半导体光电子学第2章_异质结.pptx

势垒区电场减弱，
破坏了载流子的扩散 运动和漂移运动之间 的平衡，削弱了漂移 运动，使扩散电流大 于漂移电流。
所以在加正向偏 压时，产生了电子从N 区向P区以及空穴从P 区到N区的净扩散电流。
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 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pn结上。现在在半导体加一个电压V，p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pn结上， 这也等于在pn上施加一个外加电场E。外加电场的方向与内置 电场E0的方向相反，总电场E0-E比原来的电场小了。这削弱了 电子和空穴的势垒，由原来的eV0变为e(V0-V)。同时空间电荷 区宽度变窄，由原来的w0变为w。
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 作用，n区的多数载流子电子和p 区的多数载流子空穴分别向p区 和n区扩散。这样在p区和n区的 分界面附近，n区由于电子扩散 到p区而留下不能移动的正离子， p区由于空穴扩散到n区而留下不 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 个电场E0，称为内置电场。内置 电场的方向是从n区指向p区，阻 碍着电子和空穴的扩散，它使n 区的少数载流子空穴和p区的少 数载流子电子分别向p区和n区作 漂移运动，
不论是n型或p型半导体材料，若Fermi能级都处于禁带 中。——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， 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。 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n型的Fermi能级处于导带中，p型的 Fermi能级处于价带中。
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：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：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。
p-n结的形成过程
平衡P-N结的能带图
N型、P型半导体的能带图，图中EFn和EFp分别表示N型 和P型半导体的费米能级。 EFn高于EFp表明两种半导体中的电子填充能带的水平不同。
当两块半导体结合形成P-N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)，电子将从费米能级高的N 区流向费米能级低的P区，空穴则从P区流向N区。因而EFn不 断下移，而EFp不断上移，直至EFn=EFp。
这时，P-N结中有统 一的费米能级EF，P-N结 处于平衡状态，其能带图 如图所示。
能带相对移动的原因 是P-N结空间电荷区中存 在内建电场的结果。
由于整个半导体处于 平衡状态，因此在半 导体内各处的Fermi 能级是一样的。可以 看到，这时由于势垒 的存在，电子和空穴 也没有机会复合
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 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 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 反方向移动。
一、非平衡状态下的pn结 1、外加电压下，pn结势垒的变化及载流子的运动。
正向偏压
P-N结加正向偏压V （即P区接电源正极，N区接负极）
势垒区内载流子浓度很小，电阻很大，势垒区外的P区和N 区中载流子浓度很大，电阻很小，所以外加正向偏压基本 降落在势垒区。
正向偏压在势垒区中产生了与内建电场方向相反的电场，因而 减弱了势垒区中的电场强度，这就表明空间电荷相应减少。故 势垒区的宽度也减小，同时势垒高度从qVD下降为q(VD-V)。
这就使得n区的电子比较容易克服势垒而扩散到p区，同时p区 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 穴有机会复合产生光子。 当对半导体施加电压时，半导体加在pn结 上，p区和n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Fermi能级Efp和Efn。当半导体处于 平衡状态时，Efp=Efn=Ef。当对半导体施加电压时，Efp和Efn 不相等。可以证明，Efp－Efn=eV。
空间电荷 空间电荷区
当扩散的载流子数等于 漂移的载流子数时，达 到了动态平衡。这时在 分界面附近形成了稳定 的正负离子区，即p-n结， 也称为空间电荷区(space charge region)，或耗散 区(depletion region)。
内建电场 电势差 在整个V半D导体中，在耗散区存在
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， 形成p区和n区之间的电势差V0。 n区的电势大于p区的电势。因此， 对空穴来说，n区的势能大于p区 的势能，形成了一个势垒eV0，这 使得空穴只能在p区，不能到达n 区。对电子来说，p区的势能大于 n区的势能，也形成了一个势垒 eV0，使得电子只能在n区，不能 到达p区。 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 的。
这时，p区有更多的 载流子空穴，n区有 更多的载流子电子。 当半导体正向偏置时， 可以证明：当Efp－ Efn=eV>Eg时，就可 以实现粒子数反转。
在以上介绍的pn结半导体激光器中，p区和n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 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pn结附近电子和空穴复合外，还有一部分电子越过pn 结，经过p区扩散到电源正极。同样，还有相等一部分空穴越 过pn结，经过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，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 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(～0.2mm)，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p型掺杂。 这样在pn+结形成很大的势垒，使n+区的电子不能越过它到达 中间的p区和左边的p+区。同时在p区和p+区的分界面附近， 由于掺杂浓度的差别，使得p+区的价带顶高于p区的价带顶， 即在p+区的空穴势能低于p区空穴的势能。这时空穴集中在p+ 区。即在p区和p+区的分界面附近也形成一个势垒，但这个势 垒的高度比pn+结势垒高度小得多。