Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Гетероструктуры (гетеропереход)

Граница раздела между двумя различными полупроводниками, образующими единый кристалл, называется гетеропереходом. В зависимости от типа проводимости полупроводника могут быть p-p-, p-n- или n-n-гетеропереходы.

Важнейшее отличие гетеропереходов от простых p-n-переходов связано со скачкообразным изменением ширины запрещенной зоны на границе раздела двух полупроводников. Величина скачка запрещенной зоны DEg равна сумме разрывов дна зоны проводимости DEc и потолка валентной зоны DEv: DEg = DEc + DEv

Например для гетеропереходов GaAs-GaP установлено: DEg=0,82 эВ, а в гетеропереходах AlxGa1-xAs-GaAs DEg @ 0,76 эВ.

Рис. 5.5. Схема лазерных гетероструктур на основе AlAs-GaAs (х1>х2<х3 - значения х в формуле AlxGa1-xAs, х1>х2<х3)

В инжекционных лазерах используется несколько типов гетероструктур на основе AlxGa1-x-GaAs. Простейшей из них является гетероструктура с одним гетеропереходом (рис. , а), в которой р-область характеризуется большей шириной запрещенной зоны, чем n-область, поскольку для нее берется x1x2 (ширина запрещенной зоны Eg растет с увеличением значения х в формуле AlxGa1-xAs).Односторонняя гетероструктура состоит из р-р-гетероперехода и р-n-перехода в узкозонном материале (рис. 5.5, б). В двусторонней гетероструктуре два гетероперехода, причем х1@ х3>х2 (рис. 5.5, в). В модифицированной двойной гетероструктуре между р-р- и n-n-гетеропереходами создается узкозонный p-n-переход (рис. 5.5, г).

В гетероструктурах с раздельными оптическими и электронными ограничениями излучение распространяется в слоях х3х2х2х3, а носители заряда рекомбинируют в более тонком слое х2х2.

По сравнению с простыми p-n-переходами гетероструктуры, особенно двусторонние, обладают двумя важными преимуществами, которые обеспечивают более низкий порог генерации при комнатной температуре. Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области меньше, чем Еg в пассивных областях. Поэтому инжектированные в активную область носители находятся в потенциальной яме. Потенциальные барьеры гетеропереходов препятствуют растеканию области рекомбинации за пределы активного слоя (электронное ограничение). Во-вторых, гетероструктуры обладают значительно лучшими волновыми свойствами, чем активный слой p-n-перехода (оптическое ограничение).

Вследствие ограничения активной области потенциальными барьерами в гетеролазерах стало возможным явление суперинжекции, заключающееся в создании в активной области концентрации носителей более высокой, чем равновесная концентрация этих же носителей в эмиттере. На рис. показано, как квазиуровень Ферми, находившейся при термодинамическом равновесии ниже дна зоны (а) проводимости, в результате суперинжекции заходит в область проводимости (б). Поэтому в гетеролазерах отпадает необходимость применять сильное легирование, которое сопровождается появлением в активной области большой концентрации дефектов.

ДВУМЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ ГАЗ - система электронов, энергетич. состояния к-рых соответствуют свободному движению только вдоль определ. плоскости. В поперечном направлении потенц. энергия такова, что частицы находятся в потенц. яме и их движение финитно, а соответствующие энергетич. уровни дискретны. При низких темп-pax, когда все частицы находятся на наинизшем из этих уровней, система является чисто двумерной. При повышении темп-ры постепенно начинают заполняться всё более высокие уровни энергии и система теряет двумерный характер.

Д. э. г. реализуется в неоднородных полупроводниках (МДП-структуры, р - n-переходы, гетеропереходы, инверсионные слои, поверхностные электронные уровни на сколах монокристаллов Ge), для электронов над поверхностью жидкого Не, в сверхтонких (толщиной неск. атомных слоев) проводящих плёнках. Многообразие наблюдаемых свойств Д. э. г. в значит. мере обусловлено возможностью регулировать и легко менять в широких пределах плотность электронов под действием прижимающего (поперечного) электрич. поля (полупроводники, электроны над жидким Не), причём в зависимости от плотности Д. э. г. может оказаться как невырожденным, так и вырожденным (см. Двумерные проводники). Осн. интерес к Д. э. г. связан с особенностями фазовых переходов, эффектов локализации, флуктуации и кинетич. явлений в двумерных системах. Для электронов на поверхности жидкого Не впервые была экспериментально обнаружена вигнеровская кристаллизация (см. Вигнеровский кристалл).

ДВУМЕРНЫЕ ПРОВОДНИКИ - искусственно созданные электропроводящие системы на границе раздела двух плохо проводящих сред, напр. вакуум - диэлектрик, полупроводник-диэлектрик. Пример Д. п.- слой электронов, удерживаемых над поверхностью диэлектрика с отрицательным сродством к электрону (напр., жидкого Не; рис.) силами электростатического изображения (электроны поляризуют диэлектрик и притягиваются к нему), а также внеш. постоянным электрич. полем, приложенным перпендикулярно поверхности диэлектрика (рис.).

Аналогично в гетероструктурах (напр., на основе GaAs) у свободной поверхности полупроводников и на границах зёрен (Si, Ge, InSb и др.) образуется двумерный слой с избыточной концентрацией подвижных носителей заряда или с инверсной проводимостью (см. Инверсионный слой). Он возникает из-за изгиба зон и при приложении разности потенциалов к структуре металл - диэлектрик - полупроводник (см. МДП-структура). Д. п. являются также тонкие плёнки металлов (см. Квантовые размерные эффекты) и слоистые кристаллы (см. Квазидвумерные соединения).

В Д. п., помещённых в эл--магн. поле достаточно малой частоты, ток может течь только параллельно границе раздела. На свойства Д. п. при низких темп-pax влияют электрон-электронное взаимодействие, эффекты локализации в неоднородном поле, обязанном своим существованием примесям и др. дефектам, квантовые интерференц. эффекты, а также магн. поле (см. Квантовые осцилляции).

GaAs - AlGaAs

СВЕРХРЕШЁТКА - твердотельная периодич. структура, в к-рой на носители заряда (электроны), помимо обычного потенциала кристаллич. решётки (см. Внутрикристаллическое поле ),действует дополнит. потенциал. Как правило, это одномерный потенциал V(r)с периодом d, меньшим длины свободного пробега электронов, но значительно большим периода о осн. решётки (от нескольких нм до десятков нм). Наиб. интенсивно исследуются полупроводниковые С., но наряду с ними возможны металлич. и магн. С. Потенциал V(r)обычно создаётся искусственно путём чередования тонких полупроводниковых слоев, отличающихся по типу легирования и (или) хим. составу (композиционные С., гетероструктуры). В последнем случае С. можно рассматривать как периодич. систему квантовых ям, разделённых сравнительно узкими барьерными слоями с заметной туннельной прозрачностью для носителей заряда (волновые ф-ции электронов перекрываются).

Если длина свободного пробега носителей существенно превосходит период потенциала V(r), то наличие последнего видоизменяет энергетич. спектр электронов и дырок. Дополнит. периодичность вдоль одной из осей (z), наз. о сью С., приводит к тому, что компонента энергетич. спектра, связанная с движением вдоль этой оси, представляет систему узких полос - м и н и з о н. В перпендикулярной плоскости носители ведут себя как свободные частицы с соответствующей эфф. массой т. Полностью энергетич. спектр носителей заряда в С. может быть записан в виде

где i - номер минизоны, - её ширина.

На рис. показан вид плотности состояний , соответствующей такому спектру. Значения и (определяющей положение минизоны) зависят от амплитуды и формы V(z). С ростом амплитуды V(z)и её периода d ширина минизоны уменьшается. При узких минизонах волновые ф-ции электронов вдоль оси z перекрываются незначительно (прозрачность барьеров мала) и электронный спектр состоит из дискретных уровней (уширенных рассеянием). Носители заряда в С. локализованы в ямах потенциала V(z), и имеет вид ступеньки. Электронный газ в С. ведёт себя как двумерный. Напротив, при свойства С. сходны со свойствами трёхмерного полупроводника.

Плотность состояний в одномерной сверхрешётке. Для сравневпя показаны плотности состояний в трёхмерной (пунктир) и двумерной (штрихпунктир) электронных системах.

 

Для С. характерна резкая анизотропия важнейших электронных свойств, в первую очередь кинетич. коэффициентов и внутризонных оптич. характеристик, где полосы интенсивного межминизонного поглощения существуют лишь для света, поляризованного вдоль оси С. Последнее обстоятельство позволяет использовать С. в качестве фильтров и поляризаторов ИК-излученпя. Эффекты межминизонного поглощения находят применение в ИК-фосоприёмниках с диапазоном спектральной чувствительности, зависящим от параметров потенциала V(r).

Из-за малой ширины минизон нелинейные эффекты в проводимости вдоль осп С. проявляются при значительно меньших напряжённостях электрич. поля, чем в однородных кристаллах. Это позволяет использовать С. для нелинейного преобразования СВЧ-сигналов (генерация высших гармоник и комбинац. частот, самоиндуциров. прозрачность и др.). В пост. электрич. поле, параллельном оси С., вольт-амперная характеристика (ВАХ) имеет падающие N-образные участки. Благодаря их наличию С. можно использовать в качестве генератора и усилителя эл--магн. колебаний, частота к-рых может перестраиваться в широких пределах изменением электрич. поля. Сверхрешёточные гетероетруктуры находят применение также в лавинных фотодиодах. Благодаря различию в разрывах зоны проводимости и валентной зоны на гетерогранице, коэффициенты умножения электронов и дырок могут резко различаться, что способствует снижению шумов при лавинном умножении.

Интерес представляют также т. н. nipi'-сверхрешётки - химически однородные полупроводники с чередующимися п- и р-слоями, напр. в n-GaAs-i-GaAs - p-GaAs. В них амплитуда потенциала V(r), определяющая эфф. ширину запрещённой зоны, спектры фоточувствительности и люминесценции, а также ряд др. свойств могут меняться в широких пределах под влиянием внеш. подсветки или управляющего напряжения между n- и р-слоями.

Для изготовления С. на основе гетероструктур чаще всего используется система с хорошо согласующимися постоянными решётки. Однако последнее требование не является обязательным, существуют т. н. напряжённые С., где рассогласование решёток ликвидируется за счёт внутр. напряжений в слоях. Указанные напряжения, величина к-рых зависит от толщины слоев, могут заметно изменять параметры энергетич. спектра С. (напр., ширину запрещённой зоны). Это открывает дополнит. возможность управления спектром фоточувствительности и нек-рыми др. свойствами. Важнейшие материалы для изготовления напряжённых С.- твёрдые растворы , , и др. Для приёмников дальнего ИК-из лучения используются С. в системе CdTe - HgTe, успешно заменяющие однородные твёрдые растворы в той же системе. Осн. методом выращивания как гетероструктурных, так п nipi-C. служит молекулярно-лучевая эпитаксия.

Возможны также плоские С., к-рые возникают, если в двумерном электронном слое (напр., в МДП-структурe)периодически промодулировать плотность поверхностного заряда. В качестве С. для двумерных электронов может также использоваться поверхность с высокими кристаллографич. индексами (ориентационная С.). Наряду с такими статическими С. возможны также динамические С., создаваемые периодич. деформацией образца в поле мощной УЗ-волны или стоячей световой волны.

Помимо искусственных С., существуют естественные С. в виде политипных полупроводниковых соединений, напр. SiC, слоистых полупроводников типа АIIIВVI (напр., GaSe), дихалькогенидов переходных металлов (напр., MoS2, см. Сверхструктура).

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.