1.2.2. Гомо- и гетеропереходы

гомопереход – эт о р-п-переход, образованный изменением концентрации примеси в одном полупроводниковом материале. Энергетические диаграммы р-п-перехода для прямого и обратного напряжений показаны на рис. 13.

Уровни Ферми в р- и n-областях в отличие располагаются на разной высоте, так что интервал между ними равен q|U|, т.е. пропорционален приложенному напряжению. Смещение границ зоны проводимости пропорционально высоте потенциального барьера и составляет

,

где - потенциальный барьер при прямом напряжении (U>0);

- контактная разность потенциалов;

q – заряд электрона

и поясняет соотношение диффузионных и дрейфовых потоков носителей в переходе.

При прямом напряжении из-за снижения потенциального барьера нарушается равенство диффузионного и дрейфового потоков как дырок, так и электронов: диффузионный поток дырок из р-области в п-область преобладает над встречным дрейфовым потоком дырок из п-области, а диффузия электронов из п-области в р-область - над встречным дрейфом электронов из р-области. В результате происходит увеличение концентрации неосновных носителей вне перехода в р- и п-областях. Этот процесс называется инжекцией неосновных носителей.

При обратном напряжении из-за увеличения потенциального барьера происходит ослабление диффузионных потоков по сравнению с состоянием равновесия. Уже при сравнительно небольшом обратном напряжении (порядка десятых долей вольта) диффузионный поток становится настолько малым, что дрейфовые потоки начинают преобладать над диффузионными. В результате дрейфа неосновных носителей происходит уменьшение концентраций неосновных носителей у границ перехода: электронов в р-области и дырок в п-области. Это явление называется экстракцией (выведением) неосновных носителей.

гетеропереходом называют переход, образованный полупроводниками различной физико-химической природы, т.е. полупроводниками с различной шириной запрещенной зоны. Примерами гетеропереходов могут быть переходы германий - кремний, германий - арсенид галлия, арсенид галлия - фосфид галлия и др.

Д ля получения гетеропереходов с минимальным числом дефектов на границе раздела кристаллическая решетка одного полупроводника должна с минимальными нарушениями переходить в кристаллическую решетку другого. В связи с этим полупроводники, используемые для создания гетеропереходов, должны иметь идентичные кристаллические структуры и близкие значения постоянной решетки. Гетеропереходы, образованные полупроводниками с различной шириной запрещенной зоны, возможны не только как переходы между полупроводниками р- и п-типа, но также и между полупроводниками с одним типом электропроводности: р⁺-р или п⁺-п.

Рассмотрим энергетическую (зонную) диаграмму гетероперехода между полупроводником п-типа с широкой запрещенной зоной и полупроводником р-типа с узкой запрещенной зоной (рис. 14). На рис. 14а показаны энергетические диаграммы исходных полупроводников. За начало отсчета энергии (нуль) принята энергия электрона, находящегося в вакууме. Величины А₁ и А₂ обозначают термодинамические работы выхода электрона (от уровня Ферми), а и - истинные работы выхода из полупроводника в вакуум, называемые электронным сродством полупроводников (от границы зоны проводимости).

При создании контакта между двумя полупроводниками уровни Ферми совмещаются (выравниваются). Это должно (в отличие от энергетической диаграммы гомоперехода) привести к появлению разрывов в зоне проводимости E_С и в валентной зоне E_V как показано на рис. 2 б. В зоне проводимости величина разрыва обусловлена разностью истинных работ выхода электронов из р- и п-полупроводников:

E_С= - ,

а в валентной зоне кроме этого - еще и неравенством значении энергии E_V. Поэтому потенциальные барьеры для электронов и дырок будут различными: потенциальный барьер для электронов в зоне проводимости меньше, чем для дырок в валентной зоне.

При подаче прямого напряжения потенциальный барьер для электронов уменьшится и электроны из n-полупроводника инжектируются в р-полупроводник. Потенциальный барьер для дырок в р-области также уменьшится, но все же остается достаточно большим, так что инжекция дырок из р-области в n-область практически отсутствует.

В гомопереходах отношение токов инжекции дырок и электронов можно изменить, только делая различными концентрации основных носителей в областях, т.е. различными концентрации примесей. Если концентрация акцепторов в р-области много больше концентрации доноров в n-области (N_а>>N_д), то и ток инжекции дырок I_р будет много больше тока инжекции электронов I_n (I_p>>I_n). Во многих приборах использующих р-п-переходы, например, в биполярных транзисторах требуется сильная асимметрия токов. Однако увеличении концентрации примесей (в данном случае акцепторов) есть технологический предел, связанный с наличием предельной концентрации примесей которую можно ввести в полупроводник («предельная растворимость»). Кроме того, с увеличением концентрации примесей одновременно появляется большое число дефектов, ухудшающих параметры р-п-перехода.

Гетеропереходы позволяют исключить эти недостатки гомоперехода и получить практически одностороннюю инжекцию носителей заряда даже при одинаковых концентрациях примесей в областях. Однако серьезной проблемой на пути реализации преимуществ гетеропереходов является наличие технологических трудностей создания бездефектной границы в гетеропереходах.