异质结常被分成 Type-I、Type-II 和 Type-III 三类。这个“三类”只描述两种半导体接触后的带边排列。文献中的 p–n 结、肖特基结、Z 型异质结,以及面内、垂直、核壳等名称,各自采用载流子极性、接触对象、光生载流子行为或几何形态作为命名依据。几套名称可共同描述同一个界面,却回答不同的物理问题。
异质结类型属于特定界面状态。材料组合相同,堆垛次序、Janus 层朝向、曲率、应变、极化和外场仍可能改变带阶,使 Type-II 转成 Type-I 或 Type-III。材料化学式没有包含界面构型与工作条件,无法据此固定 Type 标签。
说明:本文华算科技主要介绍异质结的三类带边关系、界面条件引起的类型转换,以及 p–n、肖特基、Z 型和 S 型等名称与 Type-I/II/III 的定义区别。



半导体 A 与半导体 B 形成界面后,两侧价带顶和导带底需要放到同一能量基准下比较。真空能级适合筛选弱耦合候选结构;显式界面模型则把费米能级平衡、界面偶极、局域应变和轨道杂化纳入自洽电荷密度。最终用于命名的是界面态中的 VBM 与 CBM 分别由哪一侧贡献,以及两侧带边是否发生能量重叠,这些量应取自同一个接触模型。
若 A 的带隙完整嵌在 B 的带隙内,VBM 和 CBM 都属于 A,对应 Type-I。若 VBM 属于 B、CBM 属于 A,电子与空穴的最低能态分居两侧,对应 Type-II。若一侧 VBM 高于另一侧 CBM,跨界面的价带—导带能区发生重叠,对应 Type-III,也称断带排列。
EV、EC 的相对次序 → Type-I / Type-II / Type-III
图 1b 用四条带边的高低关系定义三种类型,图 1c、d 则给出单根 MoS2 和 WS2 纳米管带边随直径的位移。两部分对应的计算事实是:Type 名称来自带边次序,而管径变化可移动带边。
面内异质结、垂直范德华异质结、核壳颗粒和同轴纳米管描述空间构型。它们都可能拥有 I、II 或 III 型带边。二元、三元、多元异质结记录参与组分数量,也不增加新的带边类型。讨论“有几种”时,命名依据必须明确,再给出对应数量。



三类带边之间没有额外的第四种过渡标签。导带偏移 ΔEC、价带偏移 ΔEV 及其符号给出所属区间;任一带边越过另一侧的临界位置,类型便发生切换。计算报告中应保留带边能量、层投影或原子投影权重,而非只写一个罗马数字。
Type-I 又称包覆型排列。窄带隙一侧一并贡献 VBM 与 CBM,界面两侧的势垒把电子、空穴限制在同一材料中。该排列适合需要空间共定位的辐射复合或量子限域设计,但界面缺陷、激子束缚和介电屏蔽仍会改变真实复合速率。
图 2上排的 γ-GeSe/SGa2Se 中,带边颜色分属两个组分,属于 Type-II;将 Janus 层翻转为 SeGa2S 接触后,下排 VBM 与 CBM 的投影权重集中到同一组分,转为 Type-I。化学组成没有改变,接触端改变了界面偶极与层间耦合。
Type-II 又称交错型排列。电子占据较低的导带底,空穴占据较高的价带顶,带边分离常用于延长电荷分离的空间尺度。静态层投影能带记录的是基态能级归属;光照后的转移速率还受激子能级、声子散射、界面耦合矩阵元和非辐射复合控制。
BAs/GeC 的 HSE 投影能带中,VBM 主要来自 GeC,CBM 主要来自 BAs,PDOS 给出相同的原子贡献。两张谱图相互对应,可校正能带线条颜色可能带来的归属偏差。若带边附近存在明显混合态,投影权重应随能量一同报告,避免把杂化态强行指定给单层。
Type-III 的核心条件可写成 max(EV,A, EV,B) > min(EC,A, EC,B)。此时界面出现跨带能区,外加偏压可打开带间隧穿能窗。自洽电荷转移可能重塑局域势垒,器件中的有效断带宽度应采用工作偏压下的能带或输运模型描述。
图 4中的 WS2/SnS2 接触兼具 p–n 极性和垂直几何特征。关态时源区价带与沟道导带之间没有可用能窗;栅压移动相对带边后,断带重叠允许带间隧穿。p–n 名称保持不变,Type 标签随工作状态改变。



带阶是多个界面项共同作用的结果。孤立单层的电子亲和能和电离能给出初始次序;接触后还会叠加电荷重排产生的偶极势差、晶格失配引起的形变势、层间距离控制的轨道杂化,以及极性材料自身的电势降。这些项达到几十至数百 meV 时,足以推动能量相近的带边换序。
同轴 WS2@MoS2 纳米管提供了曲率驱动的例子。半径缩小会分别移动内、外管的带边,弯曲极化还产生径向挠曲电势。两项叠加后,约 3.5 nm 以下的计算结构由 Type-II 转为 Type-I,电子、空穴的带边波函数均集中于 MoS2。
图 5c 的投影能带给出转换后的层归属,图 5d 的 CBM、VBM 空间波函数进一步定位带边。波函数图在强杂化体系中尤其有用,因为层间态可能在单一原子投影中显示为多个权重相近的贡献。
对 γ-GeSe/SGa2Se 施加外电场时,跨界面静电势差连续移动带边。负场和弱正场下维持 Type-II;正场超过约 0.1 V nm−1 后转为 Type-I,更强电场使带边越过费米能级,体系进入金属化区间。Type 转换只适用于结构稳定且场强可实现的范围。
两侧带边接近换序时,泛函和模型误差可能与带阶处于同一数量级。PBE 低估带隙、SOC 改变重元素带边、真空层偶极修正影响电势基准,固定晶格常数也会引入形变势。若 ΔEC 或 ΔEV 只有几十 meV,应给出 HSE、GW 或实验带阶参照,并注明堆垛、应变、场强和自旋轨道设置。



p–n 结按多数载流子极性命名:p 型一侧的费米能级靠近价带,n 型一侧靠近导带。它可以呈 Type-II,也可在栅压下进入 Type-III。肖特基结和欧姆接触则用于金属—半导体界面,以电子或空穴注入势垒定义;I、II、III 型通常用于半导体—半导体带边排列。把肖特基结写成“第四类异质结”,会混合两套定义。
接触前的功函数差推动费米能级平衡,接触后的平面平均电荷差 Δρ(z)、Bader 电荷和静电势剖面记录基态重排。BAs/GeC 中,这几项给出界面偶极和内建电场的方向与幅值,可用于解释带弯曲及平衡态势垒。
Z 型和 S 型名称主要服务于光催化载流子模型。它们关心光激发后哪些低能电子—空穴对优先复合,以及哪一侧保留还原能力更强的电子、哪一侧保留氧化能力更强的空穴。一个静态 Type-II 带边结构仍可能采用 Z 型或 S 型模型描述光照行为,两类名称分别记录基态能级次序与非平衡载流子去向。
图 8结合功函数差、界面电场与带边氧化还原电势提出 Z 型过程。基态 DFT 可以计算功函数、带边、差分电荷和静电势;光生转移方向对应激子能级、非绝热耦合和载流子寿命,需由激发态计算、时间分辨光谱、选择性沉积或自由基信号限定。Type-I/II/III 标签仍只承担静态带边分类。
