2.3. Гетеропереходы

Гетеропереходом называется переход, образованный между двумя различными полупроводниками. Если полупроводники имеют одинаковый тип проводимости, то они образуют изотипный гетеропереход. Если тип их проводимости различен получается анизотипный гетеропереход. Принципиальным отличием гетеропереходов от p-n-переходов является различная высота потенциального барьера для электронов и дырок и наличие разрывов краев зон на металлургической границе, обусловленных различием диэлектрических проницаемостей.

На рис. 2.10а приведена зонная диаграмма двух изолированных полупроводников. Они различаются диэлектрическими проницаемостями , работой выхода A и сродством к электрону . Сродство к электрону определяется как энергия, необходимая для удаления электрона со дна зоны проводимости в вакуум. Различие в положении дна зоны проводимости обозначено W_c, а различие в положении потолка валентной зоны W_v.

З онная диаграмма анизотипного гетероперехода, образованная такими полупроводниками, приведена на рис.2.10б для равновесного состояния. В данном случае полупроводник с широкой запрещенной имеет дырочную проводимость, а с узкой – электронную. Разрывы в положении краев зоны проводимости W_c и краев валентной зоны W_v на металлургической границе не связаны с уровнем легирования. Изгибы границы зон вблизи границы связаны с образованием обедненных слоев толщиной _n и _p, содержащих объемные заряды ионов доноров и акцепторов. Значение изгибов (e₁ и e₂) равно внутренней разности потенциалов, образующейся в обедненных слоях. Сумма ₁+₂ представляет собой контактную разность потенциалов _к. Как видно из рис.2.9б, высота потенциального барьера для электронов, движущихся из n- в p-область, равна _к+W_c/e и значительно выше, чем для дырок, движущихся из p- в n-область, где она равна _к–W_v/e. Поэтому при приложении прямого напряжения будет преобладать инжекция дырок, даже если n-область легирована сильнее. Таким образом, можно получить коэффициент инжекции, близкий к единице (т.е. одностороннюю инжекцию), даже если база (в данном случае n-область) легирована сильнее эмиттера.

Зонная диаграмма p-n-гетероперехода для тех же полупроводников для случая, когда полупроводник с широкой запрещенной имеет электронную проводимость, а с узкой – дырочную, приведена на рис.2.11а для равновесного состояния и на рис.2.11б – при приложении прямого напряжения. Как видно из рисунка, в этом случае будет происходить односторонняя инжекция электронов в p-область.

Вольтамперная характеристика идеализированного p-n-гетероперехода описывается формулой вида (2.21). На ВАХ реального гетероперехода сильное влияние оказывают центры генерации-рекомбинации в обедненном слое, концентрация которых может быть велика из-за большого числа дефектов структуры вблизи металлургической границы, возникающих вследствие неполной согласованности кристаллических решеток разных полупроводников. В этом случае при прямом напряжении преобладает ток рекомбинации, при обратном – ток генерации.

В изотипных гетеропереходах потенциальный барьер для неосновных носителей значительно выше, чем для основных. Это используется на практике для ограничения области накопления неосновных носителей.

Гетеропереходы широко применяются в излучающих и фотоэлектрических приборах (светодиоды, фотодиоды, полупроводниковые лазеры и др.). Использование гетеропереходов в биполярных и полевых транзисторах позволяет значительно увеличить их рабочие частоты.

13