7. Контактные явления в полупроводниках Занятие № 7

7.1 Схема энергетических зон в контакте металл-полупроводник. Обогащенные, обедненные и инверсионные слои пространственного заряда вблизи контакта. Вольт-амперная характеристика барьера Шоттки.

Литература:

1. Барьеры [11], главы 3, 4 и 5.

2. Бонч-Бруевич [1], глава 6.

При подготовке к этому занятию, как и к предыдущему, следует сначала прочесть главы 3, 4 и 5 книжки "Барьеры". В этих главах изложена существенная часть пунктов 7.1 и 7.2, а также всего следующего раздела 8. Потом можно приниматься за главу 6 Бонч-Бруевича.

Схема: можно следовать логике [11], но это дело вкуса.

7.2 Энергетическая диаграмма p-n перехода. Инжекция неосновных носителей заряда в p-n переходе.

Литература:

1. Барьеры [11], глава 5.

2. Бонч-Бруевич [1], глава 8.

Схема: см. п.7.1 – читайте "Барьеры".

1. Нарисовать зонную диаграмму p-n перехода. Начинать рисование с единого уровня Ферми. Нарисовать распределение зарядов и полей в p-n переходе. Пояснить происхождение зарядов.

2. Рассказать о компенсации токов различной природы в равновесии.

3. Объяснить микроскопическую природу тока насыщения.

4. Рассмотреть зонную диаграмму при обратном и прямом смещениях. Написать выражение и нарисовать график вольт-амперной характеристики p-n перехода.

5. Прямое смещение: рассказать об инжекции неосновных носителей заряда в p-n переходе.

7.3 Гетеропереходы. Энергетические диаграммы гетеропереходов.

Литература:

1. Бонч-Бруевич [1], глава 8, §5.

2. Grundmann M. The Physics of Semiconductors, chapter 11 [7].

3. Херман М. Полупроводниковые сверхрешетки, глава 1 [15].

Схема:

1. Дать определение гетеропереходов 1-го и 2-го типов, пояснить рисунком.

2. Показать, как на основе гетеропереходов 1-го и 2-го типов можно построить композиционные сверхрешетки 1-го и 2-го типов (нарисовать схематично зонные диаграммы сверхрешеток).

3. Изложить алгоритм построения зонной диаграммы гетероперехода между двумя полупроводниками с различной шириной запрещенной зоны. Для примера, нарисуйте диаграмму p-AlGaAs/p-GaAs гетероперехода без заряда на гетерогранице.

Алгоритм состоит в следующем:

- провести общий уровень Ферми (горизонтальная штрих-пунктирная линия) и обозначить вертикальной линией "металлургическую" границу гетероперехода;

- "пристроить" к уровню Ферми края зоны проводимости и валентной зоны для каждого из полупроводников вдали от гетероперехода, где электрическое поле равно нулю;

- нарисовать параболический ход доньев зон проводимости в областях изгиба зон по обе стороны от границы, исходя из заданного соотношения разрывов зон для зоны проводимости и валентной зоны, а также условия отсутствия заряда на границе. Последнее условие означает непрерывность электрического поля, другими словами, равенство производных потенциала по обе стороны от границы. Соотношение разрывов зон в системе AlGaAs/GaAs можно взять равным 1:1;

- дорисовать ход потолка валентной зоны в областях изгиба зон (из очевидного условия, что в каждом из полупроводников, по обе стороны от металлургической границы, ширина запрещенной зоны постоянна).

Более строгий алгоритм построения зонной диаграммы гетероперехода, использующий величины электронного сродства для каждого из полупроводников, изложен в учебнике Бонч-Бруевича [1], в §5 главы 8.

4. Пояснить качественно, как заряд на границе изменит вид зонной диаграммы гетероперехода.

5. Рассказать об одном-двух примерах применения гетероструктур (ГС): полупроводниковые лазеры на двойных ГС AlGaAs/GaAs, транзисторы на ГС с двумерным электронным газом, ИК-фотоприемники на квантовых ямах и т.п.

7.4 Варизонные полупроводники.

Литературы по этому вопросу я сейчас назвать не могу.

Схема:

1. Нарисовать зонную диаграмму варизонного полупроводника, например, p-Al_xGa_(1-x)As с составом x, увеличивающимся слева направо. Как обычно, сначала рисуем горизонтальный уровень Ферми, затем пристраиваем валентную зону со слабым наклоном (поскольку уровень Ферми в полупроводнике p-типа близок к потолку валентной зоны). Затем пристраиваем дно зоны проводимости, которое идет с большим наклоном, в соответствии с градиентом состава x.

2. Пояснить на диаграмме понятие квазиэлектрического поля, которое действует на неосновные носители заряда – электроны, сгоняя их справа налево. Объяснить, каким образом квазиэлектрическое поле может способствовать более эффективному сбору фотоэлектронов в фотоприёмниках и солнечных элементах.