близкой к равновесной, а затем и меньше равновесной. В результате переход окажется под прямым смещением, а в областях n1 и р2 начнут накапливаться неосновные носители, что приведет к уменьшению коэффициентов эмиссии γ1 и γ2. Сумма (β1γ1 + β2γ2) теперь опять меньше единицы и тиристор переходит во включенное состояние (рис. 37, кривая 2), в котором сопротивление прибора мало, а ток через прибор велик и определяется напряжением источника смещения и сопротивлением нагрузки.

Если ток, протекающий через включенный динистор, уменьшать, то будет уменьшаться и количество неосновных носителей, инжектируемых через эмиттеры, сопротивление коллекторного перехода возрастет и он вновь окажется под обратным смещением. Следовательно, прибор перейдет в исходное выключенное состояние.

Напряжением включения тиристора можно управлять с помощью дополнительного, третьего вывода – управляющего электрода (клемма упр. на рис.37). Смещение на управляющий электрод подают в такой полярности, чтобы увеличить ток инжекции ближайшего эмиттерного перехода и, следовательно, увеличить ток тиристора в целом. Ток через закрытый тиристор можно увеличить и заставить прибор включиться, освещая базовые области тиристора. Такой прибор называется

фототиристором.

4.9.Гетеропереходы в полупроводниках.

Впредыдущих разделах были рассмотрены p-n переходы в виде внутренних границ между двумя областями в одном и том же полупроводниковом кристалле, одна из областей которого легирована донорными, а другая – акцепторными примесями. Такого рода переходы можно отнести к классу гомопереходов в отличие от гетеропереходов, образуемых посредством контакта двух разных по химическому составу полупроводников.

Внастоящее время гетеропереходы приобретают все возрастающее значение в технике в связи с тем, что полупроводниковые приборы на их основе обладают значительно более высокими параметрами, чем p-n – переходы в гомогенных по составу полупроводниках.

Комбинация нескольких гетеропереходов в одной монокристаллической структуре, обычно составляющей часть полупроводникового прибора, называется гетероструктурой. Сейчас трудно представить современную физику твердого тела без полупроводниковых гетероструктур. Согласно оценке академика Ж.И.

Алферова, они являются сегодня предметом исследований подавляющего большинства групп ученых, работающих в области физики полупроводников. Характерной особенностью гетеропереходов является изменение ширины запрещенной зоны в области контакта двух различных полупроводников. Наряду с этим происходит изменение эффективной массы и подвижности носителей, а также диэлектрической постоянной вещества. В случае резких гетеропереходов свойства материалов меняются почти скачкообразно – на протяжении 4 – 5 постоянных решетки, т.е. ~ 2 нм.

Для практического изготовления гетероперехода необходимо, чтобы параметры кристаллических решеток контактирующих материалов не слишком сильно отличались друг от друга. Близость постоянных решетки является первым и важнейшим критерием «совместимости» материалов при создании гетеропереходов. Отличие постоянных решетки обычно составляет не более 0,1 %.

Существует два различных типа гетеропереходов. Изотипные переходы образуются при контакте веществ с одинаковым типом проводимости (или n, или р). Такие переходы обозначаются n – N или p – P (большая буква отвечает материалу с более широкой запрещенной зоной). Анизотипные переходы образуются при контакте веществ с разным типом проводимости и обозначаются p–N или P–n в зависимости от относительных ширин запрещенных зон контактирующих полупроводников.

Гетеропереходные полупроводниковые пары создаются как на основе одноатомных кристаллов из атомов IV группы таблицы Менделеева (Ge,Si), так и полупроводниковых соединений AIIIBV атомов III и IV групп, легированных донорными или акцепторными примесями. На рисунке 38 представлена диаграмма энергетических зон гетероперехода p- N в предположении, что объемные свойства полупроводников сохраняются вплоть до границы раздела, где имеет место резкий переход от одного материала к другому. Например, это может быть p-Ge – N- GaAs. Ширины запрещенных зон в Ge и GaAs равны примерно 0,7 эВ и1,45 эВ.

Близкими к идеальному с точки зрения практического применения являются гетеропереходы, образованные композицией полупроводниковых материалов: AlxGa1-xAs – GaAs при x < 0,8. Наиболее часто используется переход Al0,3Ga0,7As (Eg = 1,8 эВ) – GaAs (Eg = 1,4эВ).

Работа выхода, ϕ, определяется, как и для металла, разностью энергии электрона в вакууме у поверхности материала и энергией Ферми. Поскольку она меняется при легировании, удобнее пользоваться

электронным сродством, χ, определяемым как энергия, необходимая для перевода электрона с края зоны проводимости на «уровень вакуума». Она представляет собой свойство материала, не зависящее от легирования. В нашем случае χ1 = 4,13 эВ, χ2 = 4,07 эВ.

На рис. 38 пунктирной линией изображен уровень вакуума (0) при отсутствии контакта между полупроводниками (рис 38а), а штриховой линией – соответствующий уровень при наличии контакта, V(z). Индексом «1» обозначены величины, относящиеся к Ge, а индексом «2» – к GaAs. При идеально резком переходе V(z) – непрерывная функция, которая терпит излом на границе вследствие скачкообразного изменения диэлектрической проницаемости и, следовательно, напряженности электрического поля. Вследствие различия в ширинах запрещенной зоны и работы выхода контактирующих полупроводников возникают разрывы энергий ∆EC и ∆EV, что является наиболее характерной особенностью зонных диаграмм идеальных гетеропереходов.

При наличии контакта часть электронов диффундирует из n-GaAs в p- Ge, в результате чего возникает изгиб уровней V(z) такой, что

В то же время, используя уравнение Пуассона и закон сохранения заряда, можно показать, что

Где ε1, ε2 - диэлектрические проницаемости веществ 1 и 2. В нашем случае

ε1 = 16, ε2 = 11,5, N1 = NA =~ 3 1022 м –3,- концентрация нескомпенсированных акцепторов в Ge, N2 = ND = 1022 м–3 - концентрация нескомпенсированных доноров в GaAs.

Из (80) и (81) вытекает:

V1 = N2ε2(µ2 − µ1)/(ε1N1 + ε2N2); V2 = N1ε1(µ2 − µ1)/(ε1N1 + ε2N2) (82)

В нашем примере: ∆V = 0,52 эВ, V1 = 0,42 эВ, V2 = 0,10эВ.

Как видно из рисунка 38, диаграмме гетероперехода несколько сложнее, чем в случае гомоперехода за счет разрывов энергии ∆EC = Е С2 – ЕС1 и ∆EV.= ЕV2 – EV1 на границе раздела, как уже отмечалось, эти разрывы обусловлены различием в величине ширины запрещенной зоны и работы выхода контактирующих полупроводников. Как видно из рисунка 38,

∆ΕC = χ1 − χ2; ∆EV = χ1 + Eg1 - χ2 -Eg2 = ∆EC + Eg1 - Eg2 (83)

В нашем случае: ∆EC = 0,06 эВ, ∆EV = 0,69 эВ.

Благодаря различию в разрывах ∆EC и ∆EV высоты потенциальных барьеров для электронов, Vn, и дырок, Vp, различны:

Таким образом, в гетеропереходе в отличие от обычного p-n –перехода потенциальные барьеры для электронов и дырок могут значительно отличаться, что существенным образом скажется на их инжекторных свойствах. Как видно из (84), высота дополнительного барьера равна разности ширин запрещенных зон двух полупроводников. Наложение внешнего потенциала в прямом направлении (прямого смещения) к гетеропереходу будет обеспечивать одностороннюю эффективную инжекцию из более широкозонного полупроводника (эмиттера) в узкозонный. В рассмотренном нами случае p-N -перехода наличие разрыва ∆EV будет препятствовать инжекции дырок в широкозонный полупроводник. Наличие разрыва в зоне проводимости ∆EC уменьшает барьер для инжектируемых электронов. В результате токи инжектированных электронов и дырок отличаются на множитель:

Этот множитель обычно весьма значителен. Например, если ∆Εg = 0,2 эВ, а кТ = 0,026 эВ (Т = 300 К) λ 2200, т.е. в гетеропереходах легко достигается режим односторонней инжекции. Следовательно, применение гетеропереходов позволяет значительно увеличить коэффициент усиления по току в транзисторах со слабо легированной базой при больших уровнях инжекции.

При некотором значении приложенного напряжения плотность инжектированных в узкозонный полупроводник носителей превосходит плотность равновесных носителей в эмиттере (сверхинжекция). Например, в р-N –переходе наличие разрыва ∆ΕC уменьшает барьер для электронов, и максимально достижимое соотношение плотности инжектированных электронов и равновесной концентрации электронов в эмиттере определяется выражением:

nP/ND = exp(∆EC/kT)

Полученные значения ∆EC и ∆EV и их суммы существенны при всех рассмотрениях гетеропереходов. В первом приближении они справедливы при любом уровне легирования.

Особенности зонных диаграмм гетеропереходов и связанная с ними односторонняя инжекция, сверхинжекция и т.д. делают гетеропереходы мощным средством управления потоками носителей в полупроводниках. Благодаря этому энергетические характеристики транзисторов, тиристоров и других полупроводниковых приборов лучше, чем на основе обычных p-n переходов.

Типичным примером простейшей гетероструктуры является транзистор с двумя гетеропереходами N-p-n. На рисунке 39 представлена зонная диаграмма такого транзистора. Ширина запрещенной зоны материала эмиттера больше, чем у материала базы и коллектора. Согласно формуле (72), в n-p-n – транзисторе эффект усиления достигается только за счет электронной составляющей тока эмиттера. Для получения высоких коэффициентов усиления по току желательно уменьшить относительную величину дырочной составляющей. В случае транзистора с гомопереходами это может быть достигнуто за счет того, что базу легируют по крайней мере в 100 раз слабее, чем эмиттер. В результате база находится под высоким напряжением, что создает ряд проблем технического характера, связанных, в частности, с возможностью возникновения «вторичного пробоя».

В гетеропереходном транзисторе широкозонный эмиттер создает дополнительный барьер для обратной инжекции из базы, величина которого определяется формулой (84), т.е. равна разности запрещенных зон двух полупроводников. В этом случае допустимая концентрация примесей в базе может достигать значения порядка 10 25 м –3.Поэтому применение гетеропереходов позволяет значительно увеличить коэффициент усиления транзистора по току.

Особенности зонных диаграмм гетеропереходов и связанные с ними односторонняя инжекция, сверхинжекция и т.д. делают гетеропереходы мощным средством управления потоками носителей в полупроводниках. В следующей главе будет рассмотрено применение гетероструктур для создания полупроводниковых оптоэлектронных приборов.

Дальнейшие исследования в этой области привели к рассмотрению систем с низкоразмерным электронным газом – квантовых ям, квантовых проволок и квантовых точек. Квантовые ямы являются аналогом двойных гетероструктур, в которых средний узкозонный слой имеет толщину порядка нескольких сотен ангстрем, что приводит к расщеплению электронных уровней вследствие эффектов размерного квантования.

Использование короткопериодических сверхрешеток с квантовыми ямами привело к значительному снижению порогового тока гетеролазеров.

Квантовые точки – это кластеры атомов в полупроводниковой матрице, содержащие от 20 до 1000 атомов. Они представляют собой своеобразные искусственные атомы, носители заряда в которых ограничены во всех трех измерениях и обладают полностью дискретным энергетическим спектром. Использование таких структур открывают принципиально новые возможности создания все более совершенных полупроводниковых приборов.

5.ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУ-ПРОВОДНИКАХ

5.1.Механизм поглощения света в кристаллах. Фотопроводимость

полупроводников.

Перераспределение электронов по энергетическим уровням в полупроводниках может происходить не только вследствие теплового движения, но и под действием электромагнитного излучения. Оптические эффекты в полупроводниках используют в разнообразных фотоприемниках, преобразователях солнечной энергии в электрическую и в ряде других оптоэлектронных приборов.

Под воздействием светового излучения нарушается термодинамическое равновесие и возникают неравновесные носители тока. Если энергия фотона превышает ширину запрещенной зоны (hω >Eg), то поглотивший фотон электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости и появляется дополнительная электронно-дырочная пара (Рис. 40). Это явление называется внутренним фотоэффектом. Добавочная проводимость, возникающая при облучении полупроводника светом, называется фотопроводимостью. Основная проводимость, обусловленная тепловым возбуждением носителей, называется темновой проводимостью.

В собственных полупроводниках поглощение света происходит лишь в случае, если

Соответственно максимальная длина волны определяется соотношением:

Если на поверхность полупроводника падает свет с частотой, удовлетворяющей соотношению (1), то возникающие на поверхности неравновесные носители диффундируют в глубь полупроводника и по пути рекомбинируют. Для невырожденных газов носителей коэффициенты диффузии электронов и дырок определяются соотношениями Эйнштейна: Dn = kTun/e и Dp = kTup/e, где un и up - подвижности носителей (обычно un > up ). Однако вследствие электростатического притяжения носителей разного знака происходит их совместная (амбиполярная) диффузия с некоторым одинаковым эффективным коэффициентом диффузии Dэфф. В общем случае:

Для собственного полупроводника (n = p): Dэфф = 2Dn Dp /(Dn + Dp), т.е. является промежуточным между коэффициентами диффузии для

электронов и дырок. В полупроводниках же с ярко выраженным типом проводимости эффективный коэффициент диффузии равен коэффициенту диффузии неосновных носителей.

Так, Dэфф = Dр при n>>p и Dэфф = Dn при p>>n.

Соотношение (2) выражает лишь необходимое условие возникновения фотопроводимости. Однако возможно также наличие фотоэлектрически неактивного поглощения. Оно возникает, например, когда возбужденный электрон не разрывает связи с дыркой, возникающей в валентной зоне, а образует с ней единую связанную систему. Такая система называется экситоном. Впервые он был предсказан Я.И. Френкелем и наблюдался Е.Ф. Гроссом в кристалле закиси меди (Cu 2 O). Экситон сходен с атомом водорода. Уровни энергии экситона располагаются у дна зоны проводимости (рис. 40в). Так как экситоны являются электрически нейтральными системами, то их возникновение в полупроводнике не приводит к появлению дополнительных носителей заряда, вследствие чего поглощение света не сопровождается увеличением проводимости полупроводника. При столкновении с фононами, примесными атомами и другими дефектами решетки экситоны или рекомбинируют, или «разрываются». В первом случае возбужденный электрон переходит в валентную зону, а энергия возбуждения передается решетке или излучается в виде квантов света (люминесценция). Во втором случае образуется пара носителей – электрон и дырка, которые обуславливают повышение электропроводности полупроводника. Поэтому спектр экситонного поглощения наблюдается при очень низких температурах.

Если в веществе имеются примеси, электроны могут переходить с донорных уровней в зону проводимости и из валентной зоны на акцепторные уровни.(Рис.40 б). Такое поглощение света называется примесным. Поскольку Еприм <<Eg,, граница примесного поглощения сдвинута в сторону длинных волн. Кроме того, если примесные атомы уже ионизированы, примесное поглощение отсутствует. Поэтому длинноволновое примесное поглощение будет наблюдаться при достаточно низких температурах, меньших температуры истощения примеси (Т < Ts). Обычно она составляет несколько десятков градусов Кельвина. Так, для Ge, легированного золотом, спектр примесного поглощения наблюдается при температуре жидкого азота (77К), а при легировании сурьмой поглощение можно наблюдать лишь при гелиевых температурах (4К).

На внутреннем фотоэффекте основано действие фотосопротивлений (фоторезисторов). Чувствительный элемент прибора представляет собой брусок или пленку полупроводника с двумя контактами, К1 и К2 (Рис. 41). Его подключают к источнику напряжения через нагрузочное сопротивление Rн . При освещении находящегося под напряжением полупроводника в нем течет ток J. Разность между полным током J и темновым током Jт дает значений фототока :

где V0 - разность потенциалов на полупроводнике.

Вольт-амперной характеристикой фотосопротивле-ния называется

Поскольку количество образующихся носителей пропорционально световому потоку Ф, фотосопротивления применяют в фотометрии. Наиболее чувствительные фотосопротивления изготавливаются из сернистого кадмия (CdS), у которого фотопроводимость в 105 - 10 6 раз превышают темновую проводимость в видимой области.