Гетеропереход - контакт двух различных по хим. составу полупроводников. Г. может быть образован
между двумя монокристаллич. или аморфными полупроводниками, между монокристаллич.
и аморфным полупроводниками, однако наиб. практич. значение имеют Г., образованные
монокристаллами. На границе Г. происходит изменение свойств полупроводникового
материала: структуры энергетич. зон, ширины запрещённой зоны 
,
эффективных масс носителей заряда, их подвижности и т. д. Г. наз. изотипным,
если он образован полупроводниками с одинаковым типом проводимости, и анизотипным,
если проводимость разного типа. Одними из первых были получены и исследовались
Г. Ge-GaAs.
Для получения идеальных
монокристаллич. Г. (без дефектов решётки и поверхностных состояний на
границе раздела) необходимо, чтобы у полупроводников совпадали
типы кристаллических решёток, их периоды (изопериодичность) и коэф. термич.
расширения. Практически важны Г., близкие к идеальным. Для их получения периоды
решёток а должны совпадать с точностью ~0,1%. Пример идеального Г.: GaAs
- твёрдый раствор AlxGa1-xAs. B зависимости от способа
получения Г. толщина l переходной области между двумя однородными полупроводниками
может варьироваться в широких пределах, в наиб. резких Г. l~20 
(4-5 атомных слоев).
Зонная диаграмма описывает
большинство электрич., оптич. и др. свойств Г. Для её построения необходимо
знать ширины запрещённых зон 
,
работы выхода Ф, электронное сродство
и
диэлектрическую проницаемость 
для обоих полупроводников. Рассмотрим, напр., зонную диаграмму идеального
резкого анизотипного п-P- Г. (заглавная буква здесь и дальше обозначает
более широкозонный полупроводник, имеется в виду ширина запрещённой зоны). При
приведении полупроводников (рис. 1, а)в контакт в системе устанавливается
термодинамич. равновесие (рис. 1, б), к-рое характеризуется единым ферми-уровнем 
для обоих полупроводников
и наличием контактной разности потенциалов 
(е - элементарный заряд) и электрич. поля E в приконтактной области.
Рис. 1. Построение зонной
диаграммы идеального резкого n- Р-гетероперехода: а - зонные
диаграммы двух изолированных проводников, 
-
дно зоны проводимости, 
- потолок валентной зоны, 
-
уровень Ферми (энергии отсчитываются от энергии 
в вакууме вблизи поверхности полупроводника); б- зонная диаграмма n
-Р-гетероперехода.
В идеально резком Г. контактный
потенциал V (z) и энергия электрона вблизи поверхности образца 
- непрерывные функции координаты z, нормальной к границе Г., причём 
.
Поэтому непрерывна и нормальная составляющая вектора электрич. индукции 
, где E1 и E2 - нормальные составляющие
электрич. поля в полупроводниках вблизи границы раздела. Отсюда следует, что
на границе резкого Г. при 
нормальная составляющая электрич. поля E (z)имеет разрыв, а т. к. 
,
то V(z) и 
имеют
излом. Предполагается, что величины 
и 
обоих полупроводников
постоянны вплоть до границы раздела. T. к. 
непрерывна, то при
на границе Г. имеют место разрывы: 
,
. функция V(z) находится из решения Пуассона уравнения. В случае невырожденного
n-P-Г. из этих решений следует, что V1 и V2, приходящиеся
на полупроводники п- и Р-типов, связаны соотношением
где NД1
и NA2 - концентрации доноров и акцепторов в полупроводниках
1 и 2. Из (1) следует, что при небольшом различии
изменение потенциала V(z) происходит гл. обр. в слаболегир. полупроводнике.
Для невырожденного n-N-Г. (рис. 2) величины V1 и V2 связаны
неравенством:
откуда видно, что даже
при 
, т. е.
изменение V (z)происходит в широкозонном полупроводнике.
Разрывы зон 
- наиб. характерная особенность зонных диаграмм идеальных резких Г. Однако реальный
Г. не является абсолютно резким, т. е. существует переходная область, в пределах
к-рой происходит изменение хим. состава вещества. В пределах этой области 
непрерывно изменяются от 
,
до 
и разрывы
в зонах отсутствуют. Заметное "размывание" пичков, характерных для
зонной диаграммы резкого Г., происходит, когда толщина переходной области 
, где NП - концентрация легирующей
примеси в переходной области. При 
Г. наз. плавным (рис.
3). В плавном изотипном Г. при 
(lD - дебаевская длина
экранирования) в области Г. практически не образуется
объёмного заряда (рис. 3, а), переходная область представляет собой кристалл
с переменной 
(варизонный полупроводник). На рис. 3, б показана зонная диаграмма плавного
анизотипного Г.
Рис. 2. Зонная диаграмма
идеального резкого п - N-гетероперехода.
Рис. 3. Зонные диаграммы
плавных гетеропереходов: а - изотипного; о - анизотипного; стрелкой показана
сила, действующая в варизонном полупроводнике на неосновные носители заряда.
Свойства Г. и их зонные
диаграммы сильно зависят от "резкости" и положения перехода "по
легированию" относительно перехода по хим. составу (на рис. 1, б
и 2 оба перехода резкие и их положения совпадают в пространстве).
Механизмы протекания
тока. В резком Г. благодаря разрывам 
и 
высоты потенц.
барьеров для электронов и дырок разные. При т. н. прямом смещении (см. р-n-переход)
на резком анизотипном Г. потоки носителей из узкозонного полупроводника в широкозонный
и обратно различны и токи инжектир. электронов и дырок отличаются на множитель,
пропорц. 
. Поэтому
в Г. обычно происходит односторонняя инжекция носителей из широкозонного полупроводника
(эмиттера) в узкозонный (рис. 4, а).
При нек-ром значении напряжения
плотность инжектированных в узкозонный полупроводник носителей превысит плотность
равновесных носителей в широкозонном эмиттере (сверхинжекция). При этом максимально
достижимая концентрация инжектир. носителей:
где NA, NД
- концентрации акцепторов и доноров в широкозонном эмиттере, L - длина
диффузии носителей. Впервые сверхинжекция наблюдалась в Г.
.
При прямом смещении на
резком анизотропном Г. инжектир. носители (дырки в случае n-P-T.)должны преодолеть потенц. барьеры (пички), возникающие из-за разрывов зон.
Механизмы протекания тока через эти барьеры, дополнительные по сравнению с р-n-переходом
(туннельный и термоинжекционный) зависят от величины смещения на Г., температуры,
а также от степени легирования полупроводников.
Рис. 4. Инжекция носителей
в гетеропереходе при прямом смещении: а - односторонняя инжекция дырок
в резком n-Р-гетеропереходе; б -в плавном n-P-гетеропереходе
в присутствии внутренних "тянущих" полей; 
- квазиуровни Ферми электронов и дырок.
В плавном Г. на неосновные
носители заряда действует внутр. электрич. поле Ei, возникающее
из-за изменения 
:
(рис. 3, а).
При прямом смещении
(рис. 4, б)в этом случае также происходит односторонняя инжекция дырок
в более узкозонную часть, причём за счёт "тянущих" внутр. полей
эффективная диффузионная длина инжектир. дырок будет больше, чем в однородном
кристалле с постоянной 
(в варизонном полупроводнике при диффузии против поля Ei диффузионная
длина L уменьшается).
Излучательная рекомбинация.
В Г. на основе прямозонных полупроводников излучат. рекомбинация наблюдается
при оптич. возбуждении носителей, а также при инжекции неравновесных носителей
при прямом смещении на N-р- или р-N-Г. При оптич. возбуждении,
если энергия фотонов 
удовлетворяет условию
где eg1-
ширина запрещённой зоны узкозонного, 
- широкозонного полупроводников, то спектр излучения Г. совпадает со спектром
фотолюминесценции узкозонного полупроводника. При 
спектр состоит из полос люминесценции широкозонной и узкозонной частей. При
протекании прямого тока через анизотипный Г. спектр электролюминесценции зависит от сдвига между переходами по легированию и по хим. составу. При
их совпадении в пространстве имеет место односторонняя инжекция иеравновесных
носителей заряда в узкозонный полупроводник и в спектре доминирует его полоса
излучения: 
. При
смещении перехода по легированию на 
в узкозонную часть наблюдается полоса излучения в области hwyeg1.
. При смещении в широкозонную часть на расстояние 
наблюдаются 2 полосы: hw1yeg1. и hw2yeg2.
Фотоэффект в Г., как и
в р-n-переходе, возникает за счёт пространственного разделения в поле
объёмного заряда Г. возбуждённых светом носителей. При освещении поверхности
р-N-Г. или n-P-Г. со стороны широкозонного
полупроводника в узкозонном полупроводнике поглощаются фотоны с энергией, удовлетворяющей
(3) (рис. 5, а). Широкозонный полупроводник
служит в этом случае "окном", прозрачным для света, поглощаемого
в узкозонном слое, и защищает область генерации неравновесных электронно-дырочных
пар от рекомбинац. потерь на поверхности кристалла. Область спектральной чувствительности
фотоэффекта определяется формой потенц. барьеров на границе. В резких Г. барьеры,
возникающие из-за разрывов зон, препятствуют разделению носителей, возбуждаемых
светом при его поглощении в узкозонном полупроводнике (рис. 5, б). В плавных
Г. разрывы зон и пички на границах
отсутствуют, благодаря чему достигается постоянная спектральная чувствительность
в диапазоне 
:
Заключение. Особенности
зонных диаграмм Г. и связанные с ними односторонняя инжекция, сверхинжекция,
инжекция в тянущих полях делают Г. мощным средством управления потоками носителей
в полупроводниках. Благодаря этому электрич. характеристики транзисторов,
тиристоров и др. полупроводниковых приборов на основе Г. лучше, чем
у аналогичных приборов на основе р-n-переходов. Особенности излучат.
рекомбинации и вентильного фотоэффекта послужили основой для создания оптоэлектронных
приборов (гетеролазеров ,светодиодов, фотодетекторов и др.; см. Гетероструктура).
Рис. 5. Фотоэффект в плавном
гетеропереходе: а - зависимость фототока от энергии фотонов (пунктир
- длинноволновая граница спектральной чувствительности в случае резкого гетероперехода);
б- зонная диаграмма (пунктир - форма барьеров в резком гетеропереходе).
Ж. И. Алферов, С. А. Гуревич.
|
|
 |
