1.4. Гетеропереходы

 В отличие от p-n  - перехода, образованного измене­нием концентрации примесей в одном полупроводнико­вом материале (гомопереход), гетеропереходом называ­ют переход, образованный полупроводниками различной физико-химической природы. Примерами гетероперехо­дов могут быть переходы германий - кремний, герма­ний - арсенид галлия, арсенид галлия - фосфид гал­лия и т. д. Для получения гетеропереходов с мини­мальным количеством 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 гетероперехо­да, должны иметь близкие значения постоянной решет­ки и идентичные кристалли­ческие структуры. Наиболь­ший практический интерес представляют в настоящее время гетеропереходы, об­разованные полупроводни­ками с различной шириной запрещенной зоны, причем интересными свойствами для полупроводниковых приборов обладают не только гетеропереходы между полупроводниками p- и n-типа, но также и гетеропереходы между полупроводниками с одним типом проводимости: n-n или p-p. Рассмотрим энергетическую диаграмму гетеропере­хода, например между полупроводником n-типа с широ­кой запрещенной зоной и полупроводником р- типа с уз­кой запрещенной зоной (рис.1. 4).

рис.1.4. энерГетическая диа­Грамма дВух полупроВодникоВ р- и n-типа с различной шири­ной запрещенной зоны (а) и  p-n - Гетероперехода (б)

За начало отсчета (0) принята энергия электрона, находящегося в ваку­уме. Величина C?- истинная работа Выхода электрона из полупроВодника В Вакуум, А- термодинамическая рабо­та выхода.

При создании контакта между двумя полупроводни­ками уровни ферми выравниваются. Отличия от энерге­тической диаграммы p-n -перехода заключаются в наличии разрывов в зоне проводимости  _с  и в валент­ной зоне _v . В зоне проводимости величина разрыва обусловлена разностью истинных работ выхода элек­тронов из р- и n-полупроводников:

                     _с= C₁ - C₂

а в валентной зоне, кроме этого, еще и неравенством значений энергий e_v. 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 напря­женияв прямом направлении потенциальный барьер для электронов уменьшится, и электроны из n-полупроводника инжектируются в p-полупроводник. Потенци­альный барьер для дырок в p - области также уменьшит­ся, но все же останется достаточно большим для того, чтобы инжекции дырок из p- области в n - область прак­тически не было.

Работа многих полупроводниковых приборов (тран­зисторов, светодиодов и т. д.) связана с инжекцией но­сителей тока в одну из областей p-n -перехода, напри­мер, электронов из n-области в p-область. При этом инжекция дырок из p-области в n-область ухудшает параметры прибора. В гомопереходе величины токов инжекции определяются  как    и , что можно запи­сать так:

  

где n_ip и n_in —концентрации носителей в собственном полупроводнике для р- и n-области. снижение эффек­тивности инжекции можно характеризовать величиной

.

Для достижения лучших параметров прибора эта вели­чина должна быть минимальной. Так как в гомопереходе n_ip=n_in, то это достигается более сильным легиро­ванием примесями n-области относительно р-области (n _n>>p_р). Однако по этому пути нельзя идти бесконеч­но, так как, с одной стороны, существует предел рас­творимости примеси в полупроводнике и, с другой, при сильном легировании полупроводника в него одновре­менно с примесью вносится множество различных де­фектов, которые ухудшают параметры p-n - перехода. В этом напраВлении перспектиВным яВляется использо­Вание Гетероперехода.

     Если гетеро­переход образован полупроводниками с равным количе­ством примесей (n_n=p_p) и для простоты считать, что эффективные массы и другие параметры носителей за­ряда равны, то соотношение токов дырок и электронов через гетеропереход записывается следующим образом:                          

i_p/i_n=ехр [-(e_gn - e_gp)/kt]. 

При использоВании, например, n-кремния и р-германия e_gn- e_gр=0,4 эВ. так как комнатной температуры kt/q=0,025 В, то i_р/i_n=е^-16, что практически равно нулю, т. е. ток через гетеропере­ход состоит только из электронов, инжектированных из n-области в p-область. В гомопереходе при этих же услоВиях  i_р/i_n =1, т. е. токи электронов и дырок  равны.

Таким образом, гетеропереход позволяет осуществ­лять практически одностороннюю инжекцию носителей заряда. СущестВенно отметить, что односторонняя инжекция сохраняется и при увеличении тока через гете­ропереход, тогда как в гомопереходе она нарушается.

Гетеропереходы имеют и другие интересные для по­лупроводниковых приборов свойства, которые будут рассмотрены в последующих главах. Однако в настоя­щее время эти свойства полностью не реализованы в связи с технологическими трудностями создания без­дефектной границы в гетеропереходе.