异质结的电学特性课件.ppt

半导体光伏与发光器件,第二章 异质结电学特性,知 识 点 突变反型和同型异质结的电流输运机构、突变异质结的电容和电压特性、反型异质结的注入特性。重 点 突变反型和同型异质结的电流输运机构、影响尖峰势垒的因素、突变异质结的电容和电压特性。难 点反型异质结的超注入特性、电流输运机构中的扩散模型、发射模型。,基本要求 1、识 记：异质结中存在的几种电流输运机构；2、领 会：几种电流输运机构的物理机制；扩散模型须满足的四个条件；3、简单应用：能画出不同电流输运机构的示意图；4、综合应用：能判别不同类型异质结电流输运机构中的I-V曲线特点。考核要求1、记住异质结中存在的几种电流输运机构；2、影响尖峰势垒的因素、突变异质结的电容和电压特性；3、作出不同类型异质结的平衡能带图；4、判别不同类型异质结电流输运机构中的I-V曲线特点。,在形成异质结的两种半导体材料的交界面处，能带是不连续的，界面处能带的带阶导致势垒和势阱。并且在交界面处必然引入界面态及缺陷（如晶格结构、晶格常数、热膨胀系数和工艺技术），所以异质结的电流输运结构必须根据交界面处的情况分别加以讨论，没有统一的理论。,引 言,2.1 突变反型异质结的几种电流输运机构,目前提出的 pN异质结可能存在的电流输运机构共有五种：（1）扩散（发射）模型（2）简单隧道模型（3）界面复合模型（4）隧道复合模型（5）界面-隧道复合模型,（1）扩散（发射）模型：在电场的作用下，具有足够能量的载流子越过势垒，形成通过异质结的扩散（发射）流。由于两个区域载流子所面对的势垒高度通常有明显的差别，往往一种载流子的扩散流显著的超过另一种载流子的扩散（发射）流。,（2）简单隧道模型：n区电子在电场作用下穿过了导带尖峰在p区内复合，形成隧道电子流。,（3）界面复合模型：越过势垒的载流子在界面态上，和相反型号载流子复合。,（4）隧道复合模型：通过界面态隧穿到对方区域的载流子，和相反型号载流子复合。,（a）隧穿势垒的空穴和越过势 垒的电子在界面态上复合,（b）隧穿势垒的电子和越过势 垒的空穴在界面态上复合,（5）界面-隧道复合模型：隧穿势垒的载流子和相反型号越过势垒的载流子在界面态上复合，从而实现了载流子的输运。,注意：一般来说，异质结中往往同时存在多种电流输运机构，究竟何种机构是主要的，这取决于能带的带阶和界面态参数情况。,2.1.1 影响尖峰势垒高度的因素,异质结尖峰势垒高度产生的因素：掺杂浓度和外加电压。,（1）掺杂浓度：,(a)负尖峰势垒,当窄带材料的掺杂浓度比宽带材料的掺杂浓度低的多时，势垒主要落在窄带空间电荷区，宽带界面处的尖峰势垒低于窄带空间电荷区外的导带底，尖峰势垒为负。,当窄带材料的掺杂浓度比宽带材料的掺杂浓度高的多时，势垒主要落在宽带空间电荷区，宽带界面处的尖峰势垒高于窄带空间电荷区外的导带底，尖峰势垒为正。,(b)正尖峰势垒,（2）外加电压：,正向偏压增大 尖峰势垒高度变高 负尖峰势垒变为正尖峰势垒,当pN结施加电压时，尖峰势垒高度也会随之变化：,反向偏压增大 尖峰势垒高度变低 正尖峰势垒变为负尖峰势垒,2.1.2 扩散模型,运用扩散模型须满足以下4个条件：（1）突变耗尽条件：电势集中在空间电荷区，注入的少数载流子在空间电荷区之外是纯扩散运动；（2）波尔兹曼边界条件：载流子分布在空间电荷区之外满足波尔兹曼统计分布；（3）小注入条件：注入的少数载流子浓度比平衡多数载流子浓度小得多；（4）忽略载流子在空间电荷区的产生和复合。,1.负尖峰势垒突变pN结电流和电压特性,负尖峰势垒突变pN结电流密度和外加电压的关系可以用Shockley方程描述，即：,其中，n10和p20是平衡时少数载流子浓度，Dn1和Dn2是少数载流子的扩散系数，Ln1和Lp2是少数载流子的扩散长度。,（2.1）,异质结常用多数载流子浓度描述电流和电压之间的关系，注意到对于负尖峰势垒突变pN结，平衡时材料2中的多数载流子（电子）n20输运到材料1转换为少数载流子（电子）n10所要克服的势垒为qVD-EC，得：,（2.2）,在外加电压下，电子电流为：,（2.3）,平衡时材料1中的多数载流子（空穴）p0输运到材料2转换为少数载流子（空穴）p20所要克服的势垒为qVD+EV，得：,（2.4）,在外加电压下，空穴电流为：,（2.5）,由于空穴电流所克服的势垒qVD+Ev要比电子电流所要克服的势垒大得多，所以有Jp Jn，即空穴电流可以忽略，于是用多数载流子浓度描述电流和电压之间的关系为：,（2.6）,当杂质全部电离时，取n20=ND2，于是负尖峰势垒突变pN结电流和电压特性最终表示为：,（2.7）,其中：,负（实线）、正（虚线）尖峰势垒突变伏安特性,式2.7所描述的电流和电压关系是不对称的，如图实线所示，说明负尖峰势垒突变pN结具有单向导电性。在实际问题中，正向偏压下总有qVkT,即exp（qV/kT）1,式2.7变为：,（2.8）,正向电流随正向偏压指数增长当正向偏压增加到使负尖峰势垒转变为正尖峰势垒时，此式不再适用。,在实际问题中，反向偏压下总有qVkT,V0,即exp（qV/kT）1,式(2.7)变为：,（2.9）,其中，负号表示反向偏向压的电流方向与正向偏向压的电流方向相反，反向电流与外加电压无关，是一个恒定值，称为反向饱和电流,2.正尖峰势垒突变pN结电流和电压特性,平衡时材料2中的电子只有克服势垒qVD2才能到达材料1形成扩散电流，材料1中的电子只有克服势垒Ec-qVD1才能到达材料2形成的扩散电流，平衡时两个扩散电流相等：,（2.10）,突变pN异质结形成后的平衡能带图,当加有外加电压V 时，材料2中的电子克服势垒q（VD2-V2）到达材料1形成的扩散电流为：,材料1中的电子克服势垒Ec-（qVD1-V1）到达材料2形成的扩散电流为：,（2.11）,（2.12）,取式（2.11）和（2.12）之差，利用式（2.10）化简，得到电子电流：,当杂质全部电离时，取n20=ND2，于是正尖峰势垒突变为pN结,电流和电压特性最终表示为：,其中：,（2.13）,（2.14）,2.1.3 发射模型,在扩散模型中，载流子经历了多子注入到对方区域转化为少子，少子经扩散复合又转化为多子的过程。实际上具有足够能量的载流子越过势垒，也可以不必经过上述转化过程，直接成为漂移电流，这就是发射模型。根据Beche的热电子发射理论有：,（2.15）,当杂质全部电离时，取n20=ND2,于是正尖峰势垒突变pN结,电流和电压特性最终表示为：,其中，,（2.16）,2.1.4 简单隧道模型,载流子在电场作用下也可以穿过尖峰势垒，形成隧道电流。,Ec1,Ev1,Ec2,Ev2,qVD2,x0,x2,qV2,qV1,Ec(x),根据量子力学中的经典WKB（Wentzel.Kramers.Brillouin）近似法，正向偏压下电子由材料2隧穿到材料1的概率为：,假设势垒的形状是直线，势垒中的电场就是不随位置x变化的常数，记为F0，即：,这样隧穿概率为：,（2.17）,（2.19）,（2.18）,隧穿电流正比于隧穿概率，即：,于是隧道模型电流和电压特性最终表示为：,其中，At是一个常数，它对温度的依赖关系比扩散电流、发射电流弱得多；Bt是一个和温度无关的常数，因此隧穿电流lnJ和外加电压V曲线的斜率与温度无关，是一组平行线。,300 K,77 K,（2.20）,（2.21）,lnJ,V,2.1.5 界面复合模型,由于异质结是两种不同的材料形成的，难以做到晶格常数和热膨胀系数的完全匹配，在制备和热处理过程中，在界面必然存在大量的挂键和缺陷。悬挂键和缺陷能级可能处于禁带中而形成界面态，它对载流子的输运有很大影响。由热发射越过各自势垒的电子和空穴，在界面处快速复合，称为界面复合机构。,qV,Eg2,Eg1,1 2,界面复合模型示意图,界面复合模型的电流和电压特性取决于势垒高度大的肖特基二极管，若，则有：,其中，为有效里查逊常数。界面复合模型的正向电流和扩散（发射）模型相同，它和扩散模型、发射模型一样都与温度有关，但比扩散模型、发射模型更为强烈。,界面复合模型lnJ和V曲线的温度特性,（2.22）,2.1.5 隧道复合模型,异质结界面上处于禁带中的界面态也可以作为隧道复合的中间能级，有助于载流子通过界面态隧穿到对方区域，和相反型号载流子复合，这就是隧道复合模型。,正偏pN异质结隧道复合过程示意图,材料2中的电子借助于界面态以隧穿的方式进入材料1与空穴相复合，隧穿复合过程可以是一阶的，也可以是多阶的,对于一阶隧道复合过程，正向电流为：,其中，Atr是一个与温度弱相关函数，Btr取决于输运区的电子有效质量、介电常数、平衡载流子浓度和势垒的形状。假设势垒的形状是线性的，即势垒中的电场是不随位置变化的常数，对于上图所示的隧道复合过程，取n20=ND2，有：,Btr 是一个温度无关的常数，因此隧道复合电流 lnJ 和外加电压V 曲线的斜率与温度无关，和简单隧道模型相同也是一组平行线。,（2.23）,（2.24）,一阶隧道复合模型的理论值与实验值符合得不够好，这是因为隧道复合电流不仅和界面态能级的数量有关，还和界面态能级的性质有关。界面态能级对电子的俘获和释放将改变势垒的高低和形状，从而影响载流子的输运。至于多阶隧穿复合模型，因为界面态情况的复杂性，它的定量计算还是很困难。,正偏pN异质结隧道复合过程示意图,对于一阶过程，假设势垒的形状是线性的，隧穿过程主要在材料2区，反向电流为：,反偏pN异质结隧道复合过程示意图,（2.25）,一般说来，异质结中往往同时存在多种电流输运机构，右图是典型的 pN 结 lnJ 和 V 的实验曲线，曲线有一个明显的转折点。从它的温度特性可以看出，转折点之下的曲线斜率与温度相关，是扩散电流输运机构或发射电流输运机构；转折点之上的曲线斜率与温度无关，是隧道电流输运机构。,典型的pN结 lnJ和V曲线的温度特性,lnJ,V,2.2 反型异质结的注入特性2.2.1 高注入特性,由于反型异质结界面两侧的载流子所面对的势垒高度有明显的差别，正向偏压时一种载流子的注入电流会显著的超过另一种载流子的注入电流。以pN结为例，所谓的注入比是指N区向P区注入的电子电流与p区向N区注入的空穴电流之比。为了比较，先看同质结的注入比：,对于同质结注入比，界面两侧的掺杂浓度起支配作用，要获得高注入比，必须NDNA，即发射区的材料要高掺杂，然而高掺杂会带来晶体质量、载流子简并等一系列问题，使实验研究和理论分析复杂化。,（2.26）,不考虑导带的尖峰势垒，得到的电子扩散电流和空穴扩散电流为：,两式之比就是注入比，当杂质全部电离时，取n20=ND2,p10=NA1，得：,（2.27）,对于异质结只要选择宽带材料作为发射区就可以获得很高的注入比，而不必像同质结那样刻意追求高掺杂浓度,2.2.2 超注入特性,反型异质结的另一个重要特性是超注入，它是由Alferov在1967年首先提出。即在一定的正向偏压条件下，注入到窄带材料中的少数载流子浓度可以超过宽带材料的多数载流子浓度。对于非简并半导体，同质结两侧同种载流子关系为：,正向偏压下从n区克服势垒qVD注入到p区的少数载流子（电子）浓度n约等于np，它随着正向偏压逐渐加大而不断增加。,（2.28）,异质结情况则不同，由于能带带阶的存在，qVD已经不再代表势垒高度，对于负尖峰势垒的pN结，电子从 N 区注入到p区克服势垒变为（qVD-Ec）,（2.2）,（2.29）,平衡形式,非平衡形式,当正向偏压满足下列条件时：,就有nn2,即实现了超注入。,（2.30）,2.3 突变同型异质结2.3.1 发射模型,对于理想突变nN异质结，发射模型所描述的电流和电压特性和理想突变pN异质结的公式相同，即：,其中，但是在nN异质结中，材料1靠近界面处是电子积累层，而材料2靠近界面处是电子耗尽层，导致VD1VD2和V1V2,上式化简为：,（2.32）,（2.31）,注意：对于同型异质结，所谓的正向偏压也是指削弱内建电场VD的方向。同型异质结的内建电场和反型异质结相比要小得多，这意味着同型异质结的整流特性所能施加的电压范围也很小，超过这个范围异质结就会被击穿。,2.3.2 扩散模型,应用扩散模型处理理想突变nN异质结，得到的电流和电压特性表达式为：,2.3.1 双Schottky二极管模型,qVD1,EC,qVD2,EV,Eg1,Eg2,对于nN异质结，由于界面态存在大量电子陷阱，它能俘获界面两侧导带的电子，而使界面带负电。为满足电中性条件，界面两侧必然都形成带正电的耗尽层，导致界面两侧耗尽层的能带都向上弯曲。,界面有大量负电荷的nN异质结能带图,界面有大量负电荷的nN异质结，在正向偏置下有两种发射电流输运机构：一次发射和二次发射。一次发射是指电子直接越过两个势垒而没有被界面态俘获，二次发射是指电子越过一个势垒而被界面态俘获，再次发射越过另一个势垒，如下图所示。,正偏压下两种电流输运机构,忽略可能存在的隧道电流输运机构，界面有大量负电荷nN异质结的发射电流输运机构可以等效为两个背靠背的Schottky二极管的串联，如下图所示。,双Schottky二极管模型,Schottky二极管2的电流和电压特性表达式为:,令反向饱和电流密度，上式简写为：,Schottky二极管1的电流和电压特性表达式为:,令反向饱和电流密度，上式简写为：,（2.37）,（2.36）,（2.38）,（2.39）,根据电流连续性条件，通过异质结的电流密度J=J1=J2，而外加电压V=V1+V2，由式（2.38）和（2.39）可得电流和电压特性表达式为：,（2.40）,适度掺杂nN异质结伏安特性实验曲线,2.4 突变异质结电容和电压特性2.4.1 突变反型异质结,突变反型异质结界面两侧都是载流子耗尽层，用突变耗尽理论处理。由空间电荷区内电荷的数量Q和外加电压V的变化率，即可以求得单位面积异质结的电容为：,（2.41）,（2.42）,对于单边突变结，当NA1 ND2时有：,当ND2 NA1时有：,对于单边突变异质结，由直线的斜率就可以求出低掺杂一边的材料杂质浓度。,突变异质结电容和电压特性曲线,（2.42）,（2.43）,2.4.2 突变同型异质结,突变同型异质结界面，一侧是载流子积累层，另一侧是载流子耗尽层，突变nN结单位面积的电容，可按单边突变结的电容处理：,（2.44）,以上都是理想情况，存在界面态时会使电容和电压特性复杂化。,总结、考核要求1、记住异质结中存在的几种电流输运机构；2、影响尖峰势垒的因素、突变异质结的电容和电压特性；3、作出不同类型异质结的平衡能带图；4、判别不同类型异质结电流输运机构中的I-V曲线特点。,