半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)基本特性基本概念、組成、生長技術(shù)能帶圖I-V特性二維電子氣及調(diào)制摻雜器件半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的應(yīng)用半導(dǎo)體激光器及探測器HBT、MOSFET電子器件超晶格和MQW四個概念(回顧）:有效質(zhì)量極小值dE/dk=0拋物線性能帶底附近,泰勒級數(shù)展開有效質(zhì)量能帶極值附近曲率的倒數(shù)反映晶體對電子行為的影響各向異性,取橢球的主軸每種半導(dǎo)體材料特別是合金材料的有效質(zhì)量還沒有完整的數(shù)據(jù)有效質(zhì)量在不同能谷，不同方向各不相同有效質(zhì)量可通過文獻(xiàn)查閱當(dāng)晶體中的電子在外力作用下運動時，它一方面受到外電場力的作用，同時還和半導(dǎo)體內(nèi)部原子、電子相互作用，電子的加速度應(yīng)該是半導(dǎo)體內(nèi)部勢場和外電場綜合作用的結(jié)果。有效質(zhì)量概括了半導(dǎo)體內(nèi)部勢場的作用，使得在解決半導(dǎo)體中電子在外力作用下的運動規(guī)律時不需涉及半導(dǎo)體內(nèi)部勢場的作用。使其運動規(guī)律在形式上與經(jīng)典力學(xué)類似。EffectiveMassesofGeElectrons:Thesurfacesofequalenergyareellipsoids

ml=1.59mo

mt=0.0815moEffectivemassofdensityofstatesmc=(9mlmt2)1/3mc=0.22moEffectivemassofconductivitymcc=0.12moHoles:Heavymh=0.33moLightmlp=0.043moSplit-offbandmso=0.084moEffectivemassofdensityofstatesmv=0.34mohttp://www.ioffe.rssi.ru/SVA/NSM/Semicond/Ge/bandstr.html費米能級:費米能級是系統(tǒng)的化學(xué)勢,當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時,系統(tǒng)中增加一個電子所引起系統(tǒng)自由能的變化.費米能級標(biāo)志著量子態(tài)基本上被電子占據(jù)或基本上為空.當(dāng)量子態(tài)的能量等于費米能級時，電子占據(jù)該量子態(tài)的概率在各種溫度下總是1/2.費米能級直觀地標(biāo)志了電子占據(jù)量子態(tài)的情況,即電子填充能級的水平.f(E)EEF0K300K1000K1500K試計算量子態(tài)的能量比費米能級高或低5kT時，量子態(tài)被占據(jù)的幾率各為多少？等效態(tài)密度電子態(tài)密度,在能量E附近單位能量間隔內(nèi)允許的量子態(tài)數(shù)。費米-狄拉克分布,每個能級上電子占有概率:導(dǎo)帶中電子總數(shù):價帶中空穴總數(shù):導(dǎo)帶等效態(tài)密度價帶等效態(tài)密度遷移率：單位場強(qiáng)下電子的平均漂移速度。在熱平衡狀態(tài)下，一個傳導(dǎo)電子的平均熱能可由能量均分理論得到，即每個電子的平均能量為kT/2。電子在半導(dǎo)體中有三個自由度電子熱運動速度：107cm/s電子遷移率：熱運動+電場作用下的定向運動。主要散射機(jī)構(gòu)：周期性勢場中，電子速度不會受到散射的作用，滿足Bloch定理。散射主要來源于勢場周期性的破壞或有附加勢場的存在。晶格熱振動散射：任何高于絕對零度的晶格原子的熱振動，擾亂了晶格的周期熱場，并且準(zhǔn)許能量在載流子與晶格間作轉(zhuǎn)移。溫度越高，晶格散射越顯著。雜質(zhì)散射：當(dāng)一個載流子經(jīng)過一個電離的雜質(zhì)時，由于庫侖的交互作用，帶電載流子的路徑會偏移。雜質(zhì)散射在較高溫度下變得不太重要。因為較高溫度下載流子移動較快，它們在雜質(zhì)原子附近停留時間短，有效散射減小。載流子散射：對電子而言，由于電子在荷正電的電離施主附近有較低的勢能，因此有較高的濃度，而遠(yuǎn)處有較低的濃度。會產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)，湯川勢。在高密度的情況下，引起態(tài)密度和動量的有效質(zhì)量的增加，從而使散射增強(qiáng)。谷間散射：聲子引起電子由一個能谷到另一個等價能谷的散射。中性雜質(zhì)散射：在很低溫度下，大部分淺施主和受主雜質(zhì)中性狀態(tài)，且晶體中聲子數(shù)量很少，這時中性質(zhì)雜散射可以起重要的作用。合金散射：與合金成分起伏相關(guān)的無序勢引起的散射?？梢詫o序勢引起的勢漲落當(dāng)作微擾，可以求出散射矩陣。在室溫下對SiGe，InGaAs,InP等合金遷移率有一定的影響。位錯散射：通過位錯形變所產(chǎn)生的形變勢散電子。對于帶有電荷的刃型位錯則靜電勢散射電子。荷電位錯的散射作用具有較大的影響。位錯散射對遷移率的影響與位錯的取向有關(guān)。用各種散射機(jī)制解釋實驗結(jié)果：1、較高溫度下，晶格散射占優(yōu)勢，隨溫度升高而下降。2、較低溫度下，當(dāng)晶格散射很弱時，其作用退居次要地位，各種晶格缺陷散射占優(yōu)勢，這時遷移率隨溫度的的降低而下降。3、針對不同的材料，可能有不同的散射機(jī)制影響材料的遷移率。異質(zhì)結(jié)(構(gòu))：兩種不同的半導(dǎo)體做成一塊單晶。結(jié)兩邊的導(dǎo)電類型由摻雜來控制。分同型異質(zhì)結(jié)和異型異質(zhì)結(jié)。特點：兩種材料的禁帶寬度不同，可用于定制裁剪能帶分布。異質(zhì)結(jié)可得到高的注入比，甚至超注入限制載流子，分別限制空穴和電子易形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)引入應(yīng)變，提高器件的可設(shè)計性易引入界面態(tài)量子效應(yīng)引入，實現(xiàn)二維電子氣—量子功能器件。應(yīng)用：光電子器件，高速電子器件，新型量子功能器件。異質(zhì)結(jié)界面的晶格失配：描述兩種材料晶格常數(shù)的差別。晶格常數(shù)小的材料界面形成懸掛鍵，而懸掛鍵排列起來會組成一些刃型位錯。晶格失配：單位面積懸掛鍵數(shù)目：金剛石結(jié)構(gòu)，不同的晶面會有所不同：舉例說明量級考慮晶格失配的同時,也需要考慮兩種材料的熱失配.熱失配在材料生長過程中的考慮:常溫失配小,高溫失配大----冷卻過快,高溫下形成的位錯會凍結(jié).高溫失配小,常溫失配大----快速冷卻會使位錯數(shù)目減小,在常溫下產(chǎn)生較大的應(yīng)力SiGe600CTensileStrain0.14~0.17%實線等禁帶寬度線虛線等晶格常數(shù)線短虛線與InP晶格匹配線紅箭頭禁帶寬度增加的方向半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)能帶圖Anderson定則：以真空能級為標(biāo)準(zhǔn)，確定異質(zhì)結(jié)界面兩側(cè)的導(dǎo)帶底和價帶最高極值的能量隨著坐標(biāo)的變化。導(dǎo)帶底的位置差(帶階)主要由兩種材料的電子親和勢的差決定。請畫出兩種材料接觸后的能帶圖Anderson模型：pN異質(zhì)結(jié)兩種材料接觸后，由于費米能級不同而產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移，直到將費米能級拉平，這樣就在界面處形成了勢壘。但由于能帶的斷續(xù)，勢壘上出現(xiàn)一個尖峰。用耗盡層近似理論，從基本的泊松方程出發(fā)，求解勢壘分布：邊界條件x1x0x2界面上電位移矢量連續(xù)電勢分布，以窄帶一側(cè)以外的電勢為基準(zhǔn)，邊界條件：總電勢差（能帶彎曲程度）由兩種材料的費米能級決定耗盡區(qū)兩側(cè)電中性條件：勢壘在界面兩側(cè)呈拋物線分布勢壘主要落在雜質(zhì)少的一邊耗盡層寬度：耗盡層電荷單位面積電容異質(zhì)結(jié)構(gòu)特點:載流子限制作用:界面處在寬帶一側(cè)形成一個尖峰,而在窄帶一側(cè)出現(xiàn)了一個能谷,尖峰的存在將阻止電子向?qū)拵б粋?cè)運動.勢壘尖峰的位置由摻雜決定.勢壘主要降在摻雜濃度少的一邊.勢壘的分布將由于不同的材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)而不同.pN異質(zhì)結(jié)，導(dǎo)帶帶階較大，對p區(qū)電子向Ｎ區(qū)運動起勢壘作用。nP異質(zhì)結(jié)，階帶帶階較大，對Ｎ區(qū)空穴向Ｐ區(qū)運動起勢壘作用。若干問題:同型異質(zhì)結(jié)：由于同型異質(zhì)結(jié)中界面兩邊載流子類型相同，窄帶一側(cè)是電子的積累層，因此不能用耗盡層近似?？臻g電荷密度將會隨位置發(fā)生變化：pN異型異質(zhì)結(jié)的修正：當(dāng)窄帶一側(cè)的能谷足夠深，勢壘對電子的限制作用，在靠近界面處出現(xiàn)了反型層，則Ｐ區(qū)的少子載流子－電子將對電位的分布產(chǎn)生影響，勢壘阻檔反型層中電子與寬帶一側(cè)多子交換，兩邊電子的費米能級將不能被拉平。泊松方程中電荷密度將改變，影響兩側(cè)勢壘，電容等關(guān)系。Ａnderson定則爭議：兩個半導(dǎo)體內(nèi)的電子能量都和一個共同的參考能量（真空中電子能量）來比較，確定異質(zhì)結(jié)兩邊能量的偏移。即界面的靜電勢是連續(xù)的。爭議：電子轉(zhuǎn)移并不經(jīng)過真空能級電子親和勢與晶體表面狀態(tài)有關(guān)電子親和勢是個大能量值，測量的數(shù)據(jù)誤差較大，而帶階能量很小，該誤差將導(dǎo)致大的帶階偏差。測量能帶帶階的方法：X射線光電子發(fā)射譜XPS量子阱光躍遷光譜C-V法I-V法特點：物理性質(zhì)的測量。X射線光電子發(fā)射譜XPS特點：物理性質(zhì)的測量。X射線光電子發(fā)射譜XPSＸＰＳ測試價電子結(jié)合能體材料參數(shù)樣品制備：N-Sisubstrate,120nmSibuffer,500nmGe表征：XRD,測試樣品的組份和馳豫度XPS測試:Ge3d,Si2pcoreleveltovalence-band-edgebindingenergy.例：XPS測試Si/Ge價帶帶階AppliedPhysicsLetters56(6),560,1990.硅上完全應(yīng)變鍺:a||=5.431AdeltEv=0.83eV(deltEv=0.74x)鍺上完全應(yīng)變硅:a||=5.658AdeltEv=0.22eV.根據(jù)應(yīng)變可計算出平面晶格常數(shù),獲得到結(jié)合能與晶格常數(shù)的關(guān)系.-a/2a/20EV0x其中ξ=2πa(2m*v0)1/2/h,q=2π(2m*(v0-Econf))1/2/hEconf本征能級到阱邊的能差（束縛能）量子阱光躍遷光譜量子阱尺寸效應(yīng)，若勢阱不太深時，實際測量中很難測得激子譜峰，需要在極低溫下進(jìn)行。另外材料的純度要求高。量子阱吸收或光發(fā)射譜中會出現(xiàn)一系列的量子化的峰.由于量子能級分裂與勢阱的高度和量子阱尺度相關(guān),因此可以根據(jù)實驗結(jié)果擬合出勢阱高度.C-V法：測試簡單，但若勢壘高度較小時，引入的誤差大(如同型異質(zhì)結(jié)勢壘)。物理實質(zhì)：是通過外加偏壓的變化，空間電荷區(qū)的寬度就會隨著交流偏壓的變化而變化。和電離施主中和的那部分電子被空間電荷區(qū)的電場掃出或注入。測量的是掃出或注入的電子濃度。C-V法最早的應(yīng)用是測試SiO2/Si界面態(tài)密度。１/C2~V的截距,可以得到勢壘高度VD已知摻雜濃度,就可直接從勢壘高度求出導(dǎo)帶帶階.I-V法：采用熱電子發(fā)射模型，通過ln(j/T2)-1/T的關(guān)系，求出勢壘高度。低溫高偏壓下會出現(xiàn)隧道電流，因此測試應(yīng)該在較高溫和零偏壓附近進(jìn)行。費米釘扎:當(dāng)界面態(tài)密度較大時,如界面上存在著大量的類受主能極或類施主能級,因為它們電離后帶負(fù)電荷或正電荷,將影響到兩邊能帶彎曲的方向.此時通過外加偏壓注入一定量的載流子,并不能改變費米能級的位置.半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的載流子注入異質(zhì)結(jié)的注入比：pN結(jié)加正向偏壓時，n區(qū)向p區(qū)注入的電子流與p區(qū)向n區(qū)注入的空穴流之比。假設(shè)：1)空間電荷區(qū)外半導(dǎo)體是電中性的

2)載流子濃度可用玻爾茲曼統(tǒng)計近似

3)注入少子的密度比多子少得多

4)耗盡層中沒有產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)，沒有界面態(tài)討論概念：非平衡載流子準(zhǔn)費米能級玻耳茲曼分布適用條件平衡時,載流子濃度:外加偏壓時,準(zhǔn)費米能級,載流子濃度:在N型區(qū),電子是多子,在小信號下,擴(kuò)散模型,P區(qū)和N區(qū)中穩(wěn)態(tài)連續(xù)方程:電子和空穴擴(kuò)散電流總電流:電子和空穴電流比:注入比雜質(zhì)完全電離同質(zhì)結(jié):注入比決定于摻雜濃度,因此高注入比需要PN結(jié)一邊高摻雜異質(zhì)結(jié):注入比決定于指數(shù)項,即異質(zhì)結(jié)的禁帶寬度差對pN異質(zhì)結(jié):由于帶階的存在,由左向右空穴注入需要克服勢壘VD和價帶帶階,

而由右向左的電子注入只需克服VD2.只有價帶帶階大的pN異質(zhì)結(jié)才能產(chǎn)生較大的注入比Pn異質(zhì)結(jié)導(dǎo)帶帶階大,才能產(chǎn)生大的注入比注入比:異質(zhì)結(jié)中的超注入現(xiàn)象:注入到窄帶材料中的少子比寬帶材料本身的多子還要多.正向大偏壓,原有的靜電勢壘基本拉平,由于存在導(dǎo)帶階直接的應(yīng)用就是實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),高效發(fā)光異質(zhì)結(jié)I-V特性:以pN結(jié)為例擴(kuò)散模型:寬帶材料中能夠克服勢壘的電子在窄帶邊界聚集,然后以擴(kuò)散方式向中性區(qū)運動由N向p電子擴(kuò)散流由p向N電子擴(kuò)散流:P區(qū)少子:平衡時,兩個電子流相等:外加正向偏壓時:N-P電子流P-N電子流:總的N-P的電子流:考慮界面處對載流子有一定的反射作用,引入透射系數(shù)X,且取正向時:勢壘在結(jié)兩側(cè)的分配:理想因子:表示I-V特性偏離理想模型的程度.同質(zhì)結(jié),理想因子為1,表示I-V特性嚴(yán)格按照擴(kuò)散模型.理想因子大于1,表示I-V特性不完全由擴(kuò)散模型決定,存在界面態(tài)復(fù)合電流.在這里有異質(zhì)勢壘尖峰會使I-V特性偏離擴(kuò)散模型.理想因子只是將復(fù)雜的機(jī)理包含在一個籠統(tǒng)的因子中.同質(zhì)結(jié)I-V特性與理想模型的偏離反向時,異質(zhì)結(jié)構(gòu)仍為指數(shù)關(guān)系????討論！?。嶋H上,加負(fù)電壓時,由于P區(qū)中導(dǎo)帶底升高