что такое гетеропереход в полупроводниках

Гетеропереход, виды гетеропереходов

Обычный p-n-переход, образованный полупроводниками p-типа и n-типа, предполагает, тем не менее, использование для обоих своих частей одного основного химического вещества (полупроводникового кристалла) — кремния (Si), германия (Ge), арсенида галлия (GaAs) и т.д. При этом \(p\)- и \(n\)-области в кристалле полупроводника создаются путем добавления определенных донорных и акцепторных примесей. Такие переходы также принято называть гомогенными (от др. греческого ὁμογενής «одного происхождения, рода»).

В современной микроэлектронике все больший интерес представляет применение более сложных полупроводниковых структур, которые образуются при совместном использовании материалов разного вида. В качестве простого примера можно вспомнить об уникальных свойствах переходов металл–полупроводник и создаваемых на их основе диодов, биполярных и полевых транзисторов Шоттки. Но еще более перспективными являются приборы, в которых для создания полупроводниковых структур совместно используются разные химические элементы. Такие структуры называются гетерогенными или гетероструктурами). А основным элементом гетероструктур различного типа является гетеропереход.

Гетерогенный переход (гетеропереход) — это переход, который образуется в месте контакта различных по химическому составу полупроводников. Гетеропереход может быть образован между двумя монокристаллическими или аморфными полупроводниками, а также между монокристаллическим и аморфным полупроводниками. Однако, наибольшее практическое значение имеют гетеропереходы, образованные монокристаллами. В таком гетеропереходе кристаллическая решетка одного материала без нарушения периодичности переходит в решетку другого материала.

Различают изотипные и анизотипные гетеропереходы. Если гетеропереход образован двумя полупроводниками одного типа проводимости, то говорят об изотипном гетеропереходе. Анизотипные гетеропереходы образуются полупроводниками с разным типом проводимости.

Как изотипный, так и анизотипный гетеропереходы могут обладать выпрямляющим эффектом (выпрямляющий переход) или не обладать (омический переход). На практике находят применение практически все виды гетеропереходов, а обладающие уникальными свойствами и эффективностью, электронные приборы, создаваемые на основе гетероструктур все более распространяются в самых разных сферах — оптоэлектроника, СВЧ-схемотехника и др.

Источник

Типы гетеропереходов

Следует заметить, что при использовании разных полупроводниковых материалов показанные выше «разрывы» зон могут быть как положительными так и отрицательными. В зависимости от их взаимного расположения различают следующие разновидности гетеропереходов:

Рис. 2. Примеры зонных диаграмм для гетеропереоходов разных типов.

Разные типы гетероструктур могут проявлять различные свойства. Так, например, в оптоэлектронике различают пространственно прямые и непрямые оптические переходы (рекомбинация электрона и дырки с излучением кванта света). В гетеропереходах I типа заполненные состояния в зоне проводимости находятся с той же стороны от гетерограницы, что и заполненные состояния в валентной зоне. В этом случае оба типа носителей заряда находятся и излучательно рекомбинируют в одном и том же материале (пространственно прямой оптический переход).

Особенностью гетероперехода II типа является то, что электроны и дырки локализуются по разные стороны границы раздела. Несмотря на это, волновые функции электронов и дырок перекрываются на гетерогранице за счет туннельного проникновения, и становится возможной излучательная рекомбинация (пространственно непрямой оптический переход). Важным практическим следствием здесь является тот факт, что энергия излучаемого кванта света (и определяемая ей длина волны излучения) не равна разнице между энергетическими уровнями валентной зоны и зоны проводимости, и может быть меньше ширины запрещенной зоны используемого полупроводника.

Источник

ЛЕКЦИЯ 5. ГЕТЕРОПЕРЕХОДЫ

Гетеропереходы образуются между полупроводниками с различными электрофизическими характеристиками: диэлектрической проницаемостью ε, шириной запрещенной зоны ΔW, работой выхода P_с и термодинамической работой выхода P. Для получения гетероперехода близкого к идеальному, необходимо подобрать полупроводниковые пары с одинаковым типом кристаллической решетки, постоянные кристаллических решеток должны отличаться не более, чем на 0.5%. Кроме того, полупроводники должны иметь близкие коэффициенты температурного расширения, чтобы при охлаждении не возникло сильных механических напряжений. Одной из наиболее распространенных пар, отвечающих указанным требованиям, является тройное соединение Al_xGa_1–xAs и Ga As. За счет изменения параметра состава х от 0 до 0.4 ширина запрещенной зоны линейно увеличивается от 1.42эВ до 1.92эВ. Другими материалами для изготовления гетеропереходов являются германий Ge, арсенид галлия GaAs, фосфид индия InP и четырехкомпонентное соединение InGaAsP.

Каждый из полупроводников, образующих гетеропереход, может иметь различный тип электропроводности. Поэтому для каждой пары можно в принципе осуществить четыре разновидности гетероструктур: изотипные – n₁—n₂, p₁—p₂ и анизотипные n₁—p₂ и p₁—n₁. В зависимости от соотношения термодинамических работ выхода и ширины запрещенной зоны контакты могут быть выпрямляющими или омическими рис.1. В свою очередь выпрямляющие контакты могут быть эмиттерами электронов или дырок. На границе гетероперехода высота потенциального барьера для электронов и дырок получается разная, поэтому прямой ток через гетеропереход связан в основном с движением носителей заряда только одного знака.

Подробно рассмотрим анизотипный выпрямляющий гетеропереход эмиттер дырок,

зонная диаграмма которого показана на рис.2. Этот контакт образуется между широкозонным полупроводником p-типа с большей термодинамической работой выхода и узкозонным полупроводником n-типа с меньшей термодинамической работой выхода: ∆W_p>∆W_n, P_p>P_n. В левой и правой частях рис.2 изображены зонные диаграммы до образования контакта. Поскольку термодинамическая работа выхода P_p из широкозонного полупроводника больше, чем из узкозонного P_n, то после образования контакта поток электронов будет направлен справа налево. В результате в плоскости контакта широкозонный полупроводник обогащается электронами, а узкозоный обедняется. Поэтому зона проводимости широкозонного полупроводника изгибается вниз на величину ψ_p, а зона проводимости узкозонного – вверх на величину ψ_n. Значения ψ_p и ψ_n определяются уровнем легирования полупроводников, а их сумма всегда равна разности термодинамических работ выхода ψ₀=ψ_p+ψ_n=P_p–P_n. При этом контактная разность потенциалов φ₀=ψ₀/q=(P_p–P_n)/q. Электрическое поле Е_к направлено из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа.

Для невырожденных полупроводников внешняя работа выхода не зависит от уровня легирования, поэтому в плоскости контакта величины P_сp и P_сn должны оставаться без изменения, и следовательно, скачок энергии (на разрыве зон проводимости) должен равняться разнице в положениях дна зоны проводимости до образования контакта

Аналогичные рассуждения справедливы и для валентной зоны. Однако в отличие от зоны проводимости на валентной зоне появляется характерный пичок, представляющий собой потенциальную яму для дырок на границе с узкозонным полупроводником. Ширина пичка маленькая и дырки легко преодолевают его за счет туннельного эффекта.

Разрыв валентной зоны ΔW_v равен разности в положениях верха валентных зон контактирующих полупроводников на металлургической границе

Разница в высотах барьера для электронов и дырок составляет

т.е. равна разности запрещенных зон контактирующих полупроводников. Эта особенность гетеропереходов определяет их главное преимущество перед гомопереходами − способность создавать высокий уровень инжекции носителей одного знака и используется при создании высокоэффективных эмиттеров в биполярных транзисторах и в инжекционных лазерах.

Зонная диаграмма анизотипного выпрямляющего гетероперехода эмиттера дырок при прямом смещении показана на рис.3. При этом энергия электронов в полупроводнике p-типа понижается, высота потенциального барьера для дырок уменьшается до Ψ_p ** =Ψ_p ** −U∙q, и дырки, преодолев сузившийся барьер, попадают в полупроводник n-типа. Потенциальный барьер для электронов также снижается, но остается большим, и электроны находятся в потенциальной яме глубиной Ψ_n ** =Ψ_n ** −U∙q.

Коэффициент инжекции дырочного эмиттера . С учетом того, что электрическое поле прямосмещенного p-n-перехода мало Е= Е_к−E_п, (E_п – напряженность электрического поля, создаваемая в p-n-переходе внешним источником питания U), дрейфовыми составляющими дырочного и электронного тока можно пренебречь и , где и − плотности диффузионных составляющих дырочного и электронного тока, D_p

D_n – коэффициенты диффузии дырок и электронов, L_p

L_n – средние длины свободного пробега электронов в полупроводнике p-типа и дырок в полупроводнике n-типа, концентрация дырок в области p при комнатных температурах примерно равна концентрации акцепторных примесей p_p≈N_a, аналогично для электронов n_n≈N_d, концентрация дырок и электронов в собственных полупроводниках и . При расчетах использовано соотношение n_i 2 =p_i 2 =p_n∙n_p, справедливое для полупроводников p и n-типов, а также формула (1).

Для гетеропереходов Δψ=0.2÷0.5эВ, поэтому при T=300К

10 −3 ÷10 −8 и гетеропереход является идеальным эмиттером дырок, т.к. N_a> N_d.

Вольтамперная характеристика идеальных выпрямляющих анизотипных гомопереходов аппроксимируется зависимостью вида:

,

где I₀ – обратный ток, который не стремится к насыщению, а подчиняется степенной зависимости I₀

На рис.6. изображена зонная диаграмма омического гетероперехода в состоянии термодинамического равновесия. Этот контакт образуется между узкозонным полупроводником p-типа с меньшей термодинамической работой выхода и широкозонным полупроводником n-типа с большей термодинамической работой выхода: ∆W_p P_n+, а W_n P_p, а W_p+>∆W_p.

На рис.10 показана зонная диаграмма изотипного омического гетероперехода p+-p
в состоянии термодинамического равновесия у которого P_n

Источник

Гетеропереходы

Гетеропереход — это контакт двух различных по химическому составу полупроводниковых кристаллов, при котором кристаллическая решетка одного полупроводникового кристалла переходит в кристаллическую решетку другого полупроводника без нарушения структуры кристалла.

Гетеропереходы бывают изотипные и анизотипные. Если гетеропереход образован двумя полупроводниками одного типа проводимости ( или ), то такой гетеропереход называется изотипным. Анизотипные гетеропереходы образуются полупроводниками с разным типом проводимости ( или ). На первое место ставится буква, обозначающая тип проводимости полупроводника с более узкой запрещенной зоной

Гетеропереходы могут быть трёх видов:

В идеальном гетеропереходе, в отличие от неидеального, на границе раздела материалов отсутствуют локальные энергетические состояния для электронов. Гетеропереход с промежуточным слоем разделяется дополнительным слоем конечной толщины, и локальные энергетические состояния могут существовать как в самом промежуточном слое, так и на границах его раздела.

Параметры кристаллических решеток полупроводников, составляющих гетеропереход, должны быть близки, что ограничивает выбор материалов. Для того чтобы в кристаллической решетке двух полупроводников, составляющих гетеропереход, не было дефектов, необходимо как минимум, чтобы два материала имели один и тот же тип кристаллической решётки, близкие периоды кристаллических решеток и одинаковый температурный коэффициент расширения. В этом случае в гетеропереходе не образуются механические напряжения. Некоторые параметры наиболее часто используемых в гетеропереходах полупроводников приведены в таблице 1.

Табл. 1. Параметры полупроводниковых материалов используемых для создания гетеропереходов

В настоящее время наиболее исследованными являются пары полупроводников: германий-арсенид галлия (Ge-GaAs), арсенид галлия-арсенид индия (GaAs-InAs), германий-кремний (Ge-Si). Одной из наилучших пар для создания гетероперехода является GaAs-AlGaAs.

Так как в различных полупроводниковых материалах различная ширина запрещенной зоны, то в районе гетероперехода возникает разрыв энергетических зон. В гетеропереходе разрывы энергетических зон могут быть как положительными, так и отрицательными. В зависимости от разрыва энергетических зон образуются гетеропереходы различных видов:

1) Охватывающий переход. Он возникает, когда разрыв зоны проводимости ΔE_c и разрыв валентной зоны ΔE_v положительны. Охватывающий гетеропереход образуется, например, при выборе полупроводниковой пары GaAs-AlGaAs. Обычно такой тип гетероперехода называется стандартным гетеропереходом или переходом I типа.

2) Ступенчатый переход. Он возникает, когда один из разрывов зон положительный, а другой отрицательный. Обычно такой тип гетероперехода называется переходом II типа. Ступенчатый переход образуется в гетеропереходе InP-In_0,52Al_0,48As.

3) Разрывный гетеропереход. Такой переход возникает, когда запрещенные зоны соседних полупроводниковых материалов вообще не перекрываются по энергии. Разрывный переход называют ещё гетеропереходом III типа. Классический пример подобного перехода — гетеропереход InAs-GaSb.

Пример энергетической диаграммы в равновесном состоянии изображен на рисунке 1.

Рисунок 1. Упрощенная энергетическая диаграмма p-n гетероперехода в равновесном состоянии

Каждый из полупроводников, образующих гетеропереход, может иметь различный тип электропроводности. Поэтому для каждой пары полупроводников, в принципе, возможно осуществить четыре типа гетероструктур: p1–n2; n1–n2; n1–p2 и p1–p2.

Интересной особенностью обладают твердые растворы полупроводниковых соединений, такие как GeSi, InGaAs, AlGaAs или InAlAs. Изменяя процентное содержание исходных полупроводников (AlAs и GaAs) или (InAlAs и InAlAs) можно регулировать ширину запрещённой зоны E_g, шаг кристаллической решётки или высоту пика ΔE_c в энергетической диаграмме гетероперехода.

Гетеропереходы применяются в различных полупроводниковых приборах. Например, потенциальная яма, формируемая пиком в энергетической диаграмме перехода, позволяет увеличивать к.п.д. светоизлучающих электронных приборов, таких как полупроводниковые лазеры или светодиоды.

Применение гетеропереходов в эмиттере биполярных транзисторов HBT позволяет увеличить проводимость базы, не опасаясь увеличения обратного тока в цепи эмиттера. Тем самым можно улучшать частотные свойства транзистора или добиваться больших токов, по сравнению с обычной структурой транзистора.

Гетеропереходы позволяют формировать двумерный электронный газ, что даёт возможность повысить подвижность электронов в полевых или биполярных транзисторах. Это позволяет создавать транзисторы с частотой работы до 600 ГГц.

В этом случае для улучшения подвижности электронов в двумерном газе часто между полупроводниками добавляют разделитель (spacer). В качестве разделителя может служить нелегированный полупроводник. Подобная структура гетероперехода в полевом HEMT транзисторе приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Структура гетероперехода в HEMT транзисторе

При этом возможно два варианта реализации гетероперехода. Либо псевдоморфный, либо метаморфный гетеропереход. В псевдоморфном гетеропереходе толщина разделителя настолько тонкая, что он растягивается до параметров кристаллической решётки соседнего полупроводникового материала. В метаморфном гетеропереходе подбирается химический состав разделителя таким образом, чтобы период его кристаллической решётки соответствовал периоду кристаллической решётки соседнего полупроводникового материала.

Например, при создании гетероперехода GaAs-InGaAs между ними помещается разделитель из InAlAs, с концентрацией индия подобранной таким образом, чтобы его кристаллическая решётка соответствовала как с арсенидом галлия GaAs, так и с твёрдым раствором InGaAs.

Дата последнего обновления файла 22.08.2020

Понравился материал? Поделись с друзьями!

Вместе со статьей «Гетеропереходы» читают:

Источник

Типы гетеропереходов

Следует заметить, что при использовании разных полупроводниковых материалов показанные выше «разрывы» зон могут быть как положительными так и отрицательными. В зависимости от их взаимного расположения различают следующие разновидности гетеропереходов:

Рис. 2. Примеры зонных диаграмм для гетеропереоходов разных типов.

Разные типы гетероструктур могут проявлять различные свойства. Так, например, в оптоэлектронике различают пространственно прямые и непрямые оптические переходы (рекомбинация электрона и дырки с излучением кванта света). В гетеропереходах I типа заполненные состояния в зоне проводимости находятся с той же стороны от гетерограницы, что и заполненные состояния в валентной зоне. В этом случае оба типа носителей заряда находятся и излучательно рекомбинируют в одном и том же материале (пространственно прямой оптический переход).

Особенностью гетероперехода II типа является то, что электроны и дырки локализуются по разные стороны границы раздела. Несмотря на это, волновые функции электронов и дырок перекрываются на гетерогранице за счет туннельного проникновения, и становится возможной излучательная рекомбинация (пространственно непрямой оптический переход). Важным практическим следствием здесь является тот факт, что энергия излучаемого кванта света (и определяемая ей длина волны излучения) не равна разнице между энергетическими уровнями валентной зоны и зоны проводимости, и может быть меньше ширины запрещенной зоны используемого полупроводника.

Источник