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一般而言， p-n 接面可分為同質接面 (Homojunction) 與 異質接面 (Heterojunction) 。

一般而言， p-n 接面可分為同質接面 (Homojunction) 與 異質接面 (Heterojunction) 。 同質接面是指二個相同的材料，其能隙大小相同，但摻雜的雜質不同，一為 n 型半導體，一為 p 型半導體，二者所形成的接面。 異質接面是指二個不同的材料，其能隙大小不同，晶格大小相近，二個材料中可能摻雜不同的雜質，二者所形成的接面。若將二個異質接面串接在一起，即成為雙異質接面 (double heterojunction, DH) ，此種結構為目前大部分的半導體雷射所採用。 圖 3-1(a) 所示為同質接面圖， 圖 3-1(b) 所示為雙異質接面圖。.

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一般而言， p-n 接面可分為同質接面 (Homojunction) 與 異質接面 (Heterojunction) 。

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Presentation Transcript

  1. 一般而言，p-n接面可分為同質接面(Homojunction)與異質接面(Heterojunction) 。 • 同質接面是指二個相同的材料，其能隙大小相同，但摻雜的雜質不同，一為n型半導體，一為p型半導體，二者所形成的接面。 • 異質接面是指二個不同的材料，其能隙大小不同，晶格大小相近，二個材料中可能摻雜不同的雜質，二者所形成的接面。若將二個異質接面串接在一起，即成為雙異質接面(double heterojunction, DH)，此種結構為目前大部分的半導體雷射所採用。 • 圖3-1(a)所示為同質接面圖，圖3-1(b)所示為雙異質接面圖。

  2. 3.1 同質pn接面 • 在這一小節中，我們假設二個相同材料卻均勻地摻雜著分別為n型和p型雜質接觸在一起所形成的接面，如圖3-2所示。

  3. 3.1.1 內建電位 • 接下來我們將以能帶圖的概念來推導內建電場以及內建電位(built-in potential)的大小。 • 在接面尚未接觸前，n型和p型半導體的能帶圖如圖3-3(a)所示。 • 當p型半導體和n型半導體接觸而達成熱平衡後，不會有任何的載子流動，因此費米能階必須是一條水平的能階跨越p-n接面，如圖3-3(b)所示。 • 內建電位或稱為接觸電位(contact potential)為：

  4. 3.1.2 空乏區與接面電容 • 在空乏區中由於空間電荷正負電分離而產生電場，我們可以估計空間電荷的分佈來計算內建電場的大小。如圖3-4(b)所示： • 由於在p-n接面的二側各由正、負電荷佔據，其所形成的電場如圖3-4(b)所示，此最大電場的值可計算為： • 其中ε0為真空介電常數，而εr為相對介電常數。而電位可由圖3-4(c)中電場分佈積分得到，即

  5. 3.1.3 順向偏壓 • 當p-n 接面被施予順向偏壓，即p 型端施以正電壓 V，如圖3-5(a)所示，此電壓將會使p 型半導體的能帶下降，或相對地使n型半導體的能帶上升，在靠近接面處，原本平衡狀態下一水平的費米能階因受到外加電壓V 的影響現可用二準費米能階來表示。 • 而其間的能量差異為eV，如圖3-5(b)所示，這使得在靠近接面處的內建電場變小為V0-V，同時也使得空乏區的寬度變窄。

  6. 圖3-6為p-n接面二極體在理想情況下的電流電壓特性。

  7. 3.1.4 逆向偏壓 • 如圖3-7(a)所示，當p-n二極體被施予逆向偏壓時，V = -Vr ＜ 0，會進一步使內建電位變大為Vo+Vr，將更進一步阻止多數載子的擴散，而空乏區的寬度也同時變大。 • 在靠近接面處，原本平衡狀態下一水平的費米能階因受到外加電壓的影響現可用二準費米能階來表示，而其間的能量差異為eVr，如圖3-7(b)所示。

  8. 3.2 異質接面 • 3.2.1 異質接面的形成 • 異質接面是由二種不同的半導體材料實際接觸在一起而形成的，在同質p-n接面中， • 可用離子佈植或擴散的方式來摻雜形成不同的p或n型半導體構成接面，而異質接面需要二種不同的半導體，其構成通常藉由磊晶成長的方式將一種半導體直接成長或堆疊到另一種半導體上。 • 圖3-8所示為異質接面的形成和磊晶成長示意圖。

  9. 表3-1列出了常用三元化合物能隙與組成的關係式。

  10. 能帶或能隙對齊(alignment)的方式分為三種，如圖3-9所示。能帶或能隙對齊(alignment)的方式分為三種，如圖3-9所示。 • 圖3-9(a)為最常見的一種對齊方式。 • 圖3-9(b)顯示錯排(staggered)式的對齊。 • 圖3-9(c)為錯開最完全的一種對齊方式。 • 圖3-9(a)的對齊方式又被稱為「Type I」能帶對齊，圖3-9(b)和(c)則被稱為「Type II」能帶對齊。

  11. 3.2.2 非同型異質接面(anisotype heterojunction) • 首先討論非同型異質接面，在二材料尚未形成接面前，其能帶圖如圖3-10(a)所示。 • 當此異質接面形成後達到熱平衡，如圖3-10(b)所示。

  12. 3.2.3 同型異質接面(isotype heterojunction) • 接下來我們仍然使用電子親和力模型來說明n-N 同型異質接面的能帶圖以及計算其接面的接觸電位，如圖3-11所示。 • 由以上的分析我們可以使用相同的技巧，在電子親和力模型下推得p-P和n-P接面的能帶圖，分別如圖3-12所示。

  13. 表3-2列出常見的半導體的電子親和力。

  14. 3.2.4 異質接面電流電壓特性 • 考慮如圖3-13之p-N異質接面，我們定義p型半導體和N型半導體的參數如表3-3所示：

  15. 當順偏壓V施加在此p-N異質接面如圖3-13 (b)所示，我們可使用在同質p-n接面的推導式子及套用在異質接面上成為： • 其中，JTE為熱游離子放射電流；JFE為場發射電流；JR為經缺陷的復合電流；JD為少數載子的擴散電流。而A*為有效Richardson常數。

  16. 圖3-14所示是p-N GaAs/AlGaAs異質接面的電流密度與電壓的關係。

  17. 3.3 雙異質接面與注入效率 • 3.3.1 雙異質接面雷射二極體 • 圖3-15所示為雙異質接面雷射結構順向偏壓下的能帶圖與折射率分佈與光場分佈。 • 圖3-16(a)所示為N-Al0.3Ga0.7As/p-GaAs/P-Al0.3Ga0.7As異質結構在未接觸前之能帶圖。 • 圖3-16(b)所示為達到熱平衡時之能帶圖。 • 圖3-16(c)所示為順向偏壓時之能帶圖。

  18. 3.3.3 載子侷限與漏電流 • 載子濃度在雙異質結構的主動層中，其隨能量的分佈如圖3-17所示，儘管大部分的載子都會侷限在主動層中，但那些能量超過ΔEc的載子（如圖3-17中陰影部分）就有機會越過能障擴散到P-型披覆層而形成漏電流(leakage current) 。

  19. 圖3-19所示為不同溫度下漏電流比率對ΔEc的關係。圖3-19所示為不同溫度下漏電流比率對ΔEc的關係。

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