ОСНОВИ НАПІВПРОВІДНИКОВОЇ ОСНОВИ НАПІВПРОВІДНИКОВОЇ ЕЛЕКТРОНІКИЕЛЕКТРОНІКИ

Лекція 0Лекція 055

ГетеропереходиГетеропереходи

Анатолій Євтух Анатолій Євтух

Інститут високих технологій Інститут високих технологій Київського національного університету імені Тараса ШевченкаКиївського національного університету імені Тараса Шевченка

ГетероперехідГетероперехідГетероперехідГетероперехід – перехід утворений між двома різними напівпровідниками. – перехід утворений між двома різними напівпровідниками. Якщо напівпровідники мають однаковий тип провідності – Якщо напівпровідники мають однаковий тип провідності – ізотипний гетероперехід.ізотипний гетероперехід.Якщо напівпровідники мають різний тип провідності – Якщо напівпровідники мають різний тип провідності – анізотипний гетероперехід.анізотипний гетероперехід.Ідеальний різкий гетероперехід без пасток на границі розділу (Андерсон).Ідеальний різкий гетероперехід без пасток на границі розділу (Андерсон).

Зонні діаграми двох ізольованих напівпровідників при умові електронейтральності (а) і ідеального анізотипного p-n - гетероперходу при тепловій рівновазі (б).

Рівноважні діаграми Рівноважні діаграми енергетичних зон до енергетичних зон до (а) і після (б) (а) і після (б) утворення різкого утворення різкого p-n p-n гетеропереходу.гетеропереходу.

Ширина збідненого шару в кожному напівпровіднику і барШирина збідненого шару в кожному напівпровіднику і бар’’єрна ємність єрна ємність знаходиться з рішення рівняння Пуасона для різкого переходу з кожної знаходиться з рішення рівняння Пуасона для різкого переходу з кожної сторони границі розділу.сторони границі розділу.

Одна з граничних умов – неперервність електричної індукції на границі Одна з граничних умов – неперервність електричної індукції на границі розділурозділу

2211

.21 bbbi VVV Повний контактний потенціал

.])(

)(2[ 2/1

22111

2121

ADD

biA

NNqN

VVNx

.])(

)(2[ 2/1

22112

2112

ADA

biD

NNqN

VVNx

.]))((2

[ 2/1

2211

2121

VVNN

NqNC

biAD

AD

Відношення напруг на кожному напівпровіднику

.11

22

22

11

D

A

b

b

N

N

VV

VV

.21 VVV

ВАХ гетеропереходівВАХ гетеропереходівДифузійна модель АндерсонаДифузійна модель Андерсона

Струм термоелектронної емісії.Струм термоелектронної емісії.

)].exp())[exp(exp( 1222*

kT

qV

kT

qV

kT

qVTAJ

].1))[exp(1(0 kT

qV

V

VJJ

bi

).exp(*

0 kT

qV

k

TVqAJ bibi

Обернений струм не має насичення, а при великих значеннях V лінійно зростає з напругою.

В прямому напрямі залежність J від qV/kT можна апроксимувати експоненційною функцією

).exp(nkT

qVJ

Зонні діаграми ідеального ізотопного n-n - гетеропереходу (а), а також ідеальних p-n (б) і p-p – гетеропереходів (в).

Діаграма енергетичних зон різкого Діаграма енергетичних зон різкого p-n p-n гетеропереходу при прямому гетеропереходу при прямому зміщенні (пунктирні лінії); неперервні лінії відповідають нульовому зміщенні (пунктирні лінії); неперервні лінії відповідають нульовому зміщенню.зміщенню.

Емісійна модель різкого Емісійна модель різкого p-n p-n гетеропереходугетеропереходу

Переніс заряду здійснюється в основному електронами, при Переніс заряду здійснюється в основному електронами, при розрахунку ВАХ враховуються накоплення неосновних носіїв заряду розрахунку ВАХ враховуються накоплення неосновних носіїв заряду на краях збідненої області і вплив потенціального барєру (у виді на краях збідненої області і вплив потенціального барєру (у виді “пічка” на “пічка” на n-n- стороні гетеропереходу ) на проходження струму. стороні гетеропереходу ) на проходження струму.

].1)[exp(

kT

qV

II

III

ds

ds .1

11

n

nds

DqSNI

Якщо Is<<Id, то повний струм дорівнює величині струму в моделі Шоклі для гомопереходу.

].1)[exp( kT

qVII s

Якщо Is>>Id, то повний струм співпадає зі струмом розрахованим в діод ній емісійній моделі Шоткі.

]1)[exp( kT

qVII d

Емісійно-рекомбінаційна модель Емісійно-рекомбінаційна модель p-n p-n гетеропереходугетеропереходу

Допускається, що на границі розділу знаходиться тонкий шар Допускається, що на границі розділу знаходиться тонкий шар дефектної кристалічної гратки з великою швидкістю рекомбінації, а дефектної кристалічної гратки з великою швидкістю рекомбінації, а носії заряду досягають границі розділу за допомогою термічної носії заряду досягають границі розділу за допомогою термічної емісії через відповідні баремісії через відповідні бар’’єри.єри.

].1)[exp(0 kT

qVII

).exp(0 kT

qVBI K

.21

Схема емісійно-рекомбінаційної моделі p-n гетеропереходу.

Тунельна модель різкого Тунельна модель різкого p-n p-n гетеропереходугетеропереходу

Потенціальний барєр у виді пічка в широкозонному Потенціальний барєр у виді пічка в широкозонному напівпровіднику напівпровіднику n n типу електрони можуть подолати або типу електрони можуть подолати або термічною емісією через бартермічною емісією через бар’’єр, або тунелюванням крізь нього.єр, або тунелюванням крізь нього.

2

1

*

}.])([2

2exp{x

x

bn dxqaVxWm

T

Якщо тунелювання через барєр є домінуючим механізмом протікання струму, то загальний вираз ВАХ при прямому зміщенні має вид

).exp()(0V

VTII s

Тунельно-рекомбінаційна модель Тунельно-рекомбінаційна модель різкого різкого p-n p-n гетеропереходугетеропереходу

Допускається, що відбувається Допускається, що відбувається тунелювання електронів із зони тунелювання електронів із зони провідності широкозонного провідності широкозонного напівпровідника на незайняті напівпровідника на незайняті локальні центри в забороненій локальні центри в забороненій зоні вузькозонного матеріалу зоні вузькозонного матеріалу p-p- типу з наступною типу з наступною рекомбінацією з діркою.рекомбінацією з діркою. Можливі і ступінчаті тунельно-Можливі і ступінчаті тунельно-рекомбінаційні процеси.рекомбінаційні процеси.

Діаграма енергетичних зон різкого p-n гетеропереходу при прямому (а) і оберненому (б) зміщенні, яка ілюструє тунелювання електронів.

Різкі ізотипні гетеропереходиРізкі ізотипні гетеропереходи

В ізотипних гетеропереходах В ізотипних гетеропереходах типу типу n-n n-n і і p-pp-p вклад неосновних вклад неосновних носіїв заряду в електричний носіїв заряду в електричний струм знехтувано малий. струм знехтувано малий. Ізотипні гетеропереходи Ізотипні гетеропереходи відносяться до пристроїв з відносяться до пристроїв з основними носіями заряду.основними носіями заряду.

Рівноважна діаграма енергетичних зон різкого n-n гетеропереходу.

«Пічок» і «провал» обумовлені вибраними параметрами напівпровідників, які контактують: 1>2 і Eg1<Eg2 (Wg1<Wg2).

На відміну від анізотропних гетеропереходів, збіднений шар утворюється лише з боку широкозонного напівпровідника, а з боку вузькозонного напівпровідника збагачений шар, товщина якого менша шару збіднення. В зв’язку з цим прикладена напруга падає в основному на широкозонному напівпровіднику

}.]1)[exp({ 11

22

112 k

k

d

dk V

kT

qV

q

kT

N

NV

Ємність перехідної області.

222

k

dnn V

qSNC

12 kk VV

Для різких n-n переходів Андерсон отримав наступний вид ВАХ:

].1))[exp(exp( 12 kT

qV

kT

qVBI kk .

2 *2n

d m

kTqSNB

- коефіцієнт пропускання електронів через поверхню розділу; mn*-ефективна маса

електронів в широкозонному напівпровіднику.

Ізотипний гетероперехід вважається зміщеним в прямому напрямку, якщо прикладена напруга зменшує контактну різницю потенціалів.

Прилади на гетеропереходахПрилади на гетеропереходах

Варізонна структура. а- зміна складу вздовж структури; б- рівноважна зонна діаграма; в- зонна діаграма при прямому зміщенні.

Зонні діаграми для надградок з шарами GaAs і Al0.3Ga0.7As, що чергуються і для почергово легованої надградки.

Температурна залежність рухливості в GaAs і в почергово легованій надградці.

Дякую за увагу!Дякую за увагу!