2015第6次课第四章异质结的伏安特性ppt课件.ppt

电流传输电流传输正向突变反型异质结正向突变反型异质结通过势垒的方式多样，一般不存在多数情况下占主导的机制通过势垒的方式多样，一般不存在多数情况下占主导的机制可能的机制有：可能的机制有：*扩散扩散*发射发射*隧穿隧穿*复合复合扩散－发射扩散－发射发射－复合发射－复合隧穿－复合隧穿－复合发射－复合－隧穿发射－复合－隧穿多多种种模模型型第四章第四章异质结的伏安特性异质结的伏安特性4.1突变异质结的伏安特性(a)(a)低尖峰势垒低尖峰势垒由由n n区扩散向结处的电子流可以区扩散向结处的电子流可以通过发射机制越过尖峰势垒进入通过发射机制越过尖峰势垒进入p p区区. .因此异质因此异质pn pn 结的电流主要有结的电流主要有扩散机制决定扩散机制决定- -扩散模型扩散模型. .( b) ( b) 高尖峰势垒高尖峰势垒由由n n区扩散向结处的电子区扩散向结处的电子, , 只有能量只有能量高于势垒尖峰的才能通过发射机高于势垒尖峰的才能通过发射机制进入制进入p p区区, ,异质异质pn pn 结的电流主要结的电流主要有电子发射机制决定有电子发射机制决定- -发射模型发射模型. .qVD1qVD2ΔECΔEV qVD24.1.14.1.1 低尖峰势垒用扩散模型低尖峰势垒用扩散模型. .电子由电子由n n型半导体的导带到型半导体的导带到p p型半导体的导带遇到的势垒高型半导体的导带遇到的势垒高度为度为(qV(qVD D-DE-DEc c) )空穴由空穴由p p型半导体的价带到型半导体的价带到n n型半导体的价带遇到的势垒高型半导体的价带遇到的势垒高度为度为(qV(qVD D+DE+DEV V) )1 1空间电荷区之外半导体是电中性的；空间电荷区之外半导体是电中性的；2 2载流子浓度可以用玻尔兹曼统计来近似；载流子浓度可以用玻尔兹曼统计来近似；3 3注入的少子密度比多子少得多（小信号情况）；注入的少子密度比多子少得多（小信号情况）；4 4耗尽层中没有产生复合效应，没有界面态。

耗尽层中没有产生复合效应，没有界面态假设：假设：同质同质P-n结时的情况结时的情况当外加电压当外加电压V V施加在半导体施加在半导体材料上时，其伏安特性即电材料上时，其伏安特性即电压同电流的关系为：压同电流的关系为： I=AI=A [exp(eV/kT)-1][exp(eV/kT)-1]式中式中A A为一常数，为一常数，e e为电子电为电子电荷，荷，k k为玻尔兹曼常数，为玻尔兹曼常数，T T为为温度可以看出电流的大小温度可以看出电流的大小是随着外加电电压的增大而是随着外加电电压的增大而呈指数形式上升的呈指数形式上升的零偏压零偏压有偏压有偏压P P 区少子和区少子和n n区多子关系区多子关系电压电压V使使x1处的载流子浓度由处的载流子浓度由注入到注入到P型区的少子运动的连续性方程为型区的少子运动的连续性方程为:一边扩散，一边复合，建立起稳定一边扩散，一边复合，建立起稳定的过剩载流子分布的过剩载流子分布求求A：：求求B：：从从p型区价带底到型区价带底到n型区价带底的势垒高度为型区价带底的势垒高度为qVD1+qVD2+ Ev=qVD+ Ev4.1.2热电子发射模型（高势垒尖峰情况）热电子发射模型（高势垒尖峰情况）从右到左的热电子发射电流从右到左的热电子发射电流v vr rA由由p p区注入到区注入到n n区的电子要越过势垒高度区的电子要越过势垒高度正向时可忽略正向时可忽略正反两个方向的电压都按指正反两个方向的电压都按指数增加数增加扩散或热电子发射：扩散或热电子发射：(4.13)(4.13)室不能应用于反向情况，室不能应用于反向情况，因为反向时，电子流是从因为反向时，电子流是从p p区注入到区注入到n n区的，反向电流区的，反向电流由由 p p区少数载流子决定，在区少数载流子决定，在较大的反向电压下应该是饱较大的反向电压下应该是饱和的。

和的b b是二极管的理想因子是二极管的理想因子4.1.3 4.1.3 隧穿机制隧穿机制隧道电流表现出来的特点是隧道电流表现出来的特点是lnJ-VlnJ-V的曲线斜率和温度无关的曲线斜率和温度无关T1T2T3VLg(J)4.2 异质结的注入比电子面临的势垒下降：电子面临的势垒下降：V VD D- - E EC C空穴面临的势垒上升空穴面临的势垒上升: V: VD D+ + EvEv同质结：掺杂同质结：掺杂异质结：利用带阶异质结：利用带阶注入比：注入比：4.2 异质结的注入比异质结的注入比我们将注入比我们将注入比r r定义为：在定义为：在p-Np-N结上加有正向电压时，由结上加有正向电压时，由N N区区向向p p区注入的电子流区注入的电子流J JN→pN→p同同p p区向区向N N区注入的空穴流区注入的空穴流J Jp→Np→N的的比值，即比值，即r=Jr=JN→pN→p/J/Jp→Np→N理论分析得出：理论分析得出： r=Dr=D exp(exp( Eg/kT) Eg/kT) 式中式中D D为常数同质结：同质结： E Eg g=0=0，，r=Dr=D。

异质结：异质结：r r 随着随着 EgEg呈指数上升呈指数上升例如，在例如，在p-GaAs/N-Alp-GaAs/N-Al0.30.3GaGa0.70.7AsAs异质结中，它们的异质结中，它们的 E Eg g=0.33eV=0.33eV，结果注入比，结果注入比r r高达高达7.47.4××10105 5，因而注入比提高，因而注入比提高了七十四万倍在同样的正向电压下，可以获得更高的了七十四万倍在同样的正向电压下，可以获得更高的注入电子浓度注入电子浓度 对于晶体管和半导体激光器等器件来说对于晶体管和半导体激光器等器件来说, , ““注人比注人比””是个很重要的物理量是个很重要的物理量, , 它决定晶体管的放大倍数它决定晶体管的放大倍数、激光器的注人效率和阐值电流密度、激光器的注人效率和阐值电流密度, , 因为总电流中因为总电流中只有注人到基区或有源区中的少数载流子只有注人到基区或有源区中的少数载流子, , 才对器件的才对器件的功能发挥真正的作用所以功能发挥真正的作用所以, , 用异质结宽带隙材料作发射用异质结宽带隙材料作发射极极, , 效率会很高效率会很高, , 这是异质结的特性之一这是异质结的特性之一nEpn n+ collectorGaAsGaAsAlGaAsBCn-AlGaAs / p-GaAs / n+GaAs HBTFirst HBT in the history of BJTPrinciple of Operation•Wide bandgap emitter•Dependence of common-emitter current gain on doping levels and energy band discontinuity at the emitter-base interface•Exponent factor can be very large to compensate for Nde/Nbe ratioPrinciple of Operation•Base doping higher than emitter doping–Lower base resistance improves fmax–Scaling limitation due to punch through eliminated–Base charge is insensitive to output voltage VCB (Early voltage increases )–Reduced high current effectsPrinciple of Operation•Lower emitter doping–Reduced bandgap narrowing•Reduction in minority carrier concentration in the emitter•Improvement in current gain–Reduced CBE•Emitter-base space-charge region broadens on emitter side of the junctionReduction in emitter doping levels reduces what? Why?4.3 4.3 超注入现象超注入现象加正向电压时加正向电压时, n, n区导带底上升区导带底上升, ,结势垒可被拉平结势垒可被拉平. .由于导带阶的存在由于导带阶的存在, n, n区导带底甚至高于区导带底甚至高于 p p区导带底区导带底, , 准费米能级可达到一准费米能级可达到一致致. .p p区导带底较区导带底较n n区导带底低区导带底低, ,距距E EFnFn更近更近. .故故p p区导带的电子浓度高于区导带的电子浓度高于n n区区. .应用注入到窄带区的少数载流应用注入到窄带区的少数载流子浓度达到子浓度达到10101818 cm cm-3 -3以上以上, ,实现实现粒子数反转粒子数反转. .加加了了较较大大正正向向偏偏置置电电压压之之后后，，N-AlN-Alx xGaGa1-x1-xAs/p-GaAsAs/p-GaAs中中，，位位于于N N区区的的导导带带上上的的电电子子的的能能量量比比p p区区的的导导带带底底的的能能量量还还高高，，在在外外加加电电压压的的作作用用下下，，电电子子注注入入到到p p区区的的导导带带中中，，至至使使p p区区的的电电子子比比N N区区的的电电子子还还多多( (常常规规情情况况下下是是N N区区的的电电子子多多，，p p区区的的空空穴穴多多) )。

在在p-Np-N结结p p区区一一侧侧载载流流子子堆堆积积得得很很多多，，即即注注入入到到p p区区的的少少子子（（电电子子））的的浓浓度度比比N N区区的的多多子子（（电电子子））的的浓浓度度还还多多，，以以至至于于达达到到简简并并化化的的程程度度，，这这就就是是超超注注入入现现象，它也是光电子器件的重要物理基础之一象，它也是光电子器件的重要物理基础之一Fundamental physical phenomena in classical heterostructures(a)(b)(c)One-side InjectionPropozal — 1948 (W. Shokley)Experiment — 1965 (Zh. Alferov et al.)SuperinjectionTheory — 1966 (Zh. Alferov et al.)Experiment — 1968 (Zh. Alferov et al.)Diffusion in built-in quasielectric fieldTheory — 1956 (H. Kroemer)Experiment — 1967 (Zh. Alferov et al.)问题？问题？1. 1.热电子发射模型和扩散模型的区别？热电子发射模型和扩散模型的区别？2. 2. b b 指数和那些因素有关。

指数和那些因素有关3. 3.什么是钉扎效应什么是钉扎效应4. 4.伏安特性的微商研究法伏安特性的微商研究法4.4 4.4 有界面态的异质结的伏安特性有界面态的异质结的伏安特性4.4.14.4.1热电子发射和多阶隧道的并联模型热电子发射和多阶隧道的并联模型４４.4.2 .4.2 隧穿复合模型隧穿复合模型4.4.34.4.3界面能级的电离对伏安特性的影响界面能级的电离对伏安特性的影响4.4.4 4.4.4 完全经由界面态的复合电流完全经由界面态的复合电流(1) 发射复合模型(2)反向串联schottky 二极管模型(3) 界面复合和隧道复合串联4.4.5 4.4.5 表面复合对伏安特性的影响表面复合对伏安特性的影响4.5 4.5 伏安特性的微商研究伏安特性的微商研究4.4 4.4 有界面态的异质结的伏安特性有界面态的异质结的伏安特性无界面态：无界面态：热电子发射热电子发射扩散扩散隧穿隧穿有界面态：有界面态：经由界面态经由界面态复合复合4.4.14.4.1热电子发射和多阶隧道的并联模型热电子发射和多阶隧道的并联模型GaAs/AlAs：晶格失配：：晶格失配：0.16%NtI2I1EbP-GaAsN-AlGAAsI1I2I并联并联 小电压下越过势垒的小电压下越过势垒的qVDqVD的电子数目很少，的电子数目很少，热电子发射电流很小，总电流将由隧道电流热电子发射电流很小，总电流将由隧道电流决定，当电压增大时，热电子发射电流迅速决定，当电压增大时，热电子发射电流迅速增加并超过隧道电流，因此总电流由热电子增加并超过隧道电流，因此总电流由热电子发射电流决定。

发射电流决定 常数常数A A的数值对不同的异质结差别很大，的数值对不同的异质结差别很大，说明界面能级的数目与生长工艺有关转折说明界面能级的数目与生长工艺有关转折点的电流定性的反映出界面能级的数量点的电流定性的反映出界面能级的数量４４.4.2 .4.2 隧穿复合模型隧穿复合模型1电压小时，电流由复电压小时，电流由复合，扩散决定合，扩散决定2电压大时，电流由隧电压大时，电流由隧穿决定p串联过程串联过程p速率限制过程速率限制过程p在在 较低偏压下较低偏压下复合复合是是 速率限制因素曲线斜率随温速率限制因素曲线斜率随温度度 增加而增加而 减小减小 p较大偏压下结电流的大小较大偏压下结电流的大小 主要主要 受隧穿的受隧穿的 限制隧道隧道复合复合4.4.3界面能级的电离对伏安特性的影响界面能级的电离对伏安特性的影响The zero-bias charge Qo inthese states fixes the energy-band relationship of Fig. 1 (a).np当当DsDs等于等于0 0时时界面态大到一定值，出现钉扎界面态大到一定值，出现钉扎。

A sample calculation will clarify this treatment. We consider an n-p: Ge-GaAs heterojunction withNa=Nd= 1016 cm-3, Ega =0.7 eV, Egb = 1.4eV, e ea= 16e e0 0,e eb = 11.5e e0 0, Ev = 0.6 eV当当D Ds s不等于不等于0 0时时P P型半导体型半导体- -金属肖特基势垒加上一个金属肖特基势垒加上一个n n型半导体肖特基势垒型半导体肖特基势垒电流由势垒高度大的一方决定电流由势垒高度大的一方决定1) (1) 发射复合模型发射复合模型4.4.4 完全经由界面态的复合电流完全经由界面态的复合电流qVD2对于一个对于一个p-Np-N异质结异质结 （（2 2）） 反向串联反向串联schottky schottky 二极管模型二极管模型界面态密度低时，同界面态密度低时，同样有扩散、发射、隧样有扩散、发射、隧穿等的机制与反型异穿等的机制与反型异质结的类似质结的类似界面态密度高时，类似界面态密度高时，类似与背靠背的双肖特基二与背靠背的双肖特基二极管极管对对n-N n-N 型异质结，当有大量界面态时，可以看成两个肖特基管反向串联。

型异质结，当有大量界面态时，可以看成两个肖特基管反向串联I1I2V1V2I1I2V1V2I=II=I1 1=I=I2 2V=VV=V1 1+V+V2 2上式求上式求VD利用转折点求IS1和IS2击穿来的早时，找不到饱和区击穿来的早时，找不到饱和区12V1V2一次微商一次微商二次微商二次微商令二次微商等于零令二次微商等于零转折点转折点转折点的斜率转折点的斜率用用V0,I0求出求出Is1,Is2-VD4.4.54.4.5表面复合对伏安特性的影响表面复合对伏安特性的影响The effect of surface recombination on current inAlxGa1- xAs heterojunctionsAn array of long thin mesas were fabricated on each wafer. They ranged in size from 50m m x 500m m. to 125m m x 500 m. m. Thus the p-n junctions had areas varying by afactor of 2.5, but perimeters varying by only 13%. Below 10-4 A the 1-V curves of all junctions were almost identical and increased with bias as 2kT current. The small variations in the amplitude of the 2kT current did not correlate with area. This is strong evidence that the 2kT current is not primarily due to recombination occurring within the interior of the p-n junction, but is instead due to recombination at the perimeter.4.5 伏安特性的微商研究法VIIjIjRVjRshIshP-AlGaN capping layerInGaN MQW active layern-GaN guiding layerSapphire substrateUndoped GaNn-electrode(Ti/Al)p-electrode(Ni/Au)p-GaNp-AlGaN/GaN MD-SLS cladding layerp-GaN guiding layern-AlGaN/GaN MD-SLS cladding layerGaN buffer layerP型欧姆接触型欧姆接触P型串联接触型串联接触P型欧姆接触型欧姆接触P型串联接触型串联接触1接触电阻膜系选择表面处理退火2串联电阻：掺杂3 结特性带阶掺杂界面态器件特性的改善器件特性的改善IjIjRVjRshIsh导出导出Vj和和V,I的关系的关系I1 1可求出串联电阻可求出串联电阻2 2 求求b b优点：优点：1 1测量灵敏度提高了，测量灵敏度提高了，2 2 求出串联电阻和求出串联电阻和b b值。

值Saturation of the junction voltage in stripe-geometry(AlGa)As double-heterostructure junction lasersThomas L. Paoli and Peter A. BarnesSaturation of the junction voltage has been observed to occur at the onset of lasing in cw stripe-geo.metry(AIGa)As do.uble-heterostructure junction lasers. Simultaneous measurements of the nonlasing but amplified spontaneous emission confirm that saturation of the optical gain and spontaneous emission accompany the voltage saturation as expected. With well-behaved lasers the observed saturation is maintained o.ver currents to. at least 50% abo.ve threshold.n-Al0.36Ga0.64AsAl0.08Ga0.92Asp-Al0.36Ga0.64Asp-GaAsThe laser diodes used in the present work were The laser diodes used in the present work were fabricated from contemporary (AIGa)As double-fabricated from contemporary (AIGa)As double-heterostructure material grown by liquid -phase heterostructure material grown by liquid -phase epitaxyepitaxyThe four-layered wafers were composed of a thin (lessThe four-layered wafers were composed of a thin (lessthan 0.4 than 0.4 /lm) layer of Al/lm) layer of Alo.08o.08GaGao.92o.92As (the active layer) As (the active layer) sandwiched between sandwiched between p - and n -type layers of p - and n -type layers of AlAlo.36o.36GaGao.64o.64As with a capping layer of As with a capping layer of p p – –GaAs.GaAs. In the idealized model of a semiconductor laser, the separation of the electron and hole quasi -Fermi levels becomes "pinned" at threshold as a result of the high rate of stimulated recombination. Hence, at currents above threshold in an idealized junction laser, the junction voltage is saturated at its threshold value (Vj )th and the current-voltage relation is V=IR + (Vj)thThe derivative dV /dI is therefore a constant equal to the series resistance at currents above threshold. In the vicinity of threshold, this saturation process is reflectedby an abrupt decrease of the product I dV /dI from IR + kT/q to IR. Above threshold the product continues to increase with current at a rate equal to R as long as the voltage remains saturated,由于高速率的受激复合，电子和空穴的准费米能级被钉住，结电压在阈值由于高速率的受激复合，电子和空穴的准费米能级被钉住，结电压在阈值VjthVjth处处饱和，电流饱和，电流- -电压的关系为：电压的关系为：The junction voltage is given in terms of the external voltage V by Vj = V - IR,。