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半导体物理与器件笔记（三十一）——半导体异质结及其能带图

摘要：探讨半导体异质结及其能带图的理论知识，涵盖异质结的结构、分类、形成条件与生长技术，以及能带结构的特点与影响。

半导体异质结不同于传统的同质结，它是由两种不同的半导体单晶材料构成的结构。这种结构在电子学和光电子学中有广泛应用，尤其在制造激光二极管、太阳能电池等器件时显得尤为重要。异质结的引入提高了电子注入效率，降低了界面态密度，从而改善了器件性能。

1. **半导体异质结结构**

- **定义**：由两种不同半导体材料形成的结称为异质结。

- **发展历史**：自1951年Gubanov提出异质结的概念，1957年克罗默证明了异质结的注入效率更高，1960年IBM实现异质结构的生长，1969年人类制备出第一支异质结激光二极管。

- **分类**：按导电类型和能带位置，分为反型异质结、同型异质结、I型、I'型、Ⅱ型异质结；按过渡程度，分为突变型和缓变型异质结。

2. **异质结的能带结构**

- **能带弯曲**：异质结界面处能带产生突变，出现“尖峰”和“凹口”，影响载流子的运动。能带的弯曲程度取决于材料的禁带宽度和掺杂浓度。

- **空间电荷区**：形成空间电荷区和内建电场，影响能带结构和载流子的传输。

3. **异质结的形成条件与生长技术**

- **条件**：满足禁带宽度的要求，选择晶格失配小的材料。

- **技术**：利用汽相外延生长、分子束外延等技术，实现高精度的晶格匹配，减少界面态密度。

4. **界面态的影响**

- **界面态密度**：晶格失配导致悬挂键产生，引入界面态，影响能带结构和载流子传输。

- **电荷分布**：施主态或受主态电荷分布改变能带结构，影响耗尽层宽度和界面势垒高度。

5. **能带结构的特点与影响**

- **能带弯曲**、**空间电荷区**与**界面势垒**等特性对电子与空穴的传输、载流子的限制作用及器件性能至关重要。

- **异质结的特殊性质**：能带弯曲、电势不连续等特性使得异质结具有不同于同质结的特殊性能，如更高的电子注入效率、更复杂的能带结构。

通过理解半导体异质结的结构、能带图以及其对电子传输的影响，可以深入掌握这一技术的原理，为设计和优化高性能电子和光电子器件提供理论基础。