5. Энергетическая зонная диаграмма анизотипного гетероперехода.

Как уже отмечалось выше, в условиях термодинамического равновесия уровень Ферми во всем кристалле должен быть постоянным. Из этого условия следует, что в области ОПЗ дно зоны проводимости и, соответственно, потолок, валентной зоны искривляются в сторону понижения энергии, как показано на рис. 1. При отсутствии внешних полей искривления начинаются с точки и в точке смещение дна зоны проводимости, а также и потолка валентной зоны N-типа полупроводника, составляет по отношению к первоначальным значениям (т.е. до соприкосновения).

В ОПЗ изменение с расстоянием значения энергии дна зоны проводимости (градиент дна зоны проводимости ) связан с электрическим полем соотношением:

В свою очередь

Рис. 1. Энергетическая зонная диаграмма анизотипного гетероперехода

где - потенциал, и как следует из (4) положителен при всех x и имеет квад­ратичную зависимость от координаты.

растет от нуля при до значения V_K при .

Из (12) и (13) имеем:

Это означает, что знак изменения краев зон проводимости в ОПЗ гетеропе­рехода без внешних полей противоположно знаку изменения потенциала. Из этого следует, что в то время, как электрический потенциал растет от p-области к N-области, края зоны проводимости и валентной зоны убывают по энергети­ческой шкале.

и смещаются по энергии вниз на величину , по сравнению с их «первоначальными» (неравновесными) значениями в объемном полупроводни­ке N-типа. Из (14) и (4) следует, что характер изменений краев зон в каждой стороне гетерограницы (x=0) является квадратичным от расстояния. Иными словами, края валентной зоны и зоны проводимости в p-области и N-области ОПЗ равновесного (без внешних электрических полей) гетероперехода являют­ся параболическими. В точке x=0 дно зоны проводимости и потолок валентной зоны претерпевают разрывы по энергетической шкале и , связанные с различием между электронным сродством и шириной запрещенной зо­ны рассматриваемых p-типа и N-типа полупроводников (рис. 1).

Значения разрывов краев зон и определяются по формулам:

Например, для гетероперехода [2] значения и со­ставляют:

Предположительно эти выражения справедливы и для других составов вплоть до

Рассмотрим p-N-гетеропереход при прямом смещении, т.е. когда к кри­сталлу приложено внешнее электрическое поле со знаком противоположным знаком поля в ОПЗ.

Приложенный внешний потенциал распределяется между p- и N-областями:

При наличии смещения U диаграмма на рис. 1 изменяется. Положения края валентной зоны в зависимости от расстояния x определяются выражениями:

Для N- стороны:

Для краев зоны проводимости имеем: соответственно для p-стороны и N-стороны.

При приложении прямого напряжения смещения (U) энергетические уровни и смещаются вверх по энергетической шкале по сравнению с равновесным состоянием.

Разность между и становится меньше по сравнению с равновесным состоянием и составляет:

Если принять для удобства = 0 при x >x_N, то используя (17) и (18), и имеем:

,

где

Из этой формулы следует, что с ростом приложенного напряжения U уменьшается разность между и , т.е. потенциальный барьер , препятствующий диффузии электронов.

Когда энергетический барьер составляет:

При достижении величины U значения:

барьер для электронов исчезает.

В отличие от обычного p-n-перехода (гомоперехода) в p-N гетеропереходах диффузионный ток определяется главным образом инжекцией из широкозонного полупроводника в узкозонный. Через p-N-гетеропереход протекает диффузионный ток, состоящий в основном из потока электронов, и отличие от гомоперехода, где протекающий ток имеет также значительную ды­рочную составляющую через p-n-переход.