[Править]Опыт Ганна

Рассмотрим образец длиной L, к которому приложено внешнее напряжение. В однородном полупроводнике электрическое поле примерно одинаково по всей длине образца. Но если в образце имеется локальная неоднородность с повышенным сопротивлением, то напряжённость поля в этом месте образца будет выше, следовательно при увеличении напряжённости внешнего поля критическое значение   возникнет в первую очередь в этом сечении. Это означает накопление в этой области (а не во всем кристалле) тяжёлых электронов и снижение их подвижности, а значит и повышение сопротивления в этой области. Образовавшаяся зона с высоким содержанием тяжёлых электронов называется электрическим доменом.

Под действием приложенного поля домен начинает перемещаться вдоль образца со скоростью V ~ 10⁶ м/с. Слева и справа от электронного домена будут двигаться лёгкие электроны с более высокой скоростью, чем тяжёлые. Слева они будут нагонять домен и образовывать область повышенной концентрации электронов (область отрицательного заряда), а справа лёгкие электроны будут уходить вперёд, образуя область, обеднённую электронами (область положительного заряда). При неизменном напряжении установится динамическое равновесие между скоростями электронов внутри и вне домена. При достижении доменом конца образца (анода), домен разрушается, ток возрастает, происходит образование нового домена, и процесс повторяется заново.

Несмотря на то, что в кристалле может быть несколько неоднородностей, всегда существует только один домен. Так как после исчезновения электрического домена новый домен может возникнуть на другой неоднородности, для наблюдения и использования эффекта Ганна нужны очень чистые и однородные образцы.

Очевидной областью применения эффекта Ганна является изготовление микроволновых генераторов, называемых диодами Ганна. Если длина образца составляет 10 мкм, а скорость домена   см/с, то частота осцилляций имеет величину порядка:

 Гц = 10 ГГц.

Билет 15) Изотипные и анизотипные гетеропереходы на основе твердых растворов GaAlAs

ГЕТЕРОПЕРЕХОД - контакт между двумя разными по химическому составу полупроводниками.

Полупроводники, образующие гетеропереход, должны иметь близкие кристал-

лические структуры. На практике обеспечить идеальное согласование кристалли-

ческих структур и коэффициентов термического расширения невозможно, поэтому

на границе раздела гетероперехода обычно возникают большие механические на-

пряжения, которые вызывают появление дислокаций несоответствия. Дислокации

несоответствия создают на границе раздела полупроводников высокую плотность

электронных состояний, энергетические уровни которых расположены в запрещен-

ных зонах. Энергетические уровни граничных электронных состояний могут иг-

рать роль ловушек или центров рекомбинации, существенно влияя на электриче-

ские и фотоэлектрические свойства гетеропереходов.

Типичными примерами гетероперходов являются переходы AlGaAs-GaAs,

GaAsP-GaAs, GaAsP-GaP, InP-GaInAs.

Гетеропереходы между двумя монокристаллами можно разделить на резкие

и плавные в зависимости от того, на каком расстоянии от границы раздела проис-

ходит переход от одного материала к другому. Если такой переход осуществляется

в пределах нескольких межатомных расстояний, то гетеропереход называют рез-

ким. Ширина плавного гетероперехода составляет несколько диффузионных длин.

В зависимости от соотношения типов проводимости контактиру-

ющих полупроводников гетеропереходы подразделяются на изо-

типные, когда контактирующие полупроводники обладают одина-

ковым типом проводимости, и анизотипные, когда типы проводи-

мости контактирующих полупроводников различны.

В настоящее время достаточно хорошо разработана теория резких гетеропере-

ходов, которая позволяет объяснить большинство наблюдаемых эксперименталь-

ных фактов.

Энергетические диаграммы резких гетеропереходов

Рассмотрим энергетические диаграммы резких гетеропереходов без учета гра-

ничных энергетических состояний. В общем случае контактирующие полупровод-

ники могут отличаться не только шириной запрещенной зоны, но и электронным

сродством, термодинамической работой выхода, относительной диэлектрической

проницаемостью.

Рассмотрим анизотипный гетеропереход, у которого ширина запрещенной зо-

ны полупроводника p-типа ∆Egp меньше ширины запрещенной зоны полупровод-

ника n-типа ∆Egn, а электронное сродство у полупроводника p-типа χ0p больше,

чем у полупроводника n-типа χ0n. Энергетические диаграммы изолированных по-

лупроводников представлены на рисунке 2.20, а.

Из-за разности значений ширины запрещенной зоны и электронного сродства

границы разрешенных энергетических зон в p- и n-полупроводниках не совпадают:

между ними существуют разрывы ∆Ec и ∆Eυ (рис. 2.19).

Рис. 2.19 – Зонные энергетические диаграммы изолированных полупроводников

(а) и идеального p-n-гетероперехода (б)

При образовании гетероперехода за счет электронного обмена между контак-

тирующими полупроводниками устанавливается состояние равновесия, когда по-

ложение уровня Ферми по обе стороны гетероперехода становится одинаковым

(рис. 2.19, б). Из-за разницы термодинамических работ выхода электронов на

границе раздела полупроводников возникает контактная разность потенциальных

энергий электронов Φк = χp − χn. Энергетические разрывы между границами разре-

шенных зон изолированных полупроводников сохраняются и в гетеропереходе. Из

энергетической диаграммы идеального гетероперехода (рис. 2.19, б) следует:

∆Ec = χ0p − χ0n, ∆Eυ = ∆Egn − ∆Egp − ∆Ec

. (2.60)

Изгибы границ энергетических зон вблизи границы раздела обусловлены об-

разованием обедненных слоев толщиной δn и δp, содержащих объемные неском-

пенсированные заряды ионизированных доноров и акцепторов. Величины изгибов

qeUкn и qeUкp определяются внутренней разностью потенциальных энергий в обед-

ненных слоях, причем Φк = qeUкn + qeUкp.

Принципиальное отличие рассматриваемого p-n-гетероперехода от p-n-пере-

хода (гомоперехода) заключается в различии высот потенциальных барьеров для

электронов и дырок при переходе через границу раздела.

Из рис. 2.19, б видно, что для перехода из n- в p-область электрон должен

преодолеть потенциальный барьер высотой ∣Φбn∣ = qeUкn, а переход дырок из p- в n-74 Глава 2. Контактные явления

область связан с преодолением барьера высотой ∣Φбp∣ = qeUкp + qeUкn + ∆Eυ, где Uкn

и Uкp — контактная разность потенциалов в n-области и в p-области соответственно.

Отсюда следует возможность реализации случая, когда ∣Φбp∣ ≫ ∣Φбn∣. При по-

даче прямого напряжения на такой гетеропереход инжекционная составляющая

тока будет практически полностью обеспечиваться электронами полупроводника

с большей шириной запрещенной зоны.

Если анизотипный гетеропереход образован полупроводниками, для которых

∆Egp < ∆Egn, χ0p < χ0n, то в соответствии с выражением (2.60) энергетический раз-

рыв между энергетическими уровнями дна зоны проводимости в полупроводниках

p- и n-типов становится отрицательным. Это значит, что на границе раздела дно

зоны проводимости у полупроводника p-типа расположено выше, чем у полупро-

водника n-типа (рис. 2.20,а).

При ∆Egp < ∆Egn и χ0p = χ0n разрыв зоны проводимости в гетеропереходе исче-

зает, а разрыв валентной зоны определяется разницей в ширине запрещенных зон

контактирующих полупроводников: ∆Eυ = ∆Egn − ∆Egp (рис. 2.20,б).

Зонная энергетическая диаграмма изотипного p-p-гетероперехода, у которого

∆Egp1 < ∆Egp2 и NA1 < NA2, представлена на рисунке 2.20, в. Высота потенциального

барьера для электронов, переходящих из области p1 в область p

+

2

определяется

выражением:

∣Φбn∣ = qeUкp1 + qeUкp2 + ∆Ec = Φк + ∆Ec

.

Применение гетеропереходов позволяет значительно повысить потенциальный

барьер для неосновных носителей заряда, переходящих из области p1 в область p

+

2

,

причем он может существовать даже при NA1 ⩾ NA2. Это используется на практике

для ограничения области накопления неосновных носителей. Например, для гете-

роперехода со структурой GaAs-Al0,3Ga0,7As при NA1 = 10

16

см−3

, NA2 = 10

17

см−3

потенциальный барьер для электронов, переходящих из области p1 в область p

+

2

,

составляет ϕбn = ∣Φбn∣/qe = 0,42В, тогда как для p-p-гомоперехода ϕбn = ϕк =

= ϕT ln (NA2/NA1) = 0,06В.

Рис. 2.20 – Зонные энергетические диаграммы идеальных p-n-гетеропереходов (а,

б) и идеального p-p-гетероперехода (в)

Гетероструктуры для инжекционных лазеров и транзисторов с высокой подвижностью электронов

В состав полупроводниковых гетероструктур входят элементы II–VI групп (Zn, Cd, Hg, Al, Ga, In, Si, Ge, P, As, Sb, S, Se, Te), соединения A^IIIB^V и их твердые растворы, а также соединения A^IIB^VI. Из соединений типа A^IIIB^V наиболее часто используются GaAs и GaN, из твердых растворов — Al_xGa_1-xAs. Использование твердых растворов позволяет создавать гетероструктуры с непрерывным, а не скачкообразным изменением состава и, соответственно, непрерывным изменением ширины запрещенной зоны.

Для изготовления гетероструктур важно согласование (близость по величине) параметров кристаллической решетки двух контактирующих соединений (веществ). Если два слоя соединений с сильно различающимися постоянными решетки выращиваются один на другом, то при увеличении их толщины на границе раздела появляются большие деформации и возникают дислокации несоответствия. В связи с этим для изготовления гетероструктур часто используют твердые растворы системы AlAs–GaAs, так как арсениды алюминия и галлия имеют почти одинаковые параметры решетки. В этом случае монокристаллы GaAs являются идеальной подложкой для роста гетероструктур. Другой естественной подложкой является InP, который применяется в комбинации с твердыми растворами GaAs–InAs, AlAs–AlSb и др.

Прорыв в создании тонкослойных гетероструктур произошел с появлением технологии роста тонких слоев методами молекулярно-лучевой эпитаксии,химического осаждения из паров металлоорганических соединений и жидкофазной эпитаксии. Появилась возможность выращивать гетероструктуры с очень резкими границами раздела, расположенными настолько близко друг к другу, что в промежутке между ними определяющую роль играют размерные квантовые эффекты. Области подобного типа называют квантовыми ямами, реже — квантовыми стенками. В квантовых ямах средний узкозонный слой имеет толщину несколько десятков нанометров, что приводит к расщеплению электронных уровней вследствие эффекта размерного квантования. Гетероструктуры, в особенности двойные, позволяют управлять такими фундаментальными параметрами полупроводников, как ширина запрещенной зоны, эффективная масса и подвижность носителей заряда, электронный энергетический спектр.

ИНЖЕКЦИОННЫЙ ЛАЗЕР

Принципиальное отличие инжекционных полупроводниковых лазеров от всех известных состоит в том, что в них излучательные переходы происходят не между отдельными энергетическими уровнями возбужденных атомов или молекул, а между энергетическими зонами полупроводника — проводимости и валентной. Излучательные переходы, называемые прямыми, возможны в полупроводниках типа A₃B₅ и A₂B₆. К ним, в частности, относится GaAs (арсенид галлия). Простейшим и наиболее эффективным способом создания инверсной населенности в активной области полупроводникового лазера является инжекция неравновесных носителей тока через p-n переход, смещенный в прямом направлении. Резонатор лазера, как правило, образуют сколотые перпендикулярно p-n переходу грани полупроводникового кристалла. КПД преобразования электрической энергии в световую для лазерных диодов с гетеропереходом достигает 70%, а внутренний квантовый выход близок к 100 % [1—5].

Современные инжекционные лазеры с двухсторонним гетеропереходом (ДГС-лазеры, рис. 1), в особенности с канальными и меза-структурами [3], являются в практическом отношении весьма совершенными источниками когерентного излучения, нашедшими широкое применение в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС), метрологии, устройствах интегральной оптики. Эти применения связаны с уникальным сочетанием свойств инжекционных лазеров: высокой монохроматичности излучения, высокого КПД, исключительно малых размеров. Объем полупроводникового кристалла лазера составляет около 10^–6 см³, а площадь его излучающей поверхности ~10^–9 см². Использование лазерных структур с двухсторонним гетеропереходом позволило обеспечить их работу при комнатной температуре как в импульсном, так и непрерывном режимах. Мощность генерирумого современными инжекционными лазерами излучения в непрерывном режиме достигает десятка ватт, а в импульсном превышает сотню.

Несомненным преимуществом инжекционных лазеров является простота модуляции генерируемого излучения, осуществляемая путем модуляции тока накачки. Частотный диапазон модуляции простирается до десятка гигагерц. Ограничение частотного диапазона связано с наличием электрических и оптических переходных процессов в лазерном диоде [4], в частности, определяемых временами жизни электронов t_е и дырок t_h в активной области лазерного диода, а также временем жизни фотонов в резонаторе t_ф. Типичные значения этих величин составляют ~10^–9 с для t_е и t_h и ~10^–12 с для t_ф.

Транзистор

Изобретение относится к гетероструктурам полупроводниковых приборов, главным образом полевых транзисторов. Полупроводниковая гетероструктура полевого транзистора, включающая монокристаллическую подложку из AlN, темплетный слой AlN, канальный слой GaN и барьерный слой Al_xGa_1-xN, между темплетным и канальным слоями расположены один над другим, соответственно, переходный слой Al_yGa_1-y N, буферный слой Al_zGa_1-z N, значение у на границе с темплетным слоем составляет 1, а на границе с буферным слоем равно значению z буферного слоя, при этом 0,3  x  0,5, a 0,1  z  0,5. В полупроводниковой гетероструктуре буферный слой на границе с канальным слоем может быть легирован Si на глубину 50-150Å. Изобретение обеспечивает увеличение проводимости канального слоя полупроводниковой гетероструктуры и, следовательно, увеличение рабочих токов и мощности полевых транзисторов.

Билет 16) Диэлектрики. Поляризация диэлектриков. Электрострикция.

Диэлектрик (как и любое вещество) состоит из молекул и атомов. Так как положительный заряд всех ядер молекулы равен суммарному заряду электронов молекулы, то молекула в целом электрически нейтральна. Если заменить положительные заряды ядер молекул суммарным зарядом + Q, которые находится в воображаемом центре тяжести положительных зарядов, а заряд всех электронов — суммарным отрицательным зарядом – Q, который находится в воображаемом в центре тяжести отрицательных зарядов, то молекулу можно исследовать как электрический диполь с электрическим моментом, определяемой ранее формулой p=|Q|l.  В первую группу диэлектриков (N₂, Н₂, О₂, СО₂, СН₄, ...) относят вещества, у которых молекулы имеют симметричное строение, т. е. так называемые центры тяжести положительных и отрицательных зарядов в отсутствие внешнего электрического поля совпадают и, значит, дипольный момент молекулы р равен нулю. Молекулы данных диэлектриков называются неполярными. Под действием внешнего электрического поля заряды неполярных молекул смещаются в противоположные стороны (положительные по направлению поля, отрицательные против направления поля) и молекула приобретает дипольный момент.  Во вторую группу диэлектриков (H₂O, NН₃, SO₂, CO,...) входят вещества, у которых молекулы имеют асимметричное строение, т. е. так называемые центры тяжести положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Значит, эти молекулы в отсутствие внешнего электрического поля обладают дипольным моментом. Молекулы таких диэлектриков называются полярными. При отсутствии внешнего поля, тем не менее, дипольные моменты полярных молекул вследствие теплового движения в пространстве ориентированы хаотично и их результирующий момент равен нулю. Если такой диэлектрик поместить во внешнее поле, то силы этого поля будут стремиться повернуть диполи вдоль поля и возникает отличный от нуля результирующий момент.  В третью группу диэлектриков (NaCl, KCl, КВr, ...) входят вещества, у которых молекулы имеют ионное строение. Ионные кристаллы представляют собой пространственные решетки, у которых ионов разных знаков чередуются правильным образом. В этих кристаллах невозможно выделить отдельные молекулы, их можно рассматривать как систему двух вдвинутых одна в другую ионных подрешеток. При действии на ионный кристалл электрического поля происходит некоторая деформация кристаллической решетки или относительное смещение подрешеток, которое приводит к появлению дипольных моментов.  Значит, при помещении всех трех групп диэлектриков во внешнее электрическое поле возникает не равный нулю результирующий электрический момент диэлектрика, или, другими словами, поляризация диэлектрика. Поляризацией диэлектрика называется процесс ориентации диполей или появления под воздействием внешнего электрического поля ориентированных по полю диполей.  И для трех группам диэлектриков различают три вида поляризации: электронная, или деформационная, поляризация диэлектрика с неполярными молекулами, которая заключается в возникновении у атомов индуцированного (наведенного) дипольного момента за счет деформации электронных орбит;  ориентационная, или дипольная поляризация диэлектрика с полярными молекулами, которая заключается в ориентации имеющихся дипольных моментов молекул по полю. Очевидно, что тепловое движение мешает полной ориентации молекул, но в результате совместного действия электрического поле и теплового движения возникает преимущественная ориентация дипольных моментов молекул по этому полю. Эта ориентация тем сильнее, чем больше напряженность электрического поля и ниже температура; ионная поляризация диэлектриков с ионными кристаллическими решетками, которая заключается в смещении подрешетки положительных ионов вдоль поля, а отрицательных — против поля, которое приводит к возникновению дипольных моментов. 

Электростри́кция — эффект изменения линейных размеров вещества при приложении к нему электрического поля. Наблюдается абсолютно во всех веществах (в отличие отпьезоэффекта, который существует лишь в кристаллах с определённой симметрией).

Связь между деформацией и электрическим полем является квадратичной. Линейная связь между деформацией и электрическим полем наблюдается в пьезоэлектриках.

Наиболее высокие значения электрострикции наблюдаются в веществах, получивших название сегнетоэлектрические релаксоры.

Формально, электрострикционный коэффициент — это тензор четвёртого ранга ( ), зависящий от механического напряжения (тензор второго ранга  ) и поляризации (тензоры первого ранга  ,  ).

Билет 17) Пиро – и сегнетоэлектрики.

Пироэле́ктрики (от др.-греч. πῦρ — огонь) — кристаллические диэлектрики, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, то есть поляризацией в отсутствие внешних воздействий.

Обычно спонтанная поляризация пироэлектриков незаметна, так как электрическое поле, создаваемое ею, компенсируется полем свободных электрических зарядов, которые «натекают» на поверхность из его объёма и из окружающего воздуха. При изменении температуры величина спонтанной поляризации изменяется, что вызывает появление электрического поля, которое можно наблюдать, пока свободные заряды не успеют его скомпенсировать. Это явление называется пироэлектрическим эффектом или пироэлектричеством.

Изменение спонтанной поляризации и появление электрического поля в пироэлектриках может происходить не только при изменении температуры, но и при деформировании. Таким образом, все пироэлектрики являются пьезоэлектриками, но не все пьезоэлектрики обладают пироэлектрическим эффектом. Ниже точки Кюри пироэлектрики являются сегнетоэлектриками.