Kniga_16_Fizicheskie_osnovy_nanoinzhenerii-1

Поскольку мы предположили, что плотности электронов и дырок одинаковы в любом сечении р–n-перехода и на его границах, а также поскольку движение электронов и дырок противоположно друг другу, ВАХ р–n-перехода можно представить в виде:

Эту плотность тока называют плотностью тока насыщения. Она достигается уже при U ≈ −0,1 В. jн определяется концентрацией

неосновных носителей и у германиевых р–n-переходов больше, чем у кремниевых.

При прямых смещениях плотность тока через р–n-переход растет по экспоненте и уже при небольших напряжениях достигает большого значения.

Подставляя в (1.55) (1.54), получим:

j = jн (eqU kT −1).

На рис. 1.39 показана ВАХ р–n-перехода. Как видно из рисунка, р–n-переход обладает ярко выраженной односторонней (униполярной) проводимостью, т. е. проявляет высокие выпрямляющие свойства.

j

U

Рис. 1.39. ВАХ р–n-перехода

Подчеркнем, что перенос заряда через р–n-переход осуществляется с помощью неосновных носителей, так как область р–n- перехода обеднена основными носителями.

1.6.5. БАРЬЕРНАЯ И ДИФФУЗИОННАЯ ЁМКОСТЬ р–n-ПЕРЕХОДА

Величины объемных зарядов в р–n-переходе изменяются в зависимости от прикладываемого обратного напряжения вследствие изменения толщины обедненного слоя. Следовательно, р–n-пере- ход обладает электрической ёмкостью.

Барьерная ёмкость (зарядовая) р–n-перехода равна:

Cбар = dQdUоб = εdo(εUnS) ,

где S – площадь р–n-перехода.

Барьерная ёмкость совпадает с ёмкостью плоского конденсатора, расстояние между обкладками которого равно толщине обедненного слоя. С ростом обратного смещения уменьшается вслед-

ствие увеличения d (U ). У р–n-переходов с большей концентрацией примеси барьерная ёмкость больше.

Вольт-фарадная характеристика Cбар = f (Uоб ) (рис. 1.40) имеет достаточно сложный вид, поэтому применяют аппроксимацию:

Cбар(o) = Cбар(o)(1−UUK )m ,

где m =0,3 ÷0,5; UK – контактная разность потенциалов.

Cбар

Сбар(o)

U

Рис. 1.40. Зависимость барьерной ёмкости от напряжения

Барьерная ёмкость слабо увеличивается с ростом температуры за счет UK . Температурный коэффициент ёмкости уменьшается

с ростом обратного напряжения.

При прямом смещении происходит инжекция неосновных носителей в p- и n-области. При изменении прикладываемого напряжения изменяется и концентрация инжектированных носителей, а следовательно, и заряды областей, что можно рассматривать как действие ёмкости. Так как эта ёмкость появляется за счет диффу-

Тепловой пробой. Тепловой механизм пробоя обусловлен выделением тепла в р–n-переходе при протекании обратного тока. Рассеиваемая в переходе мощность равна: P =UIоб. Под действи-

ем этой мощности увеличивается температура перехода, а следовательно, растет и обратный ток. Вследствие теплового нагрева на обратной ветви ВАХ появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, ток резко возрастает, и диод выходит из строя. На рис. 1.43 показаны ВАХ кремниевых р–n-пере- ходов с лавинным, туннельным и тепловым пробоями.

1.6.7. ГЕТЕРОПЕРЕХОДЫ

Гетеропереходом называется переход, образующийся на границе двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны. На границе гетероперехода происходят изменения свойств полупроводника – меняются структура энергетических зон, ширина запрещенной зоны, подвижности и эффективные массы.

На возможность использования специфических свойств такого контакта для повышения эффективности инжекции эмиттеров биполярных транзисторов указывалось еще в патенте Шокли в 1948 г. В настоящее время гетеропереходы находят столь широкое применение при создании высокочастотных транзисторов и оптоэлектронных приборов, что работы нашего соотечественника Ж. И. Алферова и Г. Кремера (США) в области исследования гетеропереходов были отмечены присуждением им совместно с изобретателем интегральной схемы Дж. Килби Нобелевской премии по физике в 2000 г.

Различают анизотропные и изотропные гетеропереходы. Анизотропные переходы создаются в результате контакта полупроводников с дырочной и электронными типами проводимости. Изотропные гетеропереходы возникают при контакте полупроводников одного типа проводимости.

В гетеропереходах наблюдаются скачки энергии в зонах проводимости и валентной зоне. Гетероструктуры представляют собой комбинации различных гетеропереходов.

Из-за разрывов зон высота потенциальных барьеров, которые при инжекции приходится преодолевать электронам и дыркам, становится различной, что приводит к изменению соотношения

токов инжектируемых электронов и дырок. Отношение тока инжекции электронов к току инжекции дырок существенно возрастает. Наличие разрывов в положении краев энергетических зон приводит к тому, что в гетеропереходах имеет место практически односторонняя инжекция из широкозонного в узкозонный полупроводник.

Если из-за разрыва в положении края зоны инжектируемые носители при переходе в узкозонный полупроводник увеличивают свою кинетическую энергию, то при больших прямых смещениях концентрация носителей, инжектированных в узкозонный полупроводник, может даже превышать концентрацию свободных носителей в широкозонном слое. Данные свойства гетероперехода широко используется в полупроводниковых лазерах, некоторых транзисторах и других приборах, принцип работы которых требует однонаправленной инжекции носителей.

Различие параметров кристаллической решетки контактирующих материалов приводит к появлению на гетерогранице оборванных связей, дислокаций несоответствия и других дефектов, энергетические уровни которых выступают как центры рекомбинации. По этой причине задача выбора материалов для создания гетеропереходов оказывается весьма непростой. Требуется не только, чтобы различие параметров решетки двух контактирующих полупроводников при температуре выращивания было невелико, но и чтобы были близки их температурные коэффициенты расширения.

Рассмотрим зонную диаграмму между арсенидом галлия и арсенидом галлия алюминия GaAs–AlxGaxAs (рис. 1.44). Величина x характеризует содержание алюминия. С ростом x увеличивается ширина запрещенной зоны твердого раствора AlxGaxAs. Для x = 0,3 ширина запрещенной зоны твердого раствора Al0,3Ga0,7As

равна 1,8 эВ.

У границы раздела двух полупроводников образуется квантовый колодец, или зона двухмерного электронного газа (ДЭГ) (2D-газ). Двухмерный электронный газ представляет собой систему электронов, энергетические уровни которых дискретны. Они могут перемещаться только в плоскости ДЭГ, не покидая потенциальной ямы. Характерным свойством ДЭГ является то, что можно регулировать плотности электронов путем воздействия поперечного электрического поля. Электроны ДЭГ имеют повышенную эффективную концентрацию и подвижность.

При 300 К для гетеропереходной пары GaAs–Al0,3Ga0,7As:

EC ≈ 0,62 Eg ≈ 0,23 эВ; EV ≈ 0,38 Eg ≈ 0,14 эВ.

Вэтом случае отношения токов инжектируемых электронов

идырок будет составлять exp( Eg kT )≈ 2 106 раз. Столь значи-

тельный эффект дает основание говорить о действительно одностороннем характере инжекции в гетеропереходе.

1.7. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Цельлекции: ознакомлениеспонятиемповерхностныхявлений.

1.7.1. ПОВЕРХНОСТНЫЕ СОСТОЯНИЯ

Рассмотрим процессы на поверхности полупроводника. В 1932 г. советским ученым Таммом было показано, что обрыв решетки приводит к возникновению разрешенных уровней в запрещенной зоне. Уровни Тамма возможны для идеальной поверхности полупроводника. Реальные поверхности покрыты слоем адсорбированных атомов и молекул. Эти примеси также создают поверхностные