7.5. Гетеропереходы

Гетеропереход представляет собой контакт двух различных по своей природе полупроводников с различной шириной запрещенной зоны.

Примерами гетеропереходов могут быть переходы германийкремний, германий-арсенид галлия, и т.д. Для получения переходов с минимальным количеством дефектов на границе раздела кристаллическая решетка одного полупроводника должна с минимальными нарушениями переходить в кристаллическую решетку другого. В связи с этим полупроводникам следует иметь близкие значения постоянной решетки

иидентичные кристаллические структуры.

Вотличие от обычных p-n–переходов (гомопереходов), создаются как анизотипные p-n гетеропереходы, так и изотипные N-n или P-p переходы. У гетеропереходов часто большей буквой обозначают материал с большей шириной запрещенной зоны или ставят эту букву первой в сочетании (P-p, n-p). Рассмотрим энергетическую диаграмму гетероперехода между полупроводником p-типа с широкой запрещенной зоной и полупроводником n-типа с узкой запрещенной зоной (рис. 7.10). За начало

отсчета принята энергия электрона в вакууме E0. Величина А – истинная работа выхода электрона, называемая также сродством электрона. Она отсчитывается не от уровня Ферми, как термодинамическая работа выхода, а от дна зоны проводимости.

При создании контакта между полупроводниками в процессе установления термодинамического равновесия уровни Ферми выравнивают-

ся, а уровень E0 непрерывен и его разница равна θ0= χ2 - χ1, как и в случае гомоперехода. Но в энергетической диаграмме гетероперехода имеются отличия. Поток валентной зоны Ev претерпевает разрыв Ev (в данном контакте). Кроме того, в этом контакте зона проводимости имеет пик и яму на границе разрыва Ес.

Эта яма обычно заполнена электронами. Если ширина потенциального пика незначительна, то электроны могут преодолевать его туннелированием. Для разрывов дополнительно можно записать

Если в гомопереходе потенциальные барьеры для электронов и дырок имели одинаковую величину (χp – χn), то в гетеропереходе в силу

180

различия запрещенных зон это не так. В рассматриваемом контакте потенциальный барьер для электронов в зоне проводимости меньше, чем барьер для дырок в валентной зоне.

Рис. 7.10. Энергетическая диаграмма n-p гетероперехода: а – исходное состояние; б – контакт

При подаче прямого напряжения потенциальный барьер для электронов уменьшается, и электроны из n-области будут инжектироваться в p-область. Потенциальный барьер для дырок также уменьшится, однако останется достаточно большим, чтобы инжекции дырок практически не было.

Следует отметить, что в случае, когда широкозонным является не электронный, а дырочный полупроводник, потенциальный пик и яма образуются в валентной зоне, а Ec оказывается больше Ev т.е., инжекция осуществляется из дырочного полупроводника.

Общих методов расчета вольт-амперной характеристики гетероперехода не существует ввиду сложности механизма электропереноса, который существенно зависит от положения пика и ямы. Так, если пик расположен ниже Ec , то инжекция электронов происходит по диффузионному механизму, как в случае гомоперехода. Если же пик расположен выше Ec , то действует инжекционный механизм, как и в диоде Шоттки (п. 7. 2). В этом случае ВАХ записывается в виде

где b – коэффициент, учитывающий генерационно-рекомбинационные процессы; 1<b<2;

181

jнас – ток насыщения диода Шоттки; jпр – предельный ток эмиссии.

Реальные гетеропереходы имеют более сложные выражения для ВАХ.

Как уже отмечалось, существуют изотипные гетеропереходы. Поскольку и в этом случае запрещенные зоны различных полупроводников различны, вольт-амперная характеристика такой структуры оказывается нелинейной и может быть описана выражением (7.56).

Отличительной особенностью n-n–перехода является то, что в прямой проводимости участвуют только основные носители. Это значит, что при переключении полярности на переходе, в нем не будет происходить процесса рассасывания неосновных носителей, как в гомопереходах. Следовательно, время переключения высокоскоростных изотопных гетеропереходов может достигать 0,3 – 1 нс.

Преимущества гетеропереходов позволяют эффективно использовать их в различных областях электроники и микроэлектроники. Вот их краткое перечисление.

1.Эффект односторонней инжекции. В гетеропереходах за счет раз-

новысоких потенциальных барьеров для дырок и электронов всегда наблюдается преимущественная инжекция носителей из широкозонной области в

узкозонную. Так, в гетеропереходе n-кремний p-германий при комнатной температуре отношение Ip/In ≈ e-16, что практически равно нулю.

2.Эффект суперинжекции. В гетеропереходе инжекция носителей заряда может быть больше, чем обусловлено их концентрацией в эмиттере. Причиной эффекта является потенциальная яма в зоне проводимости (рис. 7.10) или валентной зоне, где накоплен заряд. Этот эффект оценивается отношениями

Величина этого отношения достигает 103.

3. Эффект электронного ограничения. Используют блокирующие

изотипные гетеропереходы, расположенные на очень малом расстоянии

182

от инжектируещего. Они препятствуют активному растеканию зарядов из области перехода. Ширина области уменьшается, что позволяет улучшить импульсные свойства перехода или уменьшить активную область в инжекционном полупроводниковом лазере.

4. Эффект широкозонного окна. Дает возможность вывести оптическое излучение из активной области лазера или светодиода через широкозонную область, поскольку излучение, созданное на переходе nν ≈ Eg, не поглощается в зоне, где Eg2 > Eg1.

Все эти и другие свойства гетеропереходов позволяют создавать современные электронные устройства.

За цикл работ по физике гетеропереходов и приборов на их основании академик РАН Ж. И. Алферов удостоен в 2000 г. Нобелевской премии.

7.6. Эффект Зеебека

Эффект Зеебека относится к термоэлектрическим явлениям.

Кэтой группе относятся также эффекты Пельтье и Томсона.

В1823 г. Т. Зеебек установил, что в цепи, состоящей из разнород-

ных проводящих материалов, возникает термоэлектрический ток, если контакты материалов имеют различную температуру. Если цепь разорвать в произвольном месте, то на концах разомкнутой цепи появ-

ляется разность потенциалов, называемая термоэлектродвижущей силой (термоЭДС). Зеебек доказал, что разность потенциалов в разомкнутой цепи dU зависит от разности температур и вида материала.

dU(α) принято считать положительной величиной, если потенциал горячего контакта выше, чем потенциал холодного.

Рассмотрим эффект на примере цепи, состоящей из двух разнородных материалов 1 и 2 (рис. 7.11).

183

Рис. 7.11. Эффект Зеебека: а – термоЭДС; б – термоток, Т2>T1

Существует три источника термоЭДС: образование направленного потока носителей в проводнике при наличии градиента температур (объемная составляющая – Uоб), изменение положения уровня Ферми в контакте при изменении температуры контакта (контактная составляющая – Uк) и увлечение электронов фононами.

Рассмотрим физическую природу каждого механизма.

Объемная составляющая термоЭДС. Представим, что на концах однородного проводника 1 возникает разность температур Т2-Т1, так что вдоль проводника от B к А существует градиент температуры (см. рис. 7.11). Носители тока, находящиеся в более нагретых областях, обладают большей скоростью и энергией, чем те, которые находятся в менее нагретых областях проводника. Поэтому в проводнике от горячего конца к холодному начинается перемещение зарядов. Если носителями заряда являются электроны, то холодный конец вследствие их избытка заряжается отрицательно, а горячий – положительно.

Приблизительную оценку этой составляющей термоЭДС можно провести следующим образом.

Электронный газ создает в проводнике давление Р, пропорциональное концентрации электронов n

где E – средняя энергия электронов.

Наличие градиента температуры вызывает перепад этого давления, для уравновешивания которого формируется поле с напряженностью Еоб.

184

В металлах и полупроводниках выражение (7.65) приводит к различным результатам.

ТермоЭДС в металлах. Подставляя среднюю энергию электронов Ē и энергию Ферми Еф в выражение (7.65), получим формулу для дифференциальной термоЭДС в металлах:

ô

Более строгий расчет приводит к несколько иной форме:

где r – показатель степени в зависимости ~ Er .

Из последнего выражения следует, что дифференциальный коэффициент термоЭДС растет с температурой. Поскольку kТ<<Eф, величина термоЭДС в металлах мала. Например, для серебра αμ ≈ 8∙10-6 В/К.

ТермоЭДС в полупроводниках. Ее объемная составляющая много больше, чем в металлах, поскольку там существует сильная зависимость концентрации носителей от температуры. Поэтому кроме процессов, характерных для металлов, в полупроводниках возникает диффузионный ток носителей из горячей области в холодную. На концах однородного полупроводника возникает объемная термоЭДС, которая в свою очередь формирует дрейфовый ток. В условиях термодинамического равновесия дрейфовый и диффузионный токи равны, т. е. для электрон-

Решение этого уравнения приводит к следующему выражению для

диффузионной объемной составляющей термоЭДС:

об e dT

186