半导体p-n结,异质结和异质结构ppt课件

1、半导体，本征半导体，非本征半导体半导体，本征半导体，非本征半导体 半导体半导体: : 最外层价电子填满了价带，导带没最外层价电子填满了价带，导带没有电子，有一定带隙宽度。在一定条件下使价带中的电有电子，有一定带隙宽度。在一定条件下使价带中的电子获得能量跃迁到导带中，在价带中构成空穴，在导带子获得能量跃迁到导带中，在价带中构成空穴，在导带中出现电子时，半导体导电。中出现电子时，半导体导电。 本征半导体本征半导体: :不掺杂的半导体。此时的费米能级不掺杂的半导体。此时的费米能级在带隙的中间。价带中的电子靠热激发或光激发直接跃在带隙的中间。价带中的电子靠热激发或光激发直接跃迁到导带，使空穴和电子的浓

2、度相等。随着温度的升高迁到导带，使空穴和电子的浓度相等。随着温度的升高本征半导体的导电性能变大。本征半导体的导电性能变大。 非本征半导体非本征半导体: :是掺杂的半导体。由于在价带和导是掺杂的半导体。由于在价带和导带分别参与的空穴和自在的电子，使半导体的导电性能带分别参与的空穴和自在的电子，使半导体的导电性能发生改动。发生改动。 如：五价的杂质原子如：五价的杂质原子P,AsP,As掺入四价掺入四价SiSi后必后必有一个电子成为自在电子运动在导带中，构成电子导电有一个电子成为自在电子运动在导带中，构成电子导电类型的类型的n n型半导体。由于有较高能量的自在电子的进入导型半导体。由于有较高能量的自

3、在电子的进入导致原来在带隙中的费米能级逐渐向上移。假设在半导体致原来在带隙中的费米能级逐渐向上移。假设在半导体中参与中参与 三价的杂质原子三价的杂质原子B B，与硅的结合将有一个键，与硅的结合将有一个键悬空，构成空穴，此空穴可以在价带中自在挪动，构成悬空，构成空穴，此空穴可以在价带中自在挪动，构成了空穴导电类型的了空穴导电类型的p p型半导体，由于有空穴的进入导致原型半导体，由于有空穴的进入导致原来在带隙中的费米能级逐渐向下移。来在带隙中的费米能级逐渐向下移。本征半导体载流子浓度本征半导体载流子浓度ni, p i本征半导体本征半导体: : ni = pi = n =p = 4.9 E15 (m

4、e mh/mo ni = pi = n =p = 4.9 E15 (me mh/mo3/4 T3/2 exp(-3/4 T3/2 exp(-Eg/2KT)Eg/2KT) = A T3/2 e(-Eg/2KT) = A T3/2 e(-Eg/2KT) 是温度是温度T,T,禁带宽度禁带宽度EgEg的函数的函数, ,温度越高温度越高, ni, ni越大越大, Eg, Eg越宽越宽, ni, ni越小越小T T为为3OOK3OOK时时, Si: ni = p i=1.4 E10/cm, Si: ni = p i=1.4 E10/cm* *-3-3ni pi = 1.96 E20/cm-3ni pi =

5、 1.96 E20/cm-3 杂质半导体杂质半导体ni,电子浓度电子浓度n,空穴浓度空穴浓度p 之间的关系之间的关系n = ni e(Ef-Ei)/kT,P = ni e(Ei-Ef)/kT,ni2 = n pEi本征费米能级本征费米能级 Ef杂质费米能杂质费米能,在在n型半导体中型半导体中,np,因此因此, EfEi在在p型半导体中型半导体中, pn,因此因此, EiEfn型型p型半导体的能带构造型半导体的能带构造 EoEcEvEi , EfiEg E fnE fpEsXsWn Wpp-n结构成的内部机理 施主和受主,电子和空穴(载流子,挪动电荷),空间电荷(固定离子) 多数载流子和少数载流

6、子,(载流子的分散运动,空间电荷区的构成,内建电场的建立), 内建电场阻止多数载流子的进一步分散,加强了少数载流子在反方向的漂移运动,最后到达动态平衡(热平衡,电中性),随温度变化时,平衡被破坏)几个重要参数和概念 接触电位差接触电位差: : 由于空间电荷区存在电场由于空间电荷区存在电场, ,方向方向由由N N到到P,P,因此因此N N区电位比区电位比P P区高区高, ,用用V V表示表示, ,称称作接触电位差作接触电位差, ,它与半导体的类型它与半导体的类型( (禁带宽禁带宽度度),),杂质掺杂浓度杂质掺杂浓度, ,环境温度等亲密相关环境温度等亲密相关, ,普通为普通为0.0.几几V V到到

7、 1. 1.几几V V 势垒高度势垒高度: : 在空间电荷区内电子势能为在空间电荷区内电子势能为-qV,-qV,因此电子从因此电子从N N区到区到P P区必需越过这个势能高区必需越过这个势能高度度, ,该高度称作势垒高度该高度称作势垒高度PN结的伏安结的伏安(I-V)特性：特性： I为流过为流过PN结的电流；结的电流；Is为为PN结的反向饱和电流，与温度和资结的反向饱和电流，与温度和资料有关的参数，料有关的参数，V为外加电压；为外加电压； Vt=kT/q,为温度的电压当量为温度的电压当量Vt=26mV.，当外加正向电压，当外加正向电压V为正值且比为正值且比Vt大几倍时大几倍时, 正向电正向电流

8、随正向电压的添加按指数规律增大流随正向电压的添加按指数规律增大,PN结为正导游通形状结为正导游通形状.外加反外加反向电压即向电压即v为负值，且为负值，且|v|比比Vt大几倍时，大几倍时，PN结只流过很小的反向饱结只流过很小的反向饱和电流，且数值上根本不随外加电压而变，和电流，且数值上根本不随外加电压而变，PN结呈反向截止形状。结呈反向截止形状。由由PN结的结的I/V特性曲线得到：特性曲线得到：PN结具有单导游电性和非线性伏安特结具有单导游电性和非线性伏安特性性. PN结的正导游电性结的正导游电性 在PN结上外加一电压 ，假设P型一边接正极 ，N型一边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和

9、电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，甚至消逝，多数载流子在电场的作用下可以顺利经过。假设N型一边接外加电压的正极，P型一边接负极，那么空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过。这就是PN结的单导游电性。 PN结加反向电压时结加反向电压时,空间电荷区变宽空间电荷区变宽, 电场加电场加强强, 阻止了多数载流子的分散阻止了多数载流子的分散,而而P区和区和N区的少数区的少数载流子电子和空穴沿反向电场运动载流子电子和空穴沿反向电场运动,产生反向漏电产生反向漏电流流,由于少子是本征激发由于少子是本征激发,它决议于温度而不决议于它决议于温度而不决议于反向电压反向电压,当反向电压增大到

10、一定程度足以把少子当反向电压增大到一定程度足以把少子全部吸引过来时全部吸引过来时,电流到达恒定电流到达恒定,称作反向饱和漏电称作反向饱和漏电流流, 当反向电压再增大电流忽然增大时当反向电压再增大电流忽然增大时,称作称作PN结结击穿。假设外电路不能限制电流，那么电流会大击穿。假设外电路不能限制电流，那么电流会大到将到将PN结烧毁结烧毁. PN结加反向电压时结加反向电压时,空间电荷区中的正负电荷空间电荷区中的正负电荷构成一个电容性的器件。它的电容量随外加电压构成一个电容性的器件。它的电容量随外加电压改动改动,反向时电容减小正向时电容增大反向时电容减小正向时电容增大.PN结的反向电压特性及电容特性结

11、的反向电压特性及电容特性 半导体同质半导体同质p-n结结,异质结的构成异质结的构成 采用不同的掺杂工艺采用不同的掺杂工艺, ,将将P P型半导体与型半导体与N N型半型半导体制造在同一块半导体上导体制造在同一块半导体上, ,在它们的交界面就构成空在它们的交界面就构成空间电荷区称间电荷区称PNPN结。结。 一块单晶半导体中一块单晶半导体中 ，一部分掺有受主杂质，一部分掺有受主杂质是是P P型半导体，另一部分掺有施主杂质是型半导体，另一部分掺有施主杂质是N N型半导体时型半导体时 ，P P 型半导体和型半导体和N N型半导体的交界面附近的过渡区称型半导体的交界面附近的过渡区称PNPN结。结。 PN

12、 PN结有同质结和异质结两种。用同一种半导结有同质结和异质结两种。用同一种半导体资料制成的体资料制成的 PN PN 结叫同质结结叫同质结 ，由禁带宽度不同的两，由禁带宽度不同的两种半导体资料制成的种半导体资料制成的PNPN结叫异质结。结叫异质结。 制造同质制造同质PNPN结的方法有合金法、分散法、离结的方法有合金法、分散法、离子注入法、外延生长法等。子注入法、外延生长法等。 制造异质结通常采用外延生长法。制造异质结通常采用外延生长法。PN结的运用结的运用 根据根据PN结的资料、掺杂分布、几何构造和偏置条件结的资料、掺杂分布、几何构造和偏置条件的不同，利用其根本特性可以制造多种功能的晶体二极管。

13、的不同，利用其根本特性可以制造多种功能的晶体二极管。 1. 用用PN结单导游电性可以制造整流二极管、检波二极结单导游电性可以制造整流二极管、检波二极管和开关二极管，管和开关二极管， 2. 利用击穿特性制造稳压二极管和雪崩二极管；利用击穿特性制造稳压二极管和雪崩二极管； 3. 利用高掺杂利用高掺杂PN结隧道效应制造隧道二极管；结隧道效应制造隧道二极管； 4. 利用结电容随外电压变化效应制造变容二极管利用结电容随外电压变化效应制造变容二极管; 5. 将半导体的光电效应与将半导体的光电效应与PN结相结合还可以制造多种结相结合还可以制造多种光电器件。光电器件。 如利用前向偏置异质结的载流子注入与复合如

14、利用前向偏置异质结的载流子注入与复合可以制造半导体激光二极管与半导体发光二极管；可以制造半导体激光二极管与半导体发光二极管； 6. 利用光辐射对利用光辐射对PN结反向电流的调制造用可以制成光结反向电流的调制造用可以制成光电探测器；电探测器； 7. 利用光生伏特效应可制成太阳电池利用光生伏特效应可制成太阳电池; 8. 利用两个利用两个PN结之间的相互作用可以产生放大，振荡结之间的相互作用可以产生放大，振荡等多种电子功能等多种电子功能; PN结是构成双极型晶体管和场效应晶体管的中心，是结是构成双极型晶体管和场效应晶体管的中心，是现代微电子技术、光电子技术的根底。现代微电子技术、光电子技术的根底。半

15、导体异质结半导体异质结根本概念：根本概念： 异质结就是一种半导体资料生长在另一异质结就是一种半导体资料生长在另一种半导体资料上所构成的接触过渡区。按照种半导体资料上所构成的接触过渡区。按照两种资料的导电类型分同型异质结两种资料的导电类型分同型异质结P-p结结或或N-n结和异型异质结和异型异质(P-n或或p-N)结。按照两结。按照两种资料晶格常数的失配程度，异质结可分为种资料晶格常数的失配程度，异质结可分为两类，即匹配型异质结和失配型异质结，由两类，即匹配型异质结和失配型异质结，由于两种异质资料具有不同的物理化学参数于两种异质资料具有不同的物理化学参数如电子亲和势、如电子亲和势、 能带构造、介电

16、常数、晶能带构造、介电常数、晶格常数等格常数等, 接触界面处产生各种物理化学接触界面处产生各种物理化学属性的失配，使异质结具有许多不同于同质属性的失配，使异质结具有许多不同于同质PN结的新特性。结的新特性。异质结的能带构造异质结的能带构造 半导体异质构造普通是由两层以上不同资料所组成，它们半导体异质构造普通是由两层以上不同资料所组成，它们各具不同的能带隙。研讨较多的是各具不同的能带隙。研讨较多的是GaAs 化合物、化合物、SiGe之类的之类的半导体合金半导体合金,目前按异质结中两种资料导带和价带的对准情况目前按异质结中两种资料导带和价带的对准情况可以把异质结分为可以把异质结分为型异质结和型异质

17、结和型异质结两种，两种异质结型异质结两种，两种异质结的能带构造如下图。的能带构造如下图。半导体异质构造的根本特性半导体异质构造的根本特性 半导体异质构造，是将不同资料的半导体薄膜，依先后次序半导体异质构造，是将不同资料的半导体薄膜，依先后次序外延淀积在同一衬底上。如图所述的是利用半导体异质构造所外延淀积在同一衬底上。如图所述的是利用半导体异质构造所作成的半导体激光器作成的半导体激光器 根本特性：根本特性： 量子效应：量子效应： 因中间层的能阶较低，电子很容易掉落下来被局限在中间层，因中间层的能阶较低，电子很容易掉落下来被局限在中间层，而中间层可以只需几而中间层可以只需几nm的厚度，因此在如此小

18、的空间内，电子的厚度，因此在如此小的空间内，电子的的 特性会遭到量子效应的影响而改动。例如：能阶量子化、基特性会遭到量子效应的影响而改动。例如：能阶量子化、基态能量添加、能态密度改动等，其中能态密度与能阶位置，是态能量添加、能态密度改动等，其中能态密度与能阶位置，是决议电子特性很重要的要素。决议电子特性很重要的要素。 迁移率迁移率(Mobility)变大：变大： 半导体的自在电子主要是由于外加杂质的奉献，因此在普半导体的自在电子主要是由于外加杂质的奉献，因此在普通的半导体资料中，自在电子会遭到杂质的碰撞而减低其行动通的半导体资料中，自在电子会遭到杂质的碰撞而减低其行动才干。然才干。然 而在异质

19、构造中，可将杂质加在两边的夹层中，该杂而在异质构造中，可将杂质加在两边的夹层中，该杂质所奉献的电子会掉到中间层，因其有较低的能量如下图，质所奉献的电子会掉到中间层，因其有较低的能量如下图，因此在空间上，电子与杂质是分开的，所以电子的行动就不会因此在空间上，电子与杂质是分开的，所以电子的行动就不会因杂质的碰撞而遭到限制，因此其迁移率就可以大大添加，这因杂质的碰撞而遭到限制，因此其迁移率就可以大大添加，这是高速组件的根本要素。是高速组件的根本要素。 发光二极管组件发光二极管组件(light emitting devices, LED)： 由于半导体异质构造能将电子与空穴局限在中间层内，由于半导体异

20、质构造能将电子与空穴局限在中间层内，电子与空穴的复合率因此添加，所以发光的效率较大；同时电子与空穴的复合率因此添加，所以发光的效率较大；同时改动量子井的宽度亦可以控制发光的频率，所以现今的半导改动量子井的宽度亦可以控制发光的频率，所以现今的半导体发光组件，大都是由异质构造所组成的。半导体异质构造体发光组件，大都是由异质构造所组成的。半导体异质构造发光组件，相较其它发光组件，具有高效率、省电、耐用等发光组件，相较其它发光组件，具有高效率、省电、耐用等优点，因此运用广泛。优点，因此运用广泛。激光二极管：激光二极管： 半导体激光二极管的根本构造，与发光组件极为类似，半导体激光二极管的根本构造，与发光

21、组件极为类似，只不过激光是二极管必需思索到受激发光与共振的条件。只不过激光是二极管必需思索到受激发光与共振的条件。运用半导体异质构造，因电子与空穴很容易掉到中间层，运用半导体异质构造，因电子与空穴很容易掉到中间层，因此载子数目反转较易达成，这是具有受激发光的必要条因此载子数目反转较易达成，这是具有受激发光的必要条件，而且电子与空穴被局限在中间层内，其结合率较大。件，而且电子与空穴被局限在中间层内，其结合率较大。此外，两旁夹层的折射率与中间层不同，因此可以将光局此外，两旁夹层的折射率与中间层不同，因此可以将光局限在中间层，致使光不会流失，而添加激光强度，异质构限在中间层，致使光不会流失，而添加激

22、光强度，异质构造很适宜制造激光器，有很大的优点。造很适宜制造激光器，有很大的优点。假设干半导体杂质掺杂的一些思索假设干半导体杂质掺杂的一些思索12关于关于Au/ZnO/Si异质结能带构造异质结能带构造4.95mWeV14.35XeV14.5SWeV25.1SWeV24.05XeV0E2cE2E2iE1cE1iE1EA unZ nOpS iF mEF nEF pE器件构造图器件构造图Au/n-ZnO/p-SiAu/n-ZnO/p-Si新型肖特基结新型肖特基结- -异质构造异质构造 紫外加强光电晶体管紫外加强光电晶体管 新型肖特基结新型肖特基结- -异质结异质结 紫外加强光电晶体管，半导体学报英文

23、版刊登以紫外加强光电晶体管，半导体学报英文版刊登以为论文有新意，并在重要位置第二篇刊登为论文有新意，并在重要位置第二篇刊登 该新型光电探测器加强了该新型光电探测器加强了SiSi光电探测器在紫外光电探测器在紫外UVUV波长的呼应灵敏波长的呼应灵敏度，具有重要研讨价值度，具有重要研讨价值C-V characteristics of Au/n-ZnO SBDeVeVxWmns55. 0)35. 495. 4(1Au/n-ZnO SBDPhoto-current response with optical wavelength不同衬底不同衬底Si资料的资料的ZnO异质结异质结IV及光电特性研讨及光电特

24、性研讨 采用采用PLD技术和微电子平面工艺，用不同外表技术和微电子平面工艺，用不同外表掺杂的掺杂的Si作为衬底制备了作为衬底制备了ZnO/Si异质结，另外为改异质结，另外为改善异质结特性，以善异质结特性，以p-Si(p-)为衬底尝试制备了为衬底尝试制备了ZnO含含Mn0.2/Si构造、以及包含构造、以及包含SiC缓冲层的缓冲层的ZnO/SiC/Si和和ZnO含含Mn0.2/SiC/Si构造。测试构造。测试了样品的了样品的XRD曲线，曲线，IV特性曲线和特性曲线和PE光电呼光电呼应特性曲线，研讨样品作为二极管，光探测器的应特性曲线，研讨样品作为二极管，光探测器的性能。性能。样品制备样品制备第一组

25、第一组ZnO/Si异质结样品异质结样品(1)(4)：预备四种不同外表掺杂的预备四种不同外表掺杂的Si资料作为衬底。分别为样品资料作为衬底。分别为样品(1)n-，电阻率，电阻率=4.06cm。样品。样品(2)p+，=16.8mcm。样品。样品(3)p-，=11.126cm。样品。样品(4)n+，=6.6mcm。工艺流程如下：。工艺流程如下：清洗后将衬底氧化温度清洗后将衬底氧化温度1050，干氧，干氧10min湿氧湿氧40min干氧干氧10min生成生成SiO2外延，去除背底外延，去除背底SiO2。枯燥后光刻出圆形有源区，圆孔直径为。枯燥后光刻出圆形有源区，圆孔直径为500m。然。然后采用后采用P

26、LD技术在样品外表制备高质量技术在样品外表制备高质量ZnO薄膜。薄膜。PLD工艺采用德国工艺采用德国Lamda Physik公司的公司的LPXKRF受激准分子激光器受激准分子激光器(excimer laser)，输出波长为，输出波长为248 nm，脉宽脉宽20ns，频率，频率5Hz，功率，功率200mj/pulse，经过透镜以，经过透镜以45度角聚焦在靶上，靶材度角聚焦在靶上，靶材为高纯为高纯ZnO陶瓷靶，直径陶瓷靶，直径32mm。抽真空至。抽真空至6.2104Pa后，通入后，通入O2至至20Pa，在，在700下轰击靶材下轰击靶材60min，生成，生成ZnO薄膜厚约薄膜厚约800nm，并在有源

27、区反刻出圆形，并在有源区反刻出圆形ZnO稍大于有源区图形。接着外表蒸稍大于有源区图形。接着外表蒸Al，Al膜厚约膜厚约1m，再在有源区反刻，再在有源区反刻圆形圆形Al稍大于稍大于ZnO图形。最后将样品放在图形。最后将样品放在N2气氛中气氛中530高温下退火高温下退火15min。初步测试后切片，背底固定到初步测试后切片，背底固定到Al电极，引线焊接，封装。器件构造如图电极，引线焊接，封装。器件构造如图第二组第二组掺掺Mn和包含和包含SiC缓冲层的异质结样品缓冲层的异质结样品A、B、C所用所用Si衬底外表掺杂为衬底外表掺杂为p-，电阻率，电阻率为为10.3111.31cm。工艺如下：。工艺如下：S

28、iC缓缓冲层，冲层，PLD参数：靶材为纯参数：靶材为纯SiC，温度，温度550，轰击时间，轰击时间3min，6.2104Pa真空；真空；然后在一切样品外表一同用然后在一切样品外表一同用PLD方法生成方法生成ZnO薄膜，薄膜，PLD参数：参数：A、靶材为纯、靶材为纯ZnO，温度，温度550，轰击时间，轰击时间15min，6.2104Pa真空；真空；B、靶材为、靶材为ZnO0.2Mn，温度，温度550，轰击时间，轰击时间15min，0.13Pa氧偏压；氧偏压；C、靶材为、靶材为ZnO0.2Mn，温度，温度550，轰击时间，轰击时间60min，0.13Pa氧偏压。注：制备第二组样品时氧偏压。注：制备

29、第二组样品时PLD工艺相关参数，没有特别注明的部分默以为与第一组的参数一样。再将一工艺相关参数，没有特别注明的部分默以为与第一组的参数一样。再将一切样品外表蒸金，膜厚约切样品外表蒸金，膜厚约45nm，套刻，套刻Au和和ZnO，反刻出圆形图案，圆孔直径，反刻出圆形图案，圆孔直径500m。最后将样品放在。最后将样品放在N2气氛中气氛中530高温下退火高温下退火15min。初步测试后切片，背。初步测试后切片，背底固定到底固定到Al电极，引线焊接，封装。器件构造如图电极，引线焊接，封装。器件构造如图第二组样品A、B器件构造 第二组样品C器件构造IV特性特性一切样品中(1)、(4) 是以ZnO作为异质结

30、的正向端，其他的那么相反。这是由于PLD制成的ZnO为弱n型，而样品(1)、(4)衬底为n-Si，其他为p-Si。图中可见样品(1)、(4)具有很好的反向特性很小的反向漏电流，其他器件的反向漏电流都很大而且随反偏压增大迅速加强，反向曲线呈阻性。样品A由于SiC缓冲层的存在，具有很高的反向击穿电压。除样品B外其他样品正向曲线都很峻峭。样品B正反向曲线都不理想且具有较高的开启电压。第一组样品的IV曲线第二组样品的IV曲线光生伏特效应光生伏特效应 采用HITACHI M850荧光分光光度计产生入射光丈量异质结零偏压下光谱呼应特性，其准确有效的波长范围200600nm，准确度0.2nm，各波长出射功率

31、均为6.5W。用Yokogama 3036 X/Y recorder记录异质结两端的光生电压随入射波长的变化。对比曲线易知，第一组三种样品的光生电压强度从大到小依次是对比曲线易知，第一组三种样品的光生电压强度从大到小依次是(2)、(1)、(3)，其中，其中p-Si(p+)衬底的样品衬底的样品(2)光电呼应明显比较强；光电呼应明显比较强；n-Si(n-)衬底的衬底的样品样品(1)光电呼应强度略高于光电呼应强度略高于p-Si(p-)衬底的样品衬底的样品(3)，但还需思索制备工艺，但还需思索制备工艺粗糙带来的误差切片大小不均匀，压焊电极时对金属膜的影响，分别制粗糙带来的误差切片大小不均匀，压焊电极时对金属膜的影响，分别制备的备的ZnO存在的差别等；第二组样品存在的差别等；第二组样品A的呼应远强于样品的呼应远强于样品B，应该是样品，应该是样品B中中ZnO的非晶态导致迁移率降低的缘故。第二组光电呼应强度远高于第的非晶态导致迁移率降低的缘故。第二组光电呼应强度远高于第一组，是由于外表金属膜厚差别太大。一组，是由于外表金属膜厚差别太大。容易发现，相比其他几种样