半导体光电子学第2章_异质结.pptx

突变结：突变结：在交界面处，杂质浓度由NA（p型）突变为ND（n型），具有这种杂质分布的p-n 结称为突变结缓变结：缓变结：杂质浓度从p区到n区是逐渐变化的，通常称为缓变结突变结、缓变结突变结、缓变结：按照过度区空间电荷分布情况及厚度的不同，前者厚度只有几个晶格常数大小，而后者可达几个载流子扩散长度2021/9/121p-n结的形成过程结的形成过程 当本征半导体的两边分别掺杂不当本征半导体的两边分别掺杂不同类型的杂质时，由于浓度差的同类型的杂质时，由于浓度差的作用，作用，n区的多数载流子电子和区的多数载流子电子和p区的多数载流子空穴分别向区的多数载流子空穴分别向p区区和和n区扩散这样在区扩散这样在p区和区和n区的区的分界面附近，分界面附近，n区由于电子扩散区由于电子扩散到到p区而留下不能移动的正离子，区而留下不能移动的正离子，p区由于空穴扩散到区由于空穴扩散到n区而留下不区而留下不能移动的负离子这些不能移动能移动的负离子这些不能移动的正负离子在分界面附近形成一的正负离子在分界面附近形成一个电场个电场E0，称为内置电场内置，称为内置电场内置电场的方向是从电场的方向是从n区指向区指向p区，阻区，阻碍着电子和空穴的扩散，它使碍着电子和空穴的扩散，它使n区的少数载流子空穴和区的少数载流子空穴和p区的少区的少数载流子电子分别向数载流子电子分别向p区和区和n区作区作漂移运动，漂移运动，2021/9/122当扩散的载流子数等于当扩散的载流子数等于漂移的载流子数时，达漂移的载流子数时，达到了动态平衡。

这时在到了动态平衡这时在分界面附近形成了稳定分界面附近形成了稳定的正负离子区，即的正负离子区，即p-n结，结，也称为空间电荷区也称为空间电荷区(space charge region)，或耗散区或耗散区(depletion region)空间电荷空间电荷空间电荷区空间电荷区2021/9/123在整个半导体中，在耗散区存在在整个半导体中，在耗散区存在由正离子区指向负离子区的电场，由正离子区指向负离子区的电场，这就使得耗散区出现电势的变化，这就使得耗散区出现电势的变化，形成形成p p区和区和n n区之间的电势差区之间的电势差V0V0n n区的电势大于区的电势大于p p区的电势因此，区的电势因此，对空穴来说，对空穴来说，n n区的势能大于区的势能大于p p区区的势能，形成了一个势垒的势能，形成了一个势垒eV0eV0，这，这使得空穴只能在使得空穴只能在p p区，不能到达区，不能到达n n区对电子来说，区对电子来说，p p区的势能大于区的势能大于n n区的势能，也形成了一个势垒区的势能，也形成了一个势垒eV0eV0，使得电子只能在，使得电子只能在n n区，不能区，不能到达到达p p区整个半导体的能带结构如图所示。

整个半导体的能带结构如图所示这个能带图是以电子能量为参照这个能带图是以电子能量为参照的内建电场内建电场电势差电势差VDVD2021/9/124平衡平衡平衡平衡P-NP-N结的能带图结的能带图结的能带图结的能带图 N型、型、P型半导体的能带图，图中型半导体的能带图，图中EFn和和EFp分别表示分别表示N型和型和P型半导体的费米能级型半导体的费米能级EFn高于高于EFp表明两种半导体中的电子填充能带的水平不同表明两种半导体中的电子填充能带的水平不同2021/9/125 当两块半导体结合形成当两块半导体结合形成P-N结时，按照费米能级的意义结时，按照费米能级的意义(即电子在不同能态上的填充水平即电子在不同能态上的填充水平)，电子将从费米能级高的，电子将从费米能级高的N区流向费米能级低的区流向费米能级低的P区，空穴则从区，空穴则从P区流向区流向N区因而EFn不不断下移断下移，而，而EFp不断上移不断上移，直至，直至EFn=EFp这时，这时，P-N结中有统结中有统一的费米能级一的费米能级EF，P-N结结处于平衡状态处于平衡状态，其能带图，其能带图如图所示如图所示能带相对移动的原因能带相对移动的原因是是P-N结空间电荷区中存结空间电荷区中存在内建电场的结果。

在内建电场的结果2021/9/126由于整个半导体处于由于整个半导体处于平衡状态，因此在半平衡状态，因此在半导体内各处的导体内各处的Fermi能级是一样的可以能级是一样的可以看到，这时由于势垒看到，这时由于势垒的存在，电子和空穴的存在，电子和空穴也没有机会复合也没有机会复合2021/9/127如果一个半导体的两端加一个电压，如果一个半导体的两端加一个电压，由于电场的作用，使得能带整体沿由于电场的作用，使得能带整体沿着电场方向倾斜电子和空穴的势着电场方向倾斜电子和空穴的势能也发生变化，电子势能逆着电场能也发生变化，电子势能逆着电场方向降低，而空穴势能顺着电场方方向降低，而空穴势能顺着电场方向降低所以电子和空穴向两个相向降低所以电子和空穴向两个相反方向移动反方向移动2021/9/128正向偏压正向偏压正向偏压正向偏压势垒区内载流子浓度很小，电阻很大，势垒区外的势垒区内载流子浓度很小，电阻很大，势垒区外的P区和区和N区中载流子浓度很大，电阻很小，所以区中载流子浓度很大，电阻很小，所以外加正向偏压基本外加正向偏压基本降落在势垒区降落在势垒区一、非平衡状态下的一、非平衡状态下的pnpn结结1 1、外加电压下，、外加电压下，pnpn结势垒的变化及载流子的运动。

结势垒的变化及载流子的运动P-N结加正向偏压结加正向偏压V（即（即P区接电源正极，区接电源正极，N区接负极）区接负极）2021/9/129正向偏压在势垒区中产生了正向偏压在势垒区中产生了与内建电场方向相反与内建电场方向相反的电场，因而的电场，因而减弱减弱了势垒区中的电场强度，这就表明了势垒区中的电场强度，这就表明空间电荷相应减少空间电荷相应减少故势垒区的宽度也减小势垒区的宽度也减小，同时，同时势垒高度从势垒高度从qVD下降为下降为q(VD-V)2021/9/1210 势垒区电场减弱，势垒区电场减弱，破坏了载流子的扩散破坏了载流子的扩散运动和漂移运动之间运动和漂移运动之间的平衡，削弱了漂移的平衡，削弱了漂移运动，使运动，使扩散电流大扩散电流大于漂移电流于漂移电流所以在加正向偏所以在加正向偏压时，产生了压时，产生了电子从电子从N区向区向P区以及空穴从区以及空穴从P区到区到N区的净扩散电流区的净扩散电流2021/9/1211由于由于pn结阻碍多数载流子的定向移动，因此从电路性质看，它结阻碍多数载流子的定向移动，因此从电路性质看，它是高阻区如果在半导体两端有外加电压，那么电压基本上都是高阻区如果在半导体两端有外加电压，那么电压基本上都施加在施加在pn结上。

现在在半导体加一个电压结上现在在半导体加一个电压V，p区结电源正极，区结电源正极，n区接负极，形成正向偏置外加电压基本上都施加在区接负极，形成正向偏置外加电压基本上都施加在pn结上，结上，这也等于在这也等于在pn上施加一个外加电场上施加一个外加电场E外加电场的方向与内置外加电场的方向与内置电场电场E0的方向相反，总电场的方向相反，总电场E0-E比原来的电场小了这削弱了比原来的电场小了这削弱了电子和空穴的势垒，由原来的电子和空穴的势垒，由原来的eV0变为变为e(V0-V)同时空间电荷同时空间电荷区宽度变窄，由原来的区宽度变窄，由原来的w0变为变为w2021/9/1212这就使得这就使得n区的电子比较容易克服势垒而扩散到区的电子比较容易克服势垒而扩散到p区，同时区，同时p区区的空穴也比较容易克服势垒而扩散到的空穴也比较容易克服势垒而扩散到n区这就使得电子和空区这就使得电子和空穴有机会复合产生光子穴有机会复合产生光子当对半导体施加电压时，半导体处于非平衡状态原则上讲，当对半导体施加电压时，半导体处于非平衡状态原则上讲，Fermi能级已无意义但是，由于外加电压基本上施加在能级已无意义但是，由于外加电压基本上施加在pn结结上，上，p区和区和n区所受到的影响相对比较小，可以把它们看成处区所受到的影响相对比较小，可以把它们看成处于局部平衡态，各自具有于局部平衡态，各自具有Fermi能级能级Efp和和Efn。

当半导体处于当半导体处于平衡状态时，平衡状态时，Efp=Efn=Ef当对半导体施加电压时，当对半导体施加电压时，Efp和和Efn不不相等可以证明，相等可以证明，EfpEfn=eV2021/9/1213不论是不论是n型或型或p型半导体材料，若型半导体材料，若Fermi能级都处于禁带中能级都处于禁带中轻掺杂半导体轻掺杂半导体这时在外加电压作用下电子和空穴虽然也能复合产生光子，这时在外加电压作用下电子和空穴虽然也能复合产生光子，但是由于载流子浓度有限，形成不了粒子数反转和受激辐射但是由于载流子浓度有限，形成不了粒子数反转和受激辐射这种材料只能用于发光二极管这种材料只能用于发光二极管为了使半导体材料在外界作用下实现粒子数反转，必须对半为了使半导体材料在外界作用下实现粒子数反转，必须对半导体进行重掺杂，使导体进行重掺杂，使n型的型的Fermi能级处于导带中，能级处于导带中，p型的型的Fermi能级处于价带中能级处于价带中这时，这时，p区有更多的区有更多的载流子空穴，载流子空穴，n区有区有更多的载流子电子更多的载流子电子当半导体正向偏置时，当半导体正向偏置时，可以证明：当可以证明：当EfpEfn=eVEg时，就可时，就可以实现粒子数反转。

以实现粒子数反转2021/9/1214在以上介绍的在以上介绍的pnpn结半导体激光器中，结半导体激光器中，p p区和区和n n区是同一种材料，区是同一种材料，只是掺杂类型不同，因此整个半导体具有相同的禁带宽度这只是掺杂类型不同，因此整个半导体具有相同的禁带宽度这种半导体激光器存在一个缺点当半导体激光器正向偏置时，种半导体激光器存在一个缺点当半导体激光器正向偏置时，除了在除了在pnpn结附近电子和空穴复合外，还有一部分电子越过结附近电子和空穴复合外，还有一部分电子越过pnpn结，结，经过经过p p区扩散到电源正极同样，还有相等一部分空穴越过区扩散到电源正极同样，还有相等一部分空穴越过pnpn结，结，经过经过n n区扩散到电源负极这部分电子和空穴没有复合产生光子，区扩散到电源负极这部分电子和空穴没有复合产生光子，被浪费掉了这就降低了半导体激光器的发光效率被浪费掉了这就降低了半导体激光器的发光效率双异质结激光器的两边仍然是相同的材料，只是进行了不同类双异质结激光器的两边仍然是相同的材料，只是进行了不同类型的重掺杂，它们的禁带宽度是相同的但是在它们之间加了型的重掺杂，它们的禁带宽度是相同的但是在它们之间加了一个非常薄的不同半导体材料一个非常薄的不同半导体材料(0.2mm)0.2mm)，它的禁带宽度要比两，它的禁带宽度要比两边材料小，一般是非掺杂或轻掺杂的。

在这里是边材料小，一般是非掺杂或轻掺杂的在这里是p p型掺杂这样型掺杂这样在在pnpn+结形成很大的势垒，使结形成很大的势垒，使n n+区的电子不能越过它到达中间的区的电子不能越过它到达中间的p p区和左边的区和左边的p p+区同时在区同时在p p区和区和p p+区的分界面附近，由于掺杂区的分界面附近，由于掺杂浓度的差别，使得浓度的差别，使得p p+区的价带顶高于区的价带顶高于p p区的价带顶，即在区的价带顶，即在p p+区的区的空穴势能低于空穴势能低于p p区空穴的势能这时空穴集中在区空穴的势能这时空穴集中在p p+区即在p p区区和和p p+区的分界面附近也形成一个势垒，但这个势垒的高度比区的分界面附近也形成一个势垒，但这个势垒的高度比pnpn+结势垒高度小得多结势垒高度小得多2021/9/1215当半导体激光器正向偏置时，当半导体激光器正向偏置时，pnpn+结附近的势垒大大降低，结附近的势垒大大降低，使得电子能。