固体物理学_黄昆_第七章 半导体电子论_20050406
§7.8 异质结
同质结：由同种半导体材料构成的N区或P区，形成的PN结。如将两块带隙宽度相同、掺杂不
同的半导体材料，在一定的条件下生长在一起形成同质结。
异质结：两种带隙宽度不同的半导体材料生长在同一块单晶上形成的结。
同型异质结：结的两边导电类型相同：NN，PP结
异型异质结：结的两边导电类型不相同：NP，PN结
—— 对于异型异质结：两种材料的带隙不同，左边为N型，右边为P型，如图XCH007_021所示。
两种半导体材料构成异质结前的能级图如图XCH007_021所示。
—— 由于N型何P型半导体材料的费密能级不同，接触以后N型材料中电子流向P型材料中，最
后达到平衡时，两种材料的费密能级相等。
两种半导体材料构成异质结后的能级图如图XCH007_021_01所示。
两种半导体材料组成异质结后，在界面处导带底和价带顶是不连续的，其差值分别为：
21
χχ? ?=
C
E
)()(
2211 ggV
EEE +?+= χχ?
CggV
EEEE ?? +?=
21
PN结势垒的形成
—— 由于两种材料的费密能级不同，形成异质结时，电子从高费密能级材料流向低费密能级材料，
形成PN结势垒。形成异质结时，能带在界面处间断，在势垒的一侧出现尖峰，另一侧出现峡谷。
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如图XCH007_022所示。
异质结的“注入比”
注入到P区的电子电流密度：
n
nTkqV
Pn
L
D
eqnj
B
)1(
/0
??=
注入到N区的空穴电流密度：
p
pTkqV
Np
L
D
eqpj
B
)1(
/0
??=
热平衡条件：
Tk
E
B
g
eNNpn
?
+?
=
00
同质结注入比：PN
0
0
N
P
np
pn
p
n
p
n
LD
LD
j
j
=，
A
D
np
pn
p
n
N
N
LD
LD
j
j
=
异质结注入比：PN
0
0
N
P
np
pn
p
n
p
n
LD
LD
j
j
=
()()
g NgP
B
EE
np kT
nD
ppnA
DL
jN
e
jDLN
?
=
—— 如果N型区的带隙宽度大于P型区带隙宽度，即使两边掺杂浓度差不多时，可以获得很高的
注入比——决定晶体管的电流放大系数、激光器的注入效率和阈值电流。
光生伏特效应——太阳能电池
利用扩散掺杂的方法，在P型半导体的表面形成一
个薄的N型层，在光的照射下，在结及其附近
产生大量的电子和空穴对，在结附近一个扩散
长度内，电子－空穴对还没有复合就有可能通过扩
散达到PN结的强电场区域（结自建电场），电
子将运动到N型区，空穴将运动到P型区，使N区
带负电、P区带正电，在上下电极产生电压 —— 光
生伏特效应。如图XCH007_024所示。
PN
PN
PN
异质结的“窗口效应”
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光子能量小于宽带隙的N型层，即
Ng
Eh )(<ν，可以透过N型层，在带隙较窄的P型层被吸收。
—— 异质结的“窗口效应”
用同质结制作光电池，入射光的大部分在表面
一层被吸收，由于表面缺陷引起的表面复合和高掺
杂层中载流子寿命低等因素，使得一些电子－空穴
对不能到达强电场以前，就发生了复合，降低了太
阳能电池的效率。利用异质结的窗口效应，可以有
效地减小电子－空穴的复合率，提高太阳能电池的
光电转换效率。如图XCH007_023所示。
PN
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