1.1 异质结基本概念

相对于由同一种半导体材料构成的同质结而言，由两种不同的半导体材料构成的结称为异质结。由于两种半导体材料的禁带宽度（带隙）、导电类型、介电常数、折射率和吸收系数等电学和光学参数的不同，在器件设计时提供了更大的灵活性，因此引起人们更多的兴趣和关注。根据界面的物理厚度，异质结分为突变异质结和缓变异质结。如果界面的物理厚度是几个原子层的量级，则称为突变异质结。如果界面的物理厚度是扩散长度的量级，则称为缓变异质结。根据两种半导体材料的导电类型是相反还是相同，异质结又分为反型异质结和同型异质结。为了醒目，通常用小写字母n或p表示窄带隙半导体的导电类型，用大写字母N或P表示宽带隙半导体的导电类型，按惯例先写出窄带隙半导体，这样反型异质结表示为nP结或pN结，而同型异质结表示为nN结或pP结。

下面以突变pN异质结的理想情况为例，引入有关异质结的基本概念。所谓理想情况是指忽略两种不同的材料形成异质结时产生的界面态。异质结的形成与两种不同的材料的电子亲和能、禁带宽度和功函数有关。

图1-1是两种材料形成异质结前、后的能带图。由于存在两种不同的材料，它们体内的电子能量需要一个共同的参考能级进行比较，根据Anderson的电子亲和能规则（ElectronAffinitiesRule，EAR）[3]，把这个共同的参考能级规定为体外真空电子能级E0，并且要求在形成异质结时真空电子能级始终是连续的。电子从导带底移到真空电子能级所需能量称为电子亲和能χ，电子从费米能级移到真空电子能级所需要的能量称为功函数φ，材料的禁带宽度表示为Eg，下标1和下标2分别表示带隙较小和较大的半导体材料。在图1-1（a）中，EF2的位置高于EF1，电子将从材料2转移到材料1，从而产生内建电场，以阻止电子的继续转移，直到材料1和材料2有统一的费米能级EF为止，此时pN结处于热平衡状态，内建电场由材料2指向材料1。材料2靠近界面处形成正空间电荷区（电子耗尽区），能带向上弯曲，材料1靠近界面处形成负空间电荷区（空穴耗尽区），能带向下弯曲，如图1-1（b）所示。因为在形成异质结时真空电子能级始终是连续的，电子亲和能、禁带宽度是材料的固有参数始终是不变的，这就意味着能带边处处与真空电子能级平行，结果导带在材料2的界面附近形成了尖峰，在材料1的界面附近形成了尖谷，价带在界面处出现了阶跃，总之能带出现了不连续。这个不连续量，简称为带阶，将对异质结的性能产生重要影响。其中导带带阶用ΔEC表示，价带带阶用ΔEV表示。注意由于ΔEC和ΔEV的存在，此时真空电子能级E0的弯曲度qVD已经不再代表势垒高度。电子由材料2到材料1的势垒高度变为（qVD-ΔEC），而空穴由材料1到材料2的势垒高度变为（qVD+ΔEV）。

图1-2是突变pN异质结加正向偏压V的能带图，可以看出随着正向偏压V的增加，从材料2到材料1的电子势垒高度和从材料1到材料2的空穴势垒高度都在减少，而导带带阶ΔEC和价带带阶ΔEV不随偏压改变。总之，导带和价带在界面处存在着带阶ΔEC和ΔEV是所有突变异质结的共同特征。