校历第八周计划（10.14-10.20）：pn结（下）和半导体异质结构

10.14

pn结电流电压特性

外接正向偏压下V（p区接正极，n区接负极）时，由于势垒区载流子浓度很小，电阻很大，相对于势垒区外的p区和n区中的载流子密度很大，电阻很小，外接电压基本可以视为是在势垒区两端。正向偏压方向与内建电场方向相反，因此势垒区宽度减小。势垒高度由qVd降到q（Vd-V）。如6-10.
n区的电子和p区的空穴都是多数载流子，分别进入p区和n区后成为p区和n区的非平衡少数载流子，这种由于外加正向偏压的作用使费平衡载流子进入半导体的非平衡载流子的电注入。
当pn结加反向偏压V时，反向偏压在势垒区产生的电场方向与内建电场方向一致，势垒区变宽，如6-12所示。

pn结击穿

当所加的反向偏压很大时，势垒区的电子和空穴收到强电场的漂移作用，具有很大的动能。他们与势垒区的晶格原子发生碰撞时，把价键上的电子碰撞出来，称为导电电子。同时产生一个空穴。这样倍增效应下，势垒区就会产生大量载流子，迅速增大了反向电流造成雪崩击穿。
pn结外接反向偏压时，势垒区能带发生倾斜；当n区的导带底比p区的价带顶还低。由隧道效应，大量电子从价带穿过禁带进入导带所引起的一种击穿现象叫隧道击穿。

10.15

半导体异质结及其能带图

异质结是由两种不同的半导体单晶材料形成的，根据这两种半导体单晶材料的导电类型，异质结又分为反型异质结和同型异质结。反型异质结是指导电类型相反的两种不同的半导体单晶材料所形成的异质结，如（P型锗，N型砷化镓）。同型异质结是指导电类型相同的两种不同，如（n型锗和n型砷化镓）。
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，则称为突变异质结。如果发生于几个扩散长度范围内，则称为缓变异质结。
不考虑界面态时，突变反型异质结构能带图如下图所示，具体分析过程比较繁杂，见P274页，不再此处复写。
如图为异质结的能带图。可以看出，其一是能带发生了弯曲，n型半导体的导带底和价带顶的弯曲量为qVd2，而且导带底在交界面初形成一向上的‘尖峰’。p型半导体导带底在交界面处形成一向下的‘凹口’。其二是能带在交界面处不连续有突变。
突变同型异质结的能带图如下图所示

10.16

半导体异质PN结的电流电压特性及注入特性

半导体异质结pn结界面导带连接处存在一势垒尖峰，根据尖峰高低的不同，如图所示，两者的不同在于势垒尖峰低于或高于p区导带底的情况。这两种情况分别对应两种机制，前者主要由扩散机制决定，后者由电子发射机制决定。

半导体异质结量子阱结构

由宽禁带重掺杂的n型与不掺杂GaAs组成的异质结构，由于前者费米能级距离导带底很近，远高于位于禁带中部的GaAs费米能级，因此在两者组成结达到平衡后，空间电荷区正负电荷产生的电场使结附近的能带发生弯曲，能带图如图所示。在GaAs近结处形成势阱。取垂直于异质结结面的方向为z轴。
势阱中的电子在与结平行的平面内做自由电子运动，实际上就是在量子阱区内的准二维运动，故称为二维电子气，简写为2DEG。
在宽禁带半导体材料上异质外延极薄的GaAS,再异质外延较厚的就可以形成单量子阱结构。其能带图如图所示。

10.17

半导体应变异质结构

在一种材料衬底上外延另外晶格常数不匹配的材料时，只需要两种材料的晶格常数相差不是很大，外延层的厚度不超过某个临界值时，仍可获得晶格匹配的异质结构。但生长的外延层发生了弹性形变，在平行于结面方向产生张应变或压缩应变，使其晶格常数改变为与衬底的晶格常数相匹配，同时在与结平面垂直的方向也产生相应的应变。这种异质结称为应变异质结。外延层厚度超过临界值时，恢复原来的晶格常数，称为弛豫。
使用应变异质结构的目的是利用异质外延半导体应变薄层中某些特性（如载流子迁移率等）的改善，以提高器件和集成电路特性。

10.18

半导体超晶格

半导体超晶格是指由交替生长两种半导体材料薄层组成的一维周期性结构，而其薄层厚度的周期小于电子的平均自由程的人造材料。目前生长半导体超晶格材料的最佳技术是分字束外延（MBE）技术，可控制到单层原子的生长。
超晶格被分为两类：成分超晶格和掺杂超晶格。前者是周期性改变薄层的成分而形成的超晶格，如；后者是周期性改变同一层分的各薄层中的掺杂类型而形成的超晶格，如由n型和p型的硅薄层与本征层相间组成的周期型结构NIPI，并称为NIPI晶体（N\P\I依次代表N型层、P型层、本征层）。
半导体超晶格结构是在半绝缘的GaAs衬底上，外延生长GaAs薄层，再在其上面交替的生长厚度为几纳米至几十纳米的薄层而构成。

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