PN结、同质结、异质结有何区别？第一性原理与器件计算模型、能带特征对比

说明：本文华算科技主要介绍 PN结、同质结、异质结在第一性原理和器件计算中的命名对象、模型来源、能带信号和适用范围。

PN结、同质结、异质结的基础分类

PN结按载流子类型命名。p 区以空穴为主要载流子，n 区以电子为主要载流子，两个区域接触后费米能级趋于统一，结区形成空间电荷、内建电势和能带弯曲。PN 结描述的是电学分区，材料是否相同由另一个名称决定。硅 p-n 结、N/B 掺杂石墨烯 PN 结、p 型黑磷/n 型 MoS₂ 结都能称为 PN 结，但它们的晶格连续性、界面键合和带边排列并不相同。

同质结按材料母体命名。p 区和 n 区来自同一种半导体，差别主要来自掺杂、栅压、缺陷浓度或局域化学势。异质结按材料接触对象命名。两侧材料的化学组成、晶相、晶格常数或电子结构不同，界面处还会出现带阶、应变、界面偶极、缺陷态和局域电势变化。PN 结、同质结、异质结不是一组互斥标签：同质结可以是 p-n 同质结，异质结也可以是 p-n 异质结。

N/B 掺杂石墨烯模型保留连续石墨烯晶格，左侧 N 掺杂区域和右侧 B 掺杂区域分别模拟 n 型与 p 型电极。原子结构中的半无限电极、散射区和掺杂位置决定了后续 NEGF-DFT 计算的哈密顿量划分。同一张原子结构图已经限定了“结”的含义：这里讨论的是载流子分区形成的 PN 结，而不是两种晶体堆叠形成的材料异质界面。

在第一性原理文章里，命名差异会改变要报告的物理量。PN 结要给出 p/n 来源、费米能级差、结区电势和载流子分离方向；同质结要说明同一母体材料中的掺杂态、缺陷态或外场怎样改变载流子类型；异质结应给出界面超胞、晶格失配、带边偏移和界面偶极。若把 Type-I、Type-II、Type-III 直接套到所有 PN 结，栅控石墨烯 PN 结和掺杂同质结中的内建电势会被误写成普通带边排列。

p型和n型来自载流子与费米能级位置

p型与n型在计算图谱中常由费米能级位置、缺陷能级和投影态密度共同识别。对有带隙半导体，p 型通常表现为 E_F 靠近价带顶，n 型表现为 E_F 靠近导带底；对石墨烯这类零带隙或小带隙体系，施主/受主掺杂峰、局域电势下降和输运态贡献比单个带隙数值更有用。载流子类型是输运电子态的属性，不宜把总 Bader 电荷符号直接写成 p/n 结论。

N/B 掺杂石墨烯的 PDOS 面板中，N 掺杂相关峰位于 E_F 上方，B 掺杂相关峰位于 E_F 下方。平均有效电势沿输运方向出现约 1.4 eV 的下降，给出结区局域电场的来源。这里的 p/n 判断来自掺杂诱导的输运态和电势剖面；Bader 电荷表中的 N、B 原子总电荷反映共价电子重新分布，和参与输运的 π 电子不使用同一计数口径。

栅控 PN 结把外加静电势作为载流子类型的来源。石墨烯本身保持完整晶格，左右栅压让局域 DOS 相对 E_F 上移或下移，价带侧与导带侧可被光子激发的态数决定光电流符号和强度。化学掺杂模型要写出掺杂原子和构型，栅控模型要写出外场或电势条件；二者都能形成 PN 结，但误差来源不同，前者包含掺杂散射，后者依赖电势剖面的空间衰减。

第一性原理输运计算中，结区长度、光照区域、左右电极自能和 E_ph 取值会改变光响应曲线。PDOS 或 DOS 给出可参与跃迁的电子态，平均电势给出载流子分离所需的局域电场，J-V 或光响应函数则把电子结构投到可测输运量上。对于 PN 结，能带图、局域电势和输运响应分别回答不同问题，任意一个图谱都只覆盖其中一部分物理量。

同质结看连续晶格中的p/n区域

同一母体材料让同质 p-n 结中的 p 区和 n 区可由两种掺杂元素、局域栅压、铁电极化或缺陷浓度梯度形成，价带和导带的主体轨道仍来自同一晶体骨架。硅 p-n 结是典型例子；二维材料里，MoS₂:Nb 与 MoS₂:Fe 的垂直堆叠也可构成 p-n 同质结，因为两侧的层状骨架都属于 MoS₂。

MoS₂:Nb/MoS₂:Fe 垂直同质结中，p 型 Nb 掺杂层和 n 型 Fe 掺杂层在范德华接触区形成空间电荷区。J-V 曲线可用 Shockley 二极管模型拟合，能带示意把 E_built-in 与 E_Gate 的方向放在同一结区内。同质结的带弯曲主要来自 p/n 区化学势差和外场调制，而不是两种材料的电子亲和能差。

同质结计算常用两类模型。第一类把 p 区和 n 区分别建成掺杂超胞，比较 E_F、缺陷形成能、局域态密度和载流子浓度；第二类把两侧区域纳入同一输运器件或大超胞，观察平均电势、LDOS 和电流响应在结区的变化。若掺杂浓度很高，杂质带可能穿过 E_F，同质结会呈现金属性或简并半导体特征；若结区太短，计算得到的电势下降可能主要来自有限尺寸模型，而非真实耗尽区宽度。

同质结不是“没有界面”的意思。垂直同质结仍有层间距、扭转角、污染层和接触电阻，横向同质结仍有掺杂过渡宽度和缺陷团聚。计算中保留相同母体材料，只能减少带边参照的歧义；局域结构弛豫、杂质态和电极接触仍会改写结区电势。

异质结多出材料带边和界面电势

异质 p-n 结在 PN 结变量之外，还会引入材料接触面。p 型与 n 型来自不同半导体、不同晶相或不同层状材料时，界面能带排列不再由载流子类型单独决定；价带顶、导带底、真空能级、界面偶极、缺陷态和应变会共同改变载流子分离方向。异质结计算的对象至少包含两个体相端元和一个界面模型，少掉任一部分都会让带边参照失去来源。

SnSe₂/SnSe 横向异质结构把六方 SnSe₂ 与正交 SnSe 接在同一二维片层中。STM 原子分辨图显示两侧晶格对称性不同，界面可达到原子级陡峭。这里的 PN 属性来自 SnSe₂ 的 n 型特征和 SnSe 的 p 型特征；“异质”来自晶相和晶格差异。计算模型若只取孤立 SnSe₂ 或孤立 SnSe，结区的电荷重排和带边弯曲不会出现。

DFT DOS 与缺陷形成能把 SnSe₂/SnSe 的 p/n 来源定位到具体缺陷。SnSe₂ 中 Se 空位和 Sn 间隙会在 E_F 附近引入 n 型相关态，SnSe 中 Sn 空位和 Se 间隙可提供 p 型来源。缺陷形成能随 Se 化学势变化，给出哪类缺陷在富 Se 或贫 Se 条件下更容易出现。p/n 命名在这里不是经验标签，而是由缺陷热力学和 DOS 共同限定。

SnSe₂/SnSe 界面计算应写出旋转角、超胞、应变和界面注册方式。0°、15° 和 30° 旋转角对应不同原子匹配方式，DOS 中 SnSe₂ 与 SnSe 的带边位置随界面构型改变。部分电荷密度能够标出结区附近参与带边态的空间分布，但电荷密度图本身只给出电子态空间分布；带偏移数值可由能级对齐、平均静电势或谱学参照给出。

p-diamond/n-GaN 异质结进一步显示界面层的影响。Al₂O₃/GaN 与 Al₂O₃/SiN_x/GaN 两种结构给出不同 VBO 和 CBO；SiN_x 插层改变界面介质中的正固定电荷密度，进而改变 diamond 一侧的电势下降和带弯曲。XPS 给出 C 1s、Ga 3d 和 VBM 的能级参照，DFT 可用于评估界面键合、电荷重排和介电层局域电场。

把 PN 结、同质结、异质结写进同一计算结论时，名称应跟模型变量一一匹配。PN 结给出 p/n 区、E_F 对齐和内建电势；同质结给出同一母体材料中的掺杂态、缺陷态和结区宽度；异质结给出带边偏移、界面偶极、晶格失配和界面态。对于 SnSe₂/SnSe 这类横向异质结，缺陷形成能、DOS、界面超胞和 STS/XPS 参照能共同限定 p/n 来源；对于 diamond/GaN 这类宽带隙异质结，界面层厚度和固定电荷会直接改变 VBO、CBO 与整流条件。