異質結不同半導體材料構成的結稱異質結。存在兩種類型的異質結，即反型（P-N）和同型（N-N或P-P）異質結。一般把禁帶寬度小的材料寫在前面，如n-nGe-Si,nGe-pGaAs異質結也有突變結和緩變結之分，但一般情況下以突變結居多。以討論不考慮界面態的影響。異質結不同半導體材料構成的結稱異質結。1I、I’、II型異質結I型：窄帶的導帶底和價帶頂均位于寬帶的禁帶內（電子勢阱，空穴勢阱）。I’型：一種材料的導帶底位于另一種材料的禁帶內，而價帶頂則低于另一材料的價帶頂（電子勢阱、空穴勢壘）。II型：一種材料的導帶底和價帶頂均低于另一種材料的價帶底（電子勢阱、空穴勢壘）。注意：間的關系。I、I’、II型異質結I型：窄帶的導帶底和價帶頂均位于寬帶2邊界條件邊界條件3異質結的能帶圖與同質PN結的異同

相同點：形成空間電荷區能帶彎曲；有電容效應。不同點：由于兩種材料介電常數不同，因而電場在界面處不連續，導致能帶出現尖峰、下陷和不連續。導帶上的下陷處積累高密度的電子，可以形成2維電子氣2DEG。異質結的能帶圖與同質PN結的異同

4異型異質結—例子異型異質結—例子5同型異質結—例子同型異質結—例子6nP型異質結nP型異質結7能帶彎曲與接觸電勢差能帶彎曲總量接觸電勢差導帶底突變價帶頂不連續能帶彎曲與接觸電勢差能帶彎曲總量8具體例子具體例子9反向勢壘負反向勢壘（寬帶區摻雜濃度較高）

如果禁帶寬度大的半導體材料界面處的尖峰低于禁帶寬度小的半導體材料在勢壘區外的導帶底，則稱該勢壘為負反向勢壘，其高度為反向勢壘負反向勢壘（寬帶區摻雜濃度較高）

如果禁帶寬度大的半10電子勢壘與空穴勢壘的不對稱性不難看出，電子遇到的勢壘高度與空穴遇到的勢壘高度是不一樣的。電子勢壘高度空穴勢壘高度推論：通過勢壘的電流主要是電子流引起的；空穴電流可以忽略。加偏壓后，電子的勢壘高度為伏安特性特點：與同質PN結的公式相似，但飽和電流值不同。電子勢壘與空穴勢壘的不對稱性不難看出，電子遇到的勢壘高度與空11正反向勢壘（寬帶區摻雜濃度較低）如果禁帶寬度大的半導體材料界面處的尖峰低于禁帶寬度小的半導體材料在勢壘區外的導帶底，則稱該勢壘為正反向勢壘，其高度為正反向勢壘（寬帶區摻雜濃度較低）如果禁帶寬度大的半導體材料界12正反向勢壘的特點1、由右向左的電子勢壘高度=qVD22、由左向右的電子勢壘高度=DEc-qVD13、空穴勢壘高度=DEv+qVD2，高于電子勢壘高度，空穴電流可以忽略。4、加偏壓后，一部分降落在寬帶區V2，另一部分降落在窄帶區V1，因此

由右向左的電子勢壘高度=q(VD2-V2)

由左向右的電子勢壘高度=DEc–q(VD1-V1)無論是正偏還是反偏，電子的運動都要克服勢壘，但高度不同。因為寬帶區摻雜少，因此N型寬帶區的導帶電子密度較小，因此窄帶p區向寬帶運動的電子不能忽略。正反向勢壘的特點1、由右向左的電子勢壘高度=qVD213正向勢壘的I-V特性正向電子電流（P

n）反向電子電流總電流

正向勢壘的I-V特性正向電子電流（Pn）14異質結的I-V特性圖示異質結的I-V特性圖示15界面態的影響原因：晶格失配對于晶格常數為a1和a2的兩種材料，晶格失配定義為懸掛鍵：由于晶格失配，使得界面處存在沒有配對的鍵，這些未配對的鍵稱為懸掛鍵。界面態的影響原因：晶格失配16界面態密度界面態密度=界面處鍵密度差，即鍵密度：由晶格常數、晶面取向決定。因此界面態密度也是與材料本身及晶面取向有關，如對硅而言，若襯底為（111）面，則

對（110）面，而對（100）面，界面態密度界面態密度=界面處鍵密度差，即17表面能級與懸掛鍵對應的能級稱為表面態或界面態。巴丁極限：

若表面態密度大于1013cm-2，則表面處的費米能級位于禁帶的1/3處（相對價帶頂）。對N型半導體，表面態起受主作用，能帶向上彎曲；對P型半導體表面態起施主作用，能帶向下彎曲。表面能級與懸掛鍵對應的能級稱為表面態或界面態。18表面態對異質結能帶的影響當表面態起施主作用時，異質結能帶圖如上圖所示；當表面態起受主作用時，異質結能帶圖如下圖所示。pNnPpP/nNpNnPppnn表面態對異質結能帶的影響當表面態起施主作用時，異質結能帶圖如19雙肖特基二極管模型如果表面態密度大于1013cm-3，則異質結兩邊的能帶向同一方向彎曲，好象形成了兩個相向放置的肖特基二極管。雙肖特基二極管模型如果表面態密度大于101320表面態密度很高時的I-V特性從左邊到界面區，電流從界面區到右邊，利用j1=j2，V1+V2=V，得實驗發現，飽和區之間的I-V特性與左式符合得很好。表面態密度很高時的I-V特性從左邊到界面區，電流212D電子氣N+GaAspGaAlAs異質結2D電子氣N+GaAspGaAlAs異質結222DEG的特點及用處2DEG在空間上分開了摻雜區與高載流子濃度區（調制摻雜）；在近本征的p型GaAs界面附近有一個濃度很高的自由電子層；由于雜質濃度很低，因此雜質散射影響很小，所以2DEG具有很高的載流子遷移率。可以以來制造高遷移率晶體管(HEMT)和2維電子氣場效應管（TEGFET）。2DEG的特點及用處2DEG在空間上分開了摻雜區與高載流子濃23無限深一維方勢阱薛定格方程無限深一維方勢阱薛定格方程24薛定格方程的解0<x<a,V=0，則特征解邊界條件波函數解薛定格方程的解0<x<a,V=0，則25波函數波函數262DEG的能量及狀態密度K空間，態密度正比于

換成E空間：2DEG的能量及狀態密度K空間，態密度正比于

換成E空間：272DEG－DOS3D－DOS2DEG－DOS3D－DOS282DEG的激子能量3D：類氫原子模型2D：2DEG的激子能量是是3D時的4倍。2DEG的激子能量3D：類氫原子模型29量子阱及吸收光譜量子阱及吸收光譜30半導體物理研究生用課件31多量子阱與超晶格量子阱：一個能量比較低厚度足夠薄的區域，如前面討論的導帶中的下陷區，通常由2個勢壘限定。多量子阱：多個量子阱－勢壘組合。超晶格：許多按周期性排列的量子阱－勢壘組合。多量子阱與超晶格量子阱：一個能量比較低厚度足夠薄的區域，如前32多量子阱量子約束：兩種不同的半導體材料做成重復相間的多層結構，只要兩種材料的能帶結構合適，電子和空穴的運動將被局限在各自的勢阱中。形成多量子阱的條件：窄帶材料（勢阱）的寬度較小，可以和電子的德布羅意波長相比。寬帶材料（勢壘）的寬度較大，使兩個相鄰勢阱中的電子波函數不能互相耦合。能級分立：阱中電子（或空穴）在垂直于結平面方向的能量不再連續，只能取一系列分立的值，它們和勢阱的寬度、深度以及電子和空穴的有效質量有關。勢阱中的電子和空穴在平行于異質結的方向上的運動是自由的，因而能帶將由一系列的子能級組成，態密度和能量的關系呈臺階形+尖峰。多量子阱量子約束：兩種不同的半導體材料做成重復相間的多層結構33超晶格

晶格常數超大的人工晶格超晶格：

形成超晶格的條件：

量子阱的數目很多，一般在50個以上。

窄帶材料（勢阱）的寬度較小，可以和電子的德布羅意波長相比。

寬帶材料（勢壘）的寬度也較小，使相鄰勢阱中的電子波函數能夠互相耦合。各量子阱的分立能級因阱間相互作用而擴展成子能帶。但DOS總體形狀與多量子阱仍然相似，但原先的尖峰擴展成較寬的峰。

超晶格晶格常數超大的人工晶格超晶格：

形成超晶格的條件：

34I、I’、II型超晶格I型：窄帶的導帶底和價帶頂均位于寬帶的禁帶內。I’型：一朝材料的導帶底位于另一種材料的禁帶內，而價帶頂則低于另一材料的價帶頂。II型：一種材料的導帶底和價帶頂均低于另一種材料的價帶底。注意：間的關系。I、I’、II型超晶格I型：窄帶的導帶底和價帶頂均位于寬帶35超晶格（江崎－朱兆祥）超晶格（江崎－朱兆祥）36超晶格的態密度-能帶折疊效應能帶折疊效應超晶格的態密度-能帶折疊效應能帶折疊效應37補充：量子線-1D電子在兩個方向(x,y)受到限制，但在一個方向(z，長度方向)是自由的。因為Z方向是自由的，所以態密度dN/dE正比于。電子在xy方向是約束的，能量只能取分立值。因此一維系統的dN/dE如右圖所示。補充：量子線-1D電子在兩個方向(x,y)受到限制，但在一個38量子點-0D納米顆粒可以認為是零維系統。電子在這樣的點中在三個方向均受到約束，因而能帶為分裂能級結構，其態密度如左下圖所示。量子點-0D納米顆粒可以認為是零維系統。電子在這樣的點中在三39NCS與應變調制應變：

異質結

晶格不匹配

應力應變

禁帶寬度變化載流子濃度變化（力傳感器）NCS(neighboring-confinementstructure)

電子-空穴分別約束在鄰近區域，提高發光效率。NCS與應變調制應變：

異質結晶格不匹配

應力應變40異質結、量子阱、超晶格的應用發光（激光器，發光二極管）；測光強、輻射；HBT晶體管；HEMT；應變傳感器高濃度調制摻雜、應變摻雜異質結、量子阱、超晶格的應用發光（激光器，發光二極管）；41普通三極管（同型結）：采用不對稱結，即提高發射區施主濃度以減小基區注入到發射區的空穴電流濃度。發射區施主濃度為基區受主濃度的100倍左右。異質結雙極晶體管（HBT）：heterojunctionbipolartransistor

利用異質結中電子勢壘與空穴勢壘高度的差異，實現對空穴注入的抑制，從而降低發射區的空穴注入，提高電流放大倍數。注入比可達106以上。三極管：為了提高發射效率，基區注入到發射區的空穴電流要小。普通三極管（同型結）：采用不對稱結，即提高發射區施主濃度以減42實際例子:HBT實際例子:HBT43異質結光電二極管異質結光電二極管44注入比及粒子數反轉注入比：指PN結加正向電壓時，n區向p區注入的電子流與p區向n區注入的空穴流之比。它決定晶體管的放大倍數、激光器的閾值電流密度和注入效率等。因為在總電流中只有注入到基區(作用區)中的少子才對器件的功能發揮真正的作用。對同質結而言，要得到高注入比，PN結的一邊應高摻雜。所以，一般做為發射極的材料都是高摻雜的。對異質結，禁帶寬度是決定異質結注入比的關鍵因素。用寬帶材料做發射極可以得到