🗊Презентация Физика конденсированного состояния. Гетеропереходы

Физика конденсированного состояния Гетеропереходы

Основные понятия Гетеропереходом называют контакт двух полупроводников различного вида и разного типа проводимости, например, pGe ‒ nGaAs. Отличие гетеропереходов от обычного p-n‒перехода заключается в том, что в обычных p-n‒переходах используется один и тот же вид полупроводника, например, pSi‒nSi. Поскольку в гетеропереходах используются разные материалы, необходимо, чтобы у этих материалов с высокой точностью совпадали два параметра: температурный коэффициент расширения (ТКР) и постоянная решетки

Основные понятия С учетом сказанного количество материалов для гетеропереходов ограничено. Наиболее распространенными из них являются германий Ge, арсенид галлия GaAs, фосфид индия InP, четырехкомпонентный раствор InGaAsP

Зонные диаграммы гетеропереходов при различных комбинациях Eg и χ в случае равенства термодинамических работ выхода Ф1 = Ф2

Контакт германий pGe и арсенид галлия nGaAs Приведем в контакт германий pGe и арсенид галлия nGaAs. При построении зонной диаграммы гетероперехода учтем следующие факторы: 1. Уровень вакуума Е=0 непрерывен. 2. Электронное сродство в пределах одного сорта полупроводника χGe и χGaAs постоянно. 3. Ширина запрещенной зоны Eg в пределах одного сорта полупроводника остается постоянной.

Контакт германий pGe и арсенид галлия nGaAs С учетом этого в процессе построения зонной диаграммы гетероперехода при сращивании дна зоны проводимости EC этих полупроводников на металлургической границе перехода на зонной диаграмме образуется "пичок". Величина "пичка" ΔEC равна:

Контакт германий pGe и арсенид галлия nGaAs При сшивании вершины валентной зоны ЕV в области металлургического перехода получается разрыв ΔEV. Величина "разрыва" равна: Из приведенных соотношений следует, что суммарная величина "пичка" ΔEC и "разрыва" ΔEV составляет

Зонная диаграмма гетероперехода pGe - nGaAs в равновесных условиях

Зонная диаграмма гетероперехода nGe - pGaAs в равновесных условиях

Зонные диаграммы для различных типов гетеропереходов при условии, что термодинамическая работа выхода Ф1 < Ф2

Распределение электрического поля и потенциала в области пространственного заряда для гетероперехода

Ширина области пространственного заряда гетероперехода W

Распределение электрического поля и потенциала в области пространственного заряда гетероперехода nGe - pGaAs

Распределение электрического поля Скачок электрического поля в гетеропереходе на металлургической границе обусловлен различными значениями диэлектрических постоянных ε1 и ε2.

Рассмотрим зонную диаграмму гетероперехода при приложении внешнего напряжения V. Как и в случае p-n‒перехода, знак напряжения будет определяться знаком приложенного напряжения на p-область гетероперехода. Рассмотрим зонную диаграмму гетероперехода при приложении внешнего напряжения V. Как и в случае p-n‒перехода, знак напряжения будет определяться знаком приложенного напряжения на p-область гетероперехода.

Зонные диаграммы гетероперехода nGe - pGaAs при положительном V > 0 и отрицательном V < 0

Вольт-амперные характеристики гетероперехода Расчет вольт-амперных характеристик гетероперехода проводится исходя из баланса токов термоэлектронной эмиссии. Используя тот же самый подход, для вольт-амперной характеристики гетероперехода получаем следующую зависимость

ВАХ при прямом смещении Поскольку арсенид галлия ‒ более широкозонный полупроводник, чем германий, то собственная концентрация в арсениде галлия (ni2) будет много меньше, чем в германии (ni1), следовательно, дырочная компонента Jp инжекционного тока будет много меньше, чем электронная компонента Jn

Потенциальная яма в гетеропереходах

Потенциальная яма в гетеропереходах На зонной диаграмме гетеропереходов видно, что в области "пичка" для электронов или дырок реализуется потенциальная яма. Расчеты электрического поля в этой области показывают, что его значение достигает величины E ~ 106 В/см. В этом случае электронный газ локализован в узкой пространственной области вблизи металлургической границы гетероперехода

Двумерный электронный газ Для описания такого состояния используют представление о двумерном электронном газе. Для двумерного электронного газа меняется плотность квантовых состояний в разрешенных зонах, спектр акустических и оптических фононов, а, следовательно, кинетические явления в двумерных системах (подвижность носителей, магнетосопротивление и эффект Холла).

Двумерный электронный газ Самое важное состоит вот в чем: разрывы энергии уровней зоны проводимости и валентной зоны представляют собой квантовые потенциальные барьеры для электронов и, соответственно, дырок

Квантовые ямы Формируемые квантовые ямы могут иметь отнюдь не только прямоугольную форму, плавным изменением состава (т. е. величины х в формуле вида GaxAl1-xAs) можно получить, например, яму «пилообразного» вида

Могут быть сформированы структуры с практически любой наперед заданной вольт-амперной характеристикой и любыми, необходимыми на практике, электронными свойствами. Работы по созданию гетероструктур принесли Нобелевскую премию по физике 2000 года Жоресу Ивановичу Алферову (Россия) и Герберту Кремеру (Германия) «за разработку полупроводниковых гетероструктур, используемых в высокоскоростной оптоэлектронике» Могут быть сформированы структуры с практически любой наперед заданной вольт-амперной характеристикой и любыми, необходимыми на практике, электронными свойствами. Работы по созданию гетероструктур принесли Нобелевскую премию по физике 2000 года Жоресу Ивановичу Алферову (Россия) и Герберту Кремеру (Германия) «за разработку полупроводниковых гетероструктур, используемых в высокоскоростной оптоэлектронике»