ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Электроника
ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Генератор сигналов специальной формы
Изучение статических характеристик
полевых транзисторов
Основные параметры полевого транзистора
Изучение оптоэлектронных приборов
оптопара (оптрон)
Вольтамперная характеристика
Классификация изделий микроэлектроники.
Эпитаксия
Нанесение тонких пленок.
Полевой транзистор с изолированным затвором
ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Фоторезисторы

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНЫХ ЦЕПЕЙ
Переходные процессы в линейных цепях первого порядка
Переходные процессы в RLC цепях.
Спектральное представление периодических процессов
Исследование характеристик линейных четырехполюсников
Аппаратно-программный комплекс PClab – 2000
Методика выполнения лабораторного практикума
в лаборатории электротехники
Исследование неразветвленной и разветвленной
электрических цепей постоянного тока
Исследование нелинейных цепей постоянного тока
Переходные процессы в электрических цепях

ГЕТЕРОПЕРЕХОДЫ

Гетеропереходы образуются между полупроводниками с различными электрофизическими характеристиками: диэлектрической проницаемостью ε, шириной запрещенной зоны ΔW, работой выхода Pс 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 AlxGa1–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: ∆Wp>∆Wn, Pp>Pn. В левой и правой частях рис.2 изображены зонные диаграммы до образования контакта. Поскольку термодинамическая работа выхода Pp из широкозонного полупроводника больше, чем из узкозонного Pn, 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 ψp, а зона проводимости узкозонного – вверх на величину ψn. Значения ψp и ψn определяются уровнем легирования полупроводников, а их сумма всегда равна разности термодинамических работ выхода ψ0=ψp+ψn=Pp–Pn. При этом контактная разность потенциалов φ0=ψ0/q=(Pp–Pn)/q. Электрическое поле Ек 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 Pсp и Pсn должны оставаться без изменения, и следовательно, скачок энергии (на разрыве зон проводимости) должен равняться разнице в положениях дна зоны проводимости до образования контакта

ΔWc=ΔWcn–ΔWcp =Pcn−Pcp.

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 ΔWv равен разности в положениях верха валентных зон контактирующих полупроводников на металлургической границе

ΔWv=ΔWvp–ΔWvn.

В отличие от p-n-гомоперехода высота потенциального барьера у гетероперехода оказывается различной для электронов Ψn*=Ψn+ΔWc+Ψp=Wcp–Wcn и дырок Ψp*=ΔWv=Wvp–Wvn.

Разница в высотах барьера для электронов и дырок составляет

ΔΨ=Ψn*–Ψp*=Wcp–Wcn–(Wvp–Wvn)=Wcp–Wvp–(Wcn–Wvn)= ΔWp–ΔWn, (1)

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 Ψp**=Ψp**−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 Ψn**=Ψn**−U∙q.

Коэффициент инжекции дырочного эмиттера. С учетом того, что электрическое поле прямосмещенного p-n-перехода мало Е= Ек−Eп, (Eп – 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, Dp~Dn – коэффициенты диффузии дырок и электронов, Lp~Ln – 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 pp≈Na, аналогично для электронов nn≈Nd, концентрация дырок и электронов в собственных полупроводникахи . При расчетах использовано соотношение ni2=pi2=pn∙np, 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. Na> Nd.

merten m-ark.