3.9.2. Гетеропереходы

В отличие от р-n-перехода, образованного изменением кон­центрации примеси в одном полупроводниковом материале (гомопереход) гетеропереходом называют переход, образо­ванный полупроводниками различной физико-химической при­роды, т.е. полупроводниками с различной шириной запрещен­ной зоны. Примерами гетеропереходов могут быть переходы германий – кремний, германий – арсенид галлия, арсенид гал­лия – фосфид галлия и др.

Для получения гетеропереходов с минимальным числом де­фектов на границе раздела кристаллическая решетка одного по­лупроводника должна с минимальными нарушениями переходить в кристаллическую решетку другого. В связи с этим полупроводники, используемые для создания гетеропереходов, должны иметь идентичные кристаллические структуры и близкие значе­ния постоянной решетки. Гетеропереходы, образованные полу­проводниками с различной шириной запрещенной зоны, возмож­ны не только как переходы между полупроводниками р- и n-типа, но также и между полупроводниками с одним типом электропро­водности: р⁺-р или п⁺-п.

Рассмотрим энергетическую (зонную) диаграмму гетероперехода между полупроводником n-типа с широкой запрещенной зоной и полупроводником р-типа с узкой запрещенной зоной (рис. 3.31). На рис. 3.31,а показаны энергетические диаграммы исходных полу­проводников. За начало отсчета энергии (нуль) принята энергия электрона, находящегося в вакууме. Величины А₁ и A₂ обозначают термодинамические работы выхода электрона (от уровня Ферми), a и– истинные работы выхода из полупроводника в вакуум, на­зываемые электронным сродством полупроводников (от границы зоны проводимости).

При создании контакта между двумя полупроводниками уровни Ферми совмещаются (выравниваются). Это должно (в отличие от энергетической диаграммы гомоперехода) привести к появлению разрывов в зоне проводимости и в валентной зоне, как пока­зано на рис. 3.31,б. В зоне проводимости величина разрыва обу­словлена разностью истинных работ выхода электронов из р- иn-полупроводников:

(3.64)

а в валентной зоне кроме этого – еще и неравенством значений энергии . Поэтому потенциальные барьеры для электронов и ды­рок будут различными: потенциальный барьер для электронов в зо­не проводимости меньше, чем для дырок в валентной зоне.

При подаче прямого напряжения потенциальный барьер для электронов уменьшится и электроны из n-полупроводника инжек­тируются в р-полупроводник. Потенциальный барьер для дырок в р-области также уменьшится, но все же остается достаточно большим, так что инжекция дырок из р-области в n-область прак­тически отсутствует.

В гомопереходах отношение токов инжекции дырок и электронов можно изменить, только делая различными концентрации основных носителей в областях, т.е. различными концентрации примесей. Ес­ли концентрация акцепторов в р-области много больше концентра­ции доноров в n-области (N_а>>N_д), то и ток инжекции дырок I_р будет много больше тока инжекции электронов I_n (I_p>>I_n). Во многих при­борах, использующих р-n-переходы, например в биполярных тран­зисторах, требуется сильная асимметрия токов. Однако увеличению концентрации примесей (в нашем случае акцепторов) есть технологический предел, связанный с наличием предельной концентрации примесей, которую можно ввести в полупроводник («предельная растворимость»). Кроме того, с увеличением концентрации приме­сей одновременно появляется большое число дефектов, ухудшаю­щих параметры р-n-перехода.

Гетеропереходы позволяют исключить эти недостатки гомопе­рехода и получить практически одностороннюю инжекцию носите­лей заряда даже при одинаковых концентрациях примесей в облас­тях. Однако серьезной проблемой на пути реализации преимуществ гетеропереходов является наличие технологических трудностей со­здания бездефектной границы в гетеропереходах. О конкретных применениях и особенностях гетеропереходов будет сказано в соот­ветствующих разделах.

1Читатель, не желающий знакомиться с методом расчета, может сразу воспользоваться конечным уравнением ВАХ (3.40)