6.1.2 Эффекты односторонней инжекции и сверхинжекции

Д ля гетеропереходов характерна преимущественная инжекция носителей заряда из широкозонной части в узкозонную (см. рис. 6.2), т. к. инжекции из узкозонной в широкозонную область препятствует дополнительный энергетический барьер.

Рисунок 6.2 - Эффект односторонней инжекции

в n-Р- (а) и р-N - гетеропереходах (б)

Токи инжектированных через гетеропереход электронов и дырок в первом приближении отличаются на фактор

При комнатной температуре kT = 0,025 эВ, ΔE_v + ΔE_c обычно составляет несколько десятых электронвольта, так что отношение электронного и дырочного токов достигает нескольких тысяч [16].

Рисунок 6.3 - Эффект сверхинжекции в p-N – гетеропереходе

В обычном гомопереходе концентрация неосновных носителей заряда, инжектированных из эмиттера, не может превышать их концентрации в самом эмиттере. В p-N - гетеропереходе (см. рис. 6.3) за счет разрывов в зоне проводимости ΔE_c (или в n-Р - гетеропереходе за счет разрывов в валентной зоне ΔE_v) при достаточно большом напряжении смещения возможно образование как бы «отрицательного» барьера для электронов (или дырок). Узкий положительный потенциальный барьер на гетерогранице электроны свободно проходят за счет туннельного эффекта, попадая затем в потенциальную яму. Благодаря этому концентрация инжектированных носителей заряда может превышать их концентрацию в эмиттере (на рис. 6.3 уровень Ферми в n-области расположен ниже дна зоны проводимости, а квазиуровень Ферми F_n^* для электронов в p-области - внутри зоны проводимости). Предельно достижимое отношение концентрации инжектированных электронов n_р в p-N – гетеропереходе к их равновесной концентрации в эмиттере n_N (в N-области) [16]

Аналогично в n-Р - гетеропереходе

Эта особенность инжекции в гетеропереходе делает его уникальным по эффективности инжектором, что очень важно для многих полупроводниковых приборов, в частности, для биполярных транзисторов и полупроводниковых лазеров [16, 17].

6.2 Квантовые ямы, нити и точки

6.2.1 Размерные эффекты

Под размерными эффектами понимают зависимость фундаментальных свойств объектов (материалов) от их геометрических размеров. Проявляются размерные эффекты в объектах, характерный размер которых не превышает некоторого критического значения. Для электронов в твердом теле в роли такого критического значения, с которым сравниваются размеры образца, обычно выступает электронная длина волны де Бройля

где p_e = ħּk - квазиимпульс электрона, k = 2ּπ/λ_e - его волновой импульс.

Если характерный геометрический размер образца не превышает λ_e, то электронные спектры квантуются и положения каждого из уровней зависят уже не только от природы материала, но и от геометрических размеров образца. Иными словами, эффекты размерного квантования позволяют управлять положением уровней энергии и волновыми функциями электрона путем изменения геометрических размеров объекта, в котором движется этот электрон [5, 16].

Достаточно крупные объекты, свойства которых не зависят от их размеров в трех измерениях, называются трехмерными или 3D.¹⁸ Структуры, в которых движение электрона ограничено по одной, двум, трем координатам, имеют размерности 2, 1, 0 (2D, 1D, 0D) и называются, соответственно, квантовыми ямами (квантовыми колодцами), квантовыми нитями (квантовыми проволоками), квантовыми точками.

Впервые квантовые размерные эффекты наблюдались на тонких пленках полуметалла висмута и полупроводника антимонида индия - InSb. В настоящее время квантоворазмерные структуры изготавливаются преимущественно на основе полупроводниковых гетеропереходов.¹⁹ Наилучшие результаты достигнуты с помощью методов молекулярно-лучевой эпитаксии, газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений и их комбинаций, позволяющих выращивать совершенные монокристаллические слои толщиной всего несколько периодов решетки.