于p區(qū)導帶底，采用擴散模型。高勢壘尖峰：勢壘尖峰較p區(qū)導帶底高得多，采用發(fā)射模型。,P,N,P,N,5.2 突變異質pn結的電流電壓特性,（1）低勢

13、壘尖峰情況——擴散模型,P,N,P,N,外加正向偏壓V,（V1,V2分別為加在p區(qū)和n區(qū)的電壓）,零偏壓,正偏壓,通過異質pn結的總電流密度：,5.2 突變異質pn結的電流電壓特性,（1）低勢壘尖峰情況——擴散模型,外加正向偏壓V,,由窄帶隙p型半導體和寬帶隙n型半導體形成的異質pn結，?Ec>0, ?Ev>0, 且比室溫下k0T大得多。,P,N,,通過結的電流主要由電子電流組成，空穴電流占比很小。,由于導帶階?Ec 的存在

14、，n區(qū)電子面臨的勢壘高度由qVD下降至qVD-?Ec，而空穴面臨的勢壘高度升高了?Ev，導致電子電流大大超過空穴電流。,5.2 突變異質pn結的電流電壓特性,（2）高勢壘尖峰情況——熱電子發(fā)射模型,外加正向偏壓V,P,N,由n區(qū)擴散向結處的電子，只有能量高于勢壘尖峰的才能通過發(fā)射機制進入p區(qū)。,正向電流主要由從n區(qū)注入p區(qū)的電子流形成。,發(fā)射模型也得到正向電流隨電壓按指數關系增加。,EFn,EFp,5.3 異質pn結的注入特性,（1）

15、異質pn結的高注入特性,異質pn結（低勢壘尖峰）電子電流與空穴電流的注入比為：,（飽和雜質電離時）,電子、空穴擴散系數D 和擴散長度L 在同一數量級，而,可遠大于1。即使ND2 <NA1,仍可得到很大的注入比。,5.3 異質pn結的注入特性,（1） 異質pn結的高注入特性,表明即使禁帶寬n區(qū)摻雜濃度比p區(qū)低近兩個數量級，但注入比仍可高達 。,例如：寬禁帶n型 和窄禁帶p型GaAs組成異質p

16、n結。,p區(qū)摻雜濃度為：,，n區(qū)摻雜濃度為：,可得，,異質pn結的這一高注入特性是區(qū)別于同質pn結的主要特點之一，也因此得到重要應用。,5.3 異質pn結的注入特性,（2） 異質pn結的超注入現象,超注入現象：在異質pn結中由寬禁帶半導體注入到窄禁帶半導體中的少數載流子濃度可超過寬帶半導體中多數載流子濃度。這一現象首先在p-nGaAs- 異質結中觀察到。,加正向電壓時n區(qū)導帶底相對p區(qū)導帶底隨所

17、加電壓的增加而上升，當電壓足夠大時，n區(qū)導帶底甚至高于p區(qū)導帶底。p區(qū)電子準費米能級隨電子濃度的上升很快，正向大電流,穩(wěn)態(tài)時，結兩邊電子的準費米能級可達到一致。,由于p區(qū)導帶底距EFn 較n區(qū)導帶底更近，故p區(qū)導帶電子濃度高于n區(qū)。,5.3 異質pn結的注入特性,（2） 異質pn結的超注入現象,p區(qū)和n區(qū)電子濃度之比：,只要n區(qū)導帶底比p區(qū)導帶底高出的值較k0T 大一倍，則n1比n2大近一個數量級。,超注入現象是異質結特有的另一重要

18、特性，可實現異質結激光器所要求的粒子數反轉條件，在半導體異質結激光器中得到重要應用。,課程主要內容：,第一章 半導體光電材料概述第二章 半導體物理基礎第三章 PN結第四章 金屬-半導體結第五章 半導體異質結構第六章 半導體太陽能電池和光電二極管第七章 發(fā)光二極管和半導體激光器第八章 量子點生物熒光探針,第六章 半導體太陽能電池和光電二極管,引言,半導體太陽能電池是直接把太陽能轉換成電能的器件。光電二極管

19、用于檢測各種光輻射信號，是一種重要的光探測器。光電二極管和半導體太陽電池的基本工作原理相同，都是利用光生伏打效應工作的器件。,6.1 半導體中光吸收,,,,6.1 半導體中光吸收,本征吸收：電子由價帶到導帶之間的躍遷所形成的吸收。如(a)和(b)。相應的電子躍遷過程稱為本征躍遷或帶-帶躍遷。本征吸收條件：hv?Eg本征吸收限波長：hv>Eg時，除產生一個電子-空穴對外，多余的能量hv-Eg將以熱的形式耗散掉。,非本征躍遷

20、：如果hv<Eg，則只有當禁帶內存在合適的化學雜質或物理缺陷引起的能態(tài)時，光子才會被吸收。如(c).,6.1 半導體中光吸收,吸收系數,假設半導體被一光源照射，沿光傳播方向上，在距離表面x處的光通量（單位時間垂直通過單位面積的光子數）為：,吸收系數?是光子能量h? 的函數，稱為吸收曲線。吸收系數在截止波長?c處急劇下降，截止波長附近的吸收曲線稱為吸收邊。,,直接躍遷,6.1 半導體中光吸收 — 本征吸收,hk’ – hk = 光子

21、動量 但一般半導體吸收的光子，其動量遠小于能帶中的電子的動量，光子動量可忽略不計， k’ ? k ，電子吸收光子產生躍遷時波矢保持不變，如價帶中狀態(tài)A的電子只能躍遷到導帶中的狀態(tài)B，這種躍遷稱為直接躍遷，屬于本征躍遷。,光照下，電子吸收光子的躍遷過程，除滿足能量守恒外，還必須滿足動量守恒。,直接躍遷,任何一個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應等于禁帶寬度。,直接帶隙半導體：半導體的導帶極小值和價帶

22、極大值對應于相同的波矢。在本征吸收過程中，產生電子的直接躍遷。,6.1 半導體中光吸收 — 本征吸收,6.1 半導體中光吸收 — 本征吸收,直接帶隙半導體帶隙的測定,理論計算表明，直接躍遷中吸收系數和光子能量的關系為,A為常數,,,Eg,吸收譜,,?,6.1 半導體中光吸收 — 本征吸收,間接躍遷,間接帶隙半導體：Ge、Si一類半導體，價帶頂和導帶底對應于不同的波矢k。,,間接躍遷：電子不僅吸收光子，同時還和晶格交換一定的振動動量，即放

23、出或吸收一個聲子。聲子的能量非常小，可以忽略不計。間接躍遷的概率（光吸收系數）比直接躍遷的概率（光吸收系數）小得多。,間接帶隙半導體帶隙的測定,間接躍遷中吸收系數和光子能量的關系為,只要對 作圖，并將直線部分外推到與 hv 軸相交，即可得到帶隙值Eg。,6.1 半導體中光吸收 — 本征吸收,A’為常數,6.1 半導體中光吸收 — 其他吸收過程,激子：受激電子和空穴互相束縛而結合在一起成為一個新的系

24、統(tǒng)，這種系統(tǒng)稱為激子。激子吸收：光子能量hv<Eg，價帶電子受激發(fā)后雖然躍出了價帶，但還不足以進入導帶而成為自由電子，仍然受到空穴的庫侖場作用，這種吸收即激子吸收。,6.1 半導體中光吸收 — 其他吸收過程,自由載流子吸收：入射光子能量小于帶隙時，自由載流子在同一帶內的躍遷。,,雜質吸收：束縛在雜質能級上的電子或空穴的吸收。電子可以吸收光子躍遷到導帶能級；空穴也同樣可以吸收光子而躍遷到價帶。晶格振動吸收：遠紅外區(qū)，光子能量直接

25、轉換為晶格振動動能。,6.1 半導體中光吸收 — 其他吸收過程,,,,,資源豐富：40分鐘照射地球輻射的能量＝全球人類一年的 能量需求。潔凈能源：不會導致“溫室效應”，不會造成環(huán)境污染。使用方便：同水能、風能等新能源相比，不受地域的限制， 成本低。,,6.2 半導體太陽能電池,6.2 半導體太陽能電池,半導體太陽能電池是直接把太陽能轉換成電能的器件。利用各種勢壘的光生伏打效應

26、（Photovoltaic effect），也稱為光生伏打電池，簡稱光電池。1883年，弗里茨首次用硒制造了光生伏打電池。1941年，奧勒制作了單晶硅光電池。1954年，貝爾實驗室制作了第一個實用的硅太陽能電池。,太陽電池的優(yōu)點：壽命長、效率高、性能可靠、成本低、無污染。幾乎所有空間設備和裝置均使用太陽電池。在地面上，太陽電池作為無人氣象站、無人燈塔、微波中繼站的電源盒自控系統(tǒng)的光電元件。目前，太陽電池的光電轉換效率已相當可

27、觀。在AM1.5條件下，單晶硅電池的效率達到近24%，非晶硅電池為13.2%，而InGaPAs/GaAs疊層電池已達到41.4%。,6.2 半導體太陽能電池,太陽能電池的基本結構如右圖所示：,PN結的光生伏打效應是指半導體吸收光能后在PN結上產生電動勢。,,,,（大面積蒸鍍金屬）,減少陽光反射,,6.2 半導體太陽能電池,PN結的光生伏打效應主要涉及三個主要的物理過程：（1）半導體材料吸收光能產生非平衡的電子-空穴對；（2）產生的非

28、平衡電子和空穴從產生處以擴散或漂移 的方式向勢場區(qū)（PN結的空間電荷區(qū)）運動，這種勢場也可以是金屬－半導體的肖特基勢壘或異質結的勢壘等；（3）進入勢場區(qū)的非平衡電子和空穴在勢場的作用下向相反方向運動而分離，在P側積累空穴，在N側積累電子，建立起電勢差。,6.2 半導體太陽能電池,開路電壓Ｖoc：PN結開路時，兩端的電勢差。光電流：PN結兩端連接負載時，通過的電流。短路光電流IL：PN結短路時的電流，是PN結太陽能電池能提供的最大電

29、流。光照下，在PN結擴散區(qū)以內產生的電子-空穴對，一旦進入PN結的空間電荷區(qū)，就會被內建電場所分離，在P（N）區(qū)邊界將積累非平衡空穴（電子），產生一個與平衡PN結內建電場方向相反的光生電場。,6.2 半導體太陽能電池,開路狀態(tài)下，光生載流子積累于PN結兩側。PN結兩端的電位差（即開路電壓）就是光生電動勢Voc。非平衡載流子的出現意味著N（P）區(qū)電子（空穴）準費米能級升高（降低），二者直接的距離等于qVoc。PN結勢壘高度比熱平衡時

30、下降qVoc。,6.2 半導體太陽能電池,外部短路時，短路電流在PN結內部從N區(qū)指向P區(qū)。非平衡載流子不再積累在PN結兩側，光電壓為零。能帶圖恢復為（a，無光照平衡PN結情形）。一般情況下，即使無負載，也存在等效串聯電阻Rs。光生載流子只有一部分積累于PN結上，使勢壘降低qV。P、N區(qū)費米能級相差qV。,與電注入相比，光生電流方向相當于普通二極管反向電流的方向。,6.2 半導體太陽能電池,暗電流：光照使PN結勢壘降低等效于外加正向偏壓

31、，同樣能引起P區(qū)空穴和N區(qū)電子向對方注入，形成PN結正向注入電流，方向與光生電流方向相反。是太陽電池的不利因素，應設法減小。,6.2 半導體太陽能電池,太陽電池的I－V特性,串聯電阻Rs=0的理想情況：,RL為負載電阻，IL為短路光電流，ID為暗電流（即PN結正向電流）,,肖克利方程,,6.2 半導體太陽能電池,結飽和電流,,6.3 太陽電池的I－V特性,串聯電阻Rs=0的理想情況：,PN結上的電壓為：,開路情況下，I=0，得到開路電壓

32、為：,這是太陽電池能夠提供的最大電壓。,短路情況下，V=0，得到短路電流為：I=IL,這是太陽電池能夠提供的最大電流。,GL:光生電子-空穴對的產生率，A:PN結的面積，A(Ln+Lp):光生載流子的體積。,短路電流取決于光照強度和PN結的性質。,整個器件均勻吸收太陽光的情況下：,6.3 太陽電池的I－V特性,串聯電阻Rs=0的理想情況：,AM1：一級氣團條件，即太陽在天頂，測試器件在晴朗天空下的海平面上。到達太陽電池的太陽能量略高10

33、0mW/cm2。AM0：器件放在大氣層外（如衛(wèi)星上），此時太陽能量約為135mW/cm2。大氣對太陽光的衰減來自于臭氧層對紫外光的吸收、塵埃對太陽光的散射等。,典型的太陽電池在一級氣團光照下的I-V特性,6.3 太陽電池的I－V特性,考慮存在串聯電阻和分流電阻,串聯電阻Rs：接觸電阻和薄層電阻的總和。分流電阻RSh：PN結漏泄電流。太陽電池的I-V特性方程為：,,,6.4 太陽電池的效率,太陽電池的效率是指太陽電池的功率轉換效率

34、，是太陽電池最大輸出功率與輸入光功率的百分比，表示為,Pin為輸入光功率，是各種頻率的入射光功率的總和。,Pm,IL,單色光電轉化效率,即入射單色光子-電子轉化效率 (monochromatic incident photon-to-electron conversion efficiency，用縮寫IPCE表示)，也叫外量子效率。即單位時間內外電路中產生的電子數Ne與單位時間內的入射單色光子數Np之比。,ISC為短路光電流密度(A&#

35、183;m-2)，NA為阿佛加德羅常數(6.022?1023mol-1)，F為法拉第常數(96485C·mol-1)。,?為單色光波長(m)， Pin為入射單色光的功率(W·m-2)，h為普朗克常數(6.626?10-34J·s)，c為光速(3?108m·s-1)。,6.4 太陽電池的效率,6.4 太陽電池的效率,填充因子(Fill Factor, FF)：電池具有最大輸出功率 (Pm) 時的電流