Гетероструктуры в полупроводниках реферат
Обновлено: 05.07.2024
1. Введение………………………………………………………….
2. Гетероструктура……………………………………………………….
3. Светодиоды…………………………………………………………….
3.1 Принцип работы светодиода………………………………………
3.2 Органический светодиод………………………………………….
3.2.1 Принцип действия органического светодиода………………
3.2.2 Применение органического светодиода…………………….
4. Лазер ……………………………………………………………………..
4.1 Устройство лазера………………………………………………….
4.1.1 Источник энергии……………………………………………….
4.1.2 Рабочее тело…………………………………………………….
4.1.3 Оптический резонатор………………………………………….
4.2 Принцип действия лазера………………………………………….
4.3 Применение лазеров……………………………………………….
5. Полупроводниковый лазер……………………………………………
5.1 Принцип действия…………………………………………………..
5.2 Лазеры на двойной гетероструктуре…………………………….
5.3 Диод с квантовыми ямами…………………………………………
5.4 Гетероструктурные лазеры с раздельным удержанием………..
5.5 Применение полупроводникового лазера………………………..
6. Заключение…………………………………………………………….
7. Список используемых источников………………………………….
Вложенные файлы: 1 файл
Реферат.docx
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ
Кафедра автоматизированного электропривода
и промышленной электроники
«Светодиоды и лазеры
Выполнил: студент гр. АПЭ-08
Проверил: доц. Терехов Н.И.
3.1 Принцип работы светодиода………………………………… ……
3.2 Органический светодиод………………………………………….
3.2.1 Принцип действия органического светодиода………………
3.2.2 Применение органического светодиода…………………….
4.1.3 Оптический резонатор………………………………………….
4.2 Принцип действия лазера………………………………………….
5. Полупроводниковый лазер……………………………………………
5.2 Лазеры на двойной гетероструктуре…………………………….
5.3 Диод с квантовыми ямами…………………………………………
5.4 Гетероструктурные лазеры с раздельным удержанием………..
5.5 Применение полупроводникового лазера………………………..
7. Список используемых источников………………………………….
Современная наука наперегонки бежит с современными же технологиями. Обыватель зачастую не успевает удивляться техническим и технологическим чудесам, отмечая, что будущее уже наступило…
Например, всего чуть более ста лет прошло с момента изобретения первой лампы накаливания, достойной массового производства и применения. А сегодня ночные города сияют электрическими иллюминациями, одна краше другой. Устраиваются грандиозные лазерные представления. Этой красотой, как и возможностям искусственного освещения, мы обязаны достижениям науки в области создания электрических источников света, а также разработчикам и производителям. Сегодня наиболее перспективными разработками в этой области являются полупроводниковые светодиоды и лазеры, возможности которых далеко превосходят привычные источники света.
Гетероструктура — термин в физике полупроводников, обозначающий выращенную на подложке слоистую структуру из различных полупроводников, в общем случае отличающихся шириной запрещённой зоны. Между двумя различными материалами формируется гетеропереход, на котором возможна повышенная концентрация носителей, и отсюда — формирование вырожденного двумерного электронного газа. В отличие от гомоструктур обладает большей гибкостью в конструировании нужного потенциального профиля зоны проводимости и валентной зоны.
Для роста используют много методов, среди которых можно выделить два:
Молекулярно-лучевая эпитаксия и MOCVD.
Первый метод позволяет выращивать гетероструктуры с прецизионной точностью (с точностью до атомного монослоя). Второй же не отличается такой точностью, но по сравнению с первым методом обладает более высокой скоростью роста.
За развитие полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной оптоэлектроники Жорес Алферов получил Нобелевскую премию в 2000 году.
В рамках развития нанотехнологий в России ведётся активное развитие производств, связанных с гетероструктурами, а именно производство солнечных батарей, лазеров и светодиодов.
При пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).
Не все полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам (то есть таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), типа AIIIBV (например, GaAs или InP) и AIIBVI (например, ZnSe или CdTe). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS).
Диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников (например, кремния, германия или карбида кремния), свет практически не излучают. Впрочем, в связи с развитием кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светодиодов на основе кремния. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.
3.1 Принцип работы светодиода
Как и обычный диод, светодиод содержит кристаллы полупроводников, создающих p-n переход. Как и в обычном диоде, ток легко проходит в прямом направлении от анода к катоду и не проходит в обратном. Когда электроны встречаются с дырками, они теряют энергию, которая преобразуется в фотоны. Длина волны, на которой излучаются фотоны, зависит от материала, образующего p-n переход.
Изобретние светодиодов начиналось с изготовления структур на базе арсенида галлия, излучающих красный и инфракрасный свет. Нынешнее развитие полупроводниковых технологий позволяет получить видимый свет самых разных цветов.
3.2 Органический светодиод
Органический светодиод (англ. Organic Light-Emitting Diode (OLED) — органический светоизлучающий диод) — полупроводниковый прибор, изготовленный из органических соединений, который эффективно излучает свет, если пропустить через него электрический ток.
Основное применение технология OLED находит при создании устройств отображения информации (дисплеев). Предполагается, что производство таких дисплеев будет гораздо дешевле, нежели производство жидкокристаллических дисплеев.
3.2.1 Принцип действия органического светодиода
Для создания органических светодиодов (OLED) используются тонкопленочные многослойные структуры, состоящие из слоев нескольких полимеров. При подаче на анод положительного относительно катода напряжения, поток электронов протекает через прибор от катода к аноду. Таким образом катод отдает электроны в эмиссионный слой, а анод забирает электроны из проводящего слоя, или другими словами анод отдает дырки в проводящий слой. Эмиссионный слой получает отрицательный заряд, а проводящий слой положительный. Под действием электростатических сил электроны и дырки движутся навстречу друг к другу и при встрече рекомбинируют. Это происходит ближе к эмиссионному слою, потому что в органических полупроводниках дырки обладают большей подвижностью, чем электроны. При рекомбинации происходит понижение энергии электрона, которое сопровождается испусканием (эмиссией) электромагнитного излучения в области видимого света. Поэтому слой и называется эмиссионным.
Прибор не работает при подаче на анод отрицательного относительно катода напряжения. В этом случае дырки движутся к аноду, а электроны в противоположном направлении к катоду, и рекомбинации не происходит.
В качестве материала анода обычно используется оксид индия, легированный оловом. Он прозрачный для видимого света и имеет высокую работу выхода, которая способствует инжекции дырок в полимерный слой. Для изготовления катода часто используют металлы, такие как алюминий и кальций, так как они обладают низкой работой выхода, способствующей инжекции электронов в полимерный слой.
3.2.2 Применение органического светодиода
На сегодняшний день OLED-технология применяется многими разработчиками узкой направленности, например, для создания приборов ночного видения. Дисплеи OLED встраиваются в телефоны, цифровые камеры и другую технику, где не требуется большого полноцветного экрана. Такие дисплеи широко применяются в мобильных телефонах, GPS-навигаторах, для создания приборов ночного видения. Органические дисплеи встраиваются в телефоны, цифровые фотоаппараты, автомобильные бортовые компьютеры, коммерческие OLED-телевизоры, выпускаются небольшие OLED-дисплеи для цифровых индикаторов, лицевых панелей автомагнитол, MP3-плееров и т. д.
Также есть и мониторы на основе органики (Epson, Samsung — достигнут 40" предел).
Лазер (англ. laser, акроним от англ. light amplification by stimulated emission of radiation — усиление света посредством вынужденного излучения), оптический квантовый генератор — устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.
Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. В некоторых схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. Существует большое количество видов лазеров, использующих в качестве рабочей среды все агрегатные состояния вещества. Некоторые типы лазеров, например лазеры на растворах красителей или полихроматические твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот (мод оптического резонатора) в широком спектральном диапазоне. Габариты лазеров разнятся от микроскопических для ряда полупроводниковых лазеров до размеров футбольного поля для некоторых лазеров на неодимовом стекле. Уникальные свойства излучения лазеров позволили использовать их в различных отраслях науки и техники, а также в быту, начиная с чтения и записи компакт-дисков и заканчивая исследованиями в области управляемого термоядерного синтеза.
4.1 Устройство лазера
4.1.1 Источник энергии
Источник накачки подаёт энергию в систему. В его качестве могут выступать: электрический разрядник, импульсная лампа, дуговая лампа, другой лазер, химическая реакция, взрывчатое вещество.
Тип используемого устройства накачки напрямую зависит от используемого рабочего тела, а также определяет способ подвода энергии к системе. Например, гелий-неоновые лазеры используют электрические разряды в гелий-неоновой газовой смеси, а лазеры на основе алюмо-иттриевого граната с неодимовым легированием (Nd:YAG-лазеры) — сфокусированный свет ксеноновой импульсной лампы, эксимерные лазеры — энергию химических реакций.
Полупроводниковые гетероструктуры лежат в основе конструкций
современных транзисторов, приборов квантовой электроники, СВЧ-техники,
электронной техники для систем связи, телекоммуникаций, вычислительных
систем и светотехники [1].
Основным элементом гетероструктур различного типа является
гетеропереход.
Файлы: 1 файл
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕТЕРОПЕРЕХОДА.docx
Полупроводниковые гетероструктуры лежат в основе конструкций
современных транзисторов, приборов квантовой электроники, СВЧ-техники,
электронной техники для систем связи, телекоммуникаций, вычислительных
систем и светотехники [1].
Основным элементом гетероструктур различного типа является
Под гетеропереходом понимается контакт двух различных по
химическому составу полупроводников, при котором кристаллическая решетка
одного материала без нарушения периодичности переходит в решетку другого
Различают изотипные и анизотипные гетеропереходы. Если
гетеропереход образован двумя полупроводниками одного типа проводимости,
то говорят об изотипном гетеропереходе. Анизотипные гетеропереходы
образуются полупроводниками с разным типом проводимости.
Существует три модели гетероперехода:
-гетеропереход с промежуточным слоем.
В идеальном гетеропереходе, в отличие от неидеального, на границе
раздела материалов отсутствуют локальные энергетические состояния для
электронов. Гетеропереход с промежуточным слоем формируется через слой
конечной толщины и локальные энергетические состояния могут существовать
как в самом промежуточном слое, так и на границах его раздела.
В данном пособии рассматривается построение энергетической
диаграммы в модели идеального гетероперехода.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ДИАГРАММА ИДЕАЛЬНОГО
Для построения энергетической диаграммы часто применяют простое
Андерсона) [2], согласно которому разрыв зоны проводимости равен разности
электронного сродства двух материалов. Но следует иметь в виду, что данный
подход далеко не всегда справедлив, так как в разрыв зон зависят еще и от
деталей формирования связей на гетерогранице и деформационного
Для построения энергетической диаграммы идеального гетероперехода
должны быть известны следующие характеристики полупроводников:
-ширина запрещенной зоны (Eg1, Eg2). При построении считаем, что
-термодинамическая работа выхода (Ф1, Ф2)– расстояние от уровня
Ферми полупроводника до уровня вакуума. Следует учитывать, что
термодинамическая работа выхода зависит от положения уровня Ферми, то есть
от уровня легирования материала;
-сродство к электрону (χ1, χ2) – расстояние от дна зоны проводимости до
При построении диаграммы считаем, что
-ширина запрещенной зоны и внешняя работа выхода неизменны до
плоскости контакта, на которой они скачком изменяют свою величину;
-в приконтактном слое каждого из полупроводников происходит
изменение потенциальной энергии электрона. Полное изменение
потенциальной энергии равно разности работ выхода, что обеспечивает
неизменное положение уровня Ферми вдоль гетероперехода.
энергия электронов в них разная из-за разной термодинамической работы
меньшей работой выхода в полупроводник с большей. Это будет происходить
до тех пор, пока диффузионный ток не будет скомпенсирован дрейфовым
током носителей заряда под воздействием поля, созданным избыточными
носителями. При этом возникнет контактная разность потенциалов
и образуется область пространственного заряда шириной d (Рисунок 1).
При таком построении видно, что из-за различия электронного сродства
в контактирующих полупроводниках дно зоны проводимости первого
полупроводника выходит на плоскость контакта в точке, не совпадающей в
общем случае с точкой выхода на эту плоскость дна зоны проводимости
второго полупроводника – формируется разрыв зоны проводимости ΔEc. Он
1 2 ΔEc = χ − χ . (2)
Аналогично формируется и разрыв валентной зоны. Он равен:
ΔEv = Eg − Eg − ΔEc 2 1 . (3)
Следует заметить, что разрывы зон могут быть как положительными так
и отрицательными. Можно выделить следующие разновидности
1) охватывающий переход возникает, когда разрыв зоны проводимости
ΔEc и разрыв валентной зоны ΔEv положительны. Такой случай реализуется,
например, в гетеропереходе GaAs-AlGaAs. В литературе данный тип
гетероперехода называют гетеропереходом I типа, или стандартным.
2) в случае же, когда разрыв один из разрывов зон положителен, а
другой отрицателен говорят о переходе II типа, или ступенчатом. Данный
случай реализуется в гетеропереходе InP-In0,52Al0,48As.
3) также возможен вариант, когда запрещенные зоны вообще не
перекрываются по энергии. Данный гетеропереход называет гетеропереходом
III типа или разрывным гетеропереходом. Классический пример –
Экспериментально измеренные параметры основных типов
гетеропереходов изображены на рисунке 2.
Рисунок 1. Энергетические диаграммы полупроводников (а) и диаграмма идеального
гетероперехода (б) [3].
Для характеристики гетероперехода также применяют параметр,
называемый разрывом зоны проводимости, показывающий процент разрыва
зоны, приходящийся на зону проводимости.
2 1 ΔEg = Eg − Eg . (5)
Для построения энергетической диаграммы конкретного гетероперехода,
нужно вычислить контактную разность потенциалов φ0. Для этого необходимо
сначала рассчитать положение уровня Ферми в каждом из материалов
Для вычисления положения уровня Ферми относительно дна зоны
проводимости (μ=F-Ec) потребуется знать температуру, концентрацию
основных носителей и плотность состояний в зонах Nc и Nv.
Распределение поля и потенциала показано на рисунке 3.
Рисунок 3. Распределение поля и потенциала в резком анизотипном гетеропереходе [3].
Следует также принимать во внимание, что материалы гетеропары могут
иметь минимумы зоны проводимости в разных точках зоны Брюллиена. К
примеру, минимум зоны проводимости GaAs находится в точке Г, в то время
как наименьший минимум в AlAs близок к точке X. Таким образом, природа
низшего минимума зоны проводимости меняется при изменении доли Al в
твердом растворе AlxGa1-xAs (рисунок 4). Низший минимум в AlxGa1-xAs
изменяется от прямого расположения (минимум в Г) зон до непрямой зонной
структуры (минимум в Х) при содержании Al x≈0.45. Обычно твердый раствор
AlxGa1-xAs получают с долей Al, меньше 0.4, чтобы получить прямое
Рисунок 4. Расположение валентной зоны и зоны проводимости в AlxGa1-xAs [5].
Покажем простой способ построения энергетической диаграммы на
конкретном примере. Пусть требуется построить энергетическую диаграмму p-
GaAs - n-Al0.3Ga07As. Используя справочные данные (см. Таблица 1), находим
ширину запрещенной зоны и электронное сродство для материалов гетеропары.
При этом учитываем, что при х=0.3 минимум зоны проводимости твердого
раствора AlxGa1-xAs лежит в точке Г (см. рисунок 4). Для GaAs получаем
Eg1=1.424 эВ и χ1=4.07 эВ, а для Al0.3Ga0.7As – Eg2=1.798 эВ и χ2=3.74 эВ.
Построение зонной диаграммы разобьем на несколько этапов. Сначала
отдельно нарисуем зонные диаграммы для GaAs и Al0.2Ga0.8As в отсутствие
контакта. Относительно энергии электрона в вакууме их следует располагать,
используя определение электронного сродства.
Сразу можно вычислить разрыв зон проводимости. Разрыв зоны
ΔEc= χ2- χ1=4.07-3.74= 0.33 эВ
и разрыв валентной зоны:
В данном случае ΔEc>0, ΔEv>0, таким образом, этот гетеропереход
относится к гетеропереходу I типа - дно зоны проводимости Al0.3Ga0.7As лежит
выше дна зоны проводимости GaAs, а потолок валентной зоны Al0.3Ga0.7As
лежит ниже потолка валентной зоны GaAs (рисунок 5, а).
Далее нарисуем уровни Ферми в двух полупроводниках в соответствии с
уровнем легирования (рисунок 5, б). В данном примере считаем
полупроводники невырожденными и просто располагаем уровень ферми в
GaAs ближе к потолку валентной зоны, а в Al0.3Ga0.7As – ближе к дну зоны
проводимости. Проводим ряд вспомогательных линий, которые помогут
ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛАМ, ОБРАЗУЮЩИМ
Для того чтобы в кристаллической решетке двух материалов,
составляющих гетеропереход, не было дефектов, необходимо как минимум,
чтобы два материала имели одну и ту же кристаллическую структуру и близкие
периоды решеток. В этом случае структура получается без напряжений. Ясно,
что не все материалы могут быть использованы для создания гетероперехода.
На рисунке 1 представлены наиболее часто применяемыe материалы для
создания гетеропереходов. Руководствуясь приведенным рисунком, можно
квантовую яму с заданной формой потенциала.
Рисунок 6. График зависимости энергии запрещенной зоны при низкой температуре от
постоянной решетки для ряда полупроводников со структурой алмаза и цинковой обманки.
Затененные области объединяют группы полупроводников с близкими постоянными
решеток. Полупроводники, соединенные сплошными линиями, образуют между собой
стабильные твердые растворы. Отрицательное значение, приведенное для энергии
запрещенной зоны HgSe, является спорным. Штриховые линии указывают на непрямые
Введение
Гетероструктура — термин в физике полупроводников, обозначающий выращенную на подложке (термин, используемый в материаловедении для обозначения основного материала, поверхность которого подвергается различным видам обработки, в результате чего образуются слои с новыми свойствами или наращивается плёнка другогоматериала.) слоистую структуру из различных полупроводников, в общем случае отличающихся шириной запрещённой зоны (область значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном (бездефектном) кристалле). Между двумя различными материалами формируется гетеропереход (контакт двух различных полупроводников), на котором возможна повышенная концентрация носителей, и отсюда — формированиевырожденного двумерного электронного газа. В отличие от гомоструктур обладает большей гибкостью в конструировании нужного потенциального профиля зоны проводимости и валентной зоны.
Гетероструктура - полупроводниковая структура с несколькими гетеропереходами. Возможность изменять на границах гетеропереходов ширину запрещённой зоны Eg и диэлектрическую проницаемость e позволяет в гетероструктуре эффективноуправлять движением носителей заряда, их рекомбинацией, а также световыми потоками внутри гетороструктуры.
Рисунок. 1. Зонные диаграммы гетероструктуры типа N--р-P: а-в равновесии; б - при прямом смещении; Ef - уровень Ферми, Ef1,Ef2 квазиуровни Ферми
Электронное ограничение.
На рисунке 1, а показана зонная диаграмма гетероструктуры. Типа N-р-P (двойная гетероструктура, ДГ). Предполагается, чтотолщина d узкозонного р-слоя меньше диффузионной длины (L) неравновесных носителей. При прямом смещении (рис. 1, б) барьер в зоне проводимости на изотипном р-P-ГП ограничивает сквозной диффузионный ток электронов, инжектированных в р-слой, а барьер в валентной зоне на N-р-ГП - сквозной ток дырок (ограничение сквозного тока имеет место и в гетероструктурах типа N-п-P). В большинстве случаев, когдаразрывы в зонах ∆Ес и ∆Ес >>kT (T - температуpa кристалла), сквозным диффузионным током в двойной гетероструктуре можно пренебречь и в р-слое имеет место полное ограничение инжектированных носителей, то есть локализация неравновесных носителей зарядов в узкозонной части гетероструктуры, ограниченной более широкозонными полупроводниками. В этом случае плотность j тока прямого смещения определяется толькорекомбинацией носителей заряда в узкозонном (активном) слое:
J=e∆md/τ
Где ∆m - концентрация неравновесных носителей, инжектированных в активный слой, τ - их время жизни, е - элементарный заряд. Отсюда следует, что при одинаковой плотности тока в двойной гетероструктуре за счёт электронного ограничения концентрация неравновесных носителей ∆m в тонком р-слое в LId раз больше, чем в толстом.Оптическое ограничение (волноводный эффект).
Так как узкозонный слой имеет обычно больший показатель преломления n1>n2 (рисунок 2), то в нём имеет место волноводное распространение света, обусловленное полным внутренним отражением света на границах. Оно отчётливо проявляется, когда d≥w(w- длина волны света). Волноводный эффект может наблюдаться как при освещении гетероструктуры. извне, так и длясвета излучательной рекомбинации внутри узкозонного слоя. Последний случай наиболее важен в большинстве практических применений.
Рисунок 2. Волноводный эффект в двойной гетероструктуре n1- показатель преломления узкозонного слоя, n2- широкозонных слоев; E2(z) - зависимость интенсивности световой волны от координаты z.
Структура электромагнитных полей, соответствующих локализованным волнам(собственным модам оптического волновода), может быть найдена из решений уравнений Максвелла, если в полупроводниковых слоях гетероструктуры. известна функция n(z). Волноводные свойства гетероструктуры. могут изменяться под влиянием внешних воздействий, например, при возбуждении в узкозонном слое неравновесных носителей, так как в зависимости от их концентрации изменяется.
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Описание презентации по отдельным слайдам:
Гетероструктуры в полупроводниковой электронике
Вопросы к экзамену
Гетероструктуры в полупроводниковой электронике.
Полупроводниковые лазеры. Гетероструктуры в оптоэлектронике.
Классификация полупроводников и структур на их основе
Основной химический состав полупроводникового кристалла указывает химическая формула — символ элемента или формула соединения:Ge, Si, GaAs, SiC
Широко используются полупроводники на основе твердых растворов элементов или соединений. Состав твердого раствора определяют, указывая мольные доли компонентов.
Твердые растворы в системах кремний—германий — Siy Ge1-y, теллурид кадмия—теллурид ртути — Cdy Hg1-yТе,
арсенид алюминия—арсенид галлия — Aly Ga1-yAs
где у — мольная доля компонента в твердом растворе.
Химический состав полупроводника
Основной химический состав полупроводников на основе твердых растворов может изменяться с координатой.
Наряду с компонентами основного химического состава полупроводник может содержать примесь. При неоднородном легировании химический состав полупроводника также изменяется с координатой.
Таким образом, химический состав полупроводника может изменяться с координатой вследствие изменения как основного химического состава, так и содержания примеси.
До тех пор пока изменение состава с координатой происходит плавно, сохраняется локальная связь между химическим составом и свойствами полупроводника.
Классификация полупроводников с изменяющимся по координате химическим составом и полупроводниковых структур
Полупроводниковый образец, содержащий область с большим градиентом химического состава, называют структурой.
В структуре связь между химическим составом и свойствами полупроводника становится нелокальной, например концентрация носителей тока не соответствует локальному cоставу полупроводника
Полупроводниковые структуры
Гомоструктуpa — образец (полупроводник), в котором область с большим градиентом химического состава сформирована изменением концентрации примеси.
Гетероструктура — образец, в котором область с большим градиентом химического состава сформирована изменением основного химического состава.
Область гетероструктуры, в которой нарушена электронейтральность, называют гетеропереходом.
Явление сверхинжекции
Позволяет улучшить параметры транзисторов.
При инжекции через р—n-переход носители преодолевают хотя и пониженный за счет прямого смещения, но все же конечный барьер V.
При этом концентрация инжектированных носителей всегда меньше, чем уровень легирования области, откуда идет инжекция (для невырожденных электронов в exp(V/ kT) раз).
При использовании гетероперехода и инжекции носителей из широкозонного полупроводника в узкозонный, соответствующее отношение концентраций в соседних областях равно
exp[(V- Ei)/kT\, где Ei — разрыв в соответствующей зоне.
Эффективность инжекции повышается в ехр(Ei / kT ) раз
Применение гетероструктур в электронике
Высококачественные гетеропереходы в настоящее время изготавливаются в основном на базе соединений АзВ5 (GaAs)
Биполярные гетеротранзисторы (НВТ), использующие SiGe в качестве базовой области - малошумящие усилители и усилители мощности.
Объединение НВТ на SiGe со стандартными КМОП и БиКМОП структурами - ИС обработки аналогового и смешанного сигналов для использования в радиопромышленности и связи
Использование деформированного SiGe в КМОП приборах повышает быстродействие p – канальных МОП структур почти на 20%.
Объединение сжатой SiGe пленки с кремнием под растягивающим напряжением с углубленным истоковым слоем n – или p – типа увеличивает эффективную подвижность в 4 раза.
Тонкопленочный МОП транзистор с каналом на основе SiGe гетероструктуры
поперечное сечение энергетическая зонная диаграмма.
SiGe ИС на рынке средств связи
Изделия на SiGe
Радио-, телекоммуникационное оборудование, средства сетевой передачи данных
Усилители мощности, малошумящие НВТ, делители частоты
ИС для беспроводных средств связи
ИС для беспроводных высокоскоростных сетей
БиКМОП ИС для средств радиосвязи
Спутниковые телекоммуникационные ИС
ИС для аппаратуры автоматического контроля
БиКМОП ИС для базовых станций третьего поколения
ИС для GPS приемников
Гетеропереходные биполярные транзисторы на основе GaAs
Известные преимущества
GaAs имеет более высокие значения предельной скорости и подвижности носителей, чем в кремнии
Полевые транзисторы на GaAs отличаются очень низкими шумами по сравнению с кремниевыми транзисторами
Использование GaAs является главным технологическим решением для коммерческих и военных применений в диапазоне от сотен МГц до миллиметровых длин волн
InGaP/GaAs HBT
InGaP/GaAs обладает большей разницей в ширине запрещенной зоны и большей надежностью, чем структуры с AlGaAs эмиттером
Зонная диаграмма
Зонная диаграмма в области эмиттера
Мольная доля In 0.49
Результаты моделирования
Температура решетки при Ib =0.8 мА, Vce =5В
Граничная и максимальная частота при Vce =2В
Основная область использования гетероструктур - оптоэлектроника
Полупроводниковые лазеры
Волноводы
Приемники излучения
В оптоэлектронных приборах основные процессы протекают с участием квантов света – фотонов. Оптоэлектронные приборы делят на три группы:
Приборы, преобразующие электрическую энергию в оптическое излучение (светодиоды, полупроводниковые лазеры)
Приборы, детектирующие оптические сигналы за счет протекающих под действием света электронных процессов (фотодетекторы)
Приборы, осуществляющие преобразование оптического излучения в электрическую энергию (солнечные батареи)
Преобразование электрической энергии в оптическое излучение
Светодиоды и полупроводниковые лазеры принадлежат к классу люминесцентных приборов.
Люминесценция – оптическое излучение, возникающее в результате электронного возбуждения материала
Полупроводниковые лазеры испускают излучение, когерентное в пространстве и во времени ( луч строго направленный и высокомонохроматичный).
Типы взаимодействия между фотонами и электронами в твердом теле:
Поглощение. Фотон может поглотиться в результате перехода электрона из заполненного состояния валентной зоны в свободное состояние зоны проводимости
Стимулированное излучение. Фотон может стимулировать излучение подобного себе фотона, вызывая переход электрона из заполненного состояния в зоне проводимости в свободное состояние валентной зоны
Спонтанная эмиссия.Фотон может испускаться в результате спонтанных обратных переходов электронов из зоны проводимости на свободные состояния в валентной зоне
Модель основных процессов в полупроводниковом лазере
Поглощение
Спонтанное излучение
Стимулированное излучение
Столкновение фотона с атомом, находящимся в возбужденном состоянии, приводит к переходу атома в основное состояние с испусканием фотона с энергией и фазой, как у падающего излучения
Основная структура полупроводникового лазера с p-n переходом в виде резонатора Фабри - Перо
При увеличении смещения на лазерном p-n переходе достигаются условия для перехода от спонтанного излучения к стимулированному.
Гетероструктуры позволяют за счет эффекта сверхинжекции достичь требуемого уровня инверсной заселенности зоны проводимости при меньших токах через p-n переход
Полупроводниковые лазеры на гетероструктурах
а – гомоструктура (p-n переход); б – структура с одним гетеропереходом; в – структура с двумя гетеропереходами
Волноводный эффект
В структуре с двумя гетеропереходами носители сосредоточены внутри активной области, ограниченной потенциальными барьерами.
Излучение ограничено той же областью из-за соответствующих показателей преломления.
Если показатель преломления активной области больше показателей преломления окружающих областей, то излучение распространяется в направлении, параллельном границам раздела слоев.
Фотодетекторы
Фотодектирование основано на эффектах фотоэмиссии и фотопроводимости
Фотоэмиссия – испускание электронов катодом из фоточувствительного материала (металлы Li, Na, K) под действием света, улавливаемых анодом
Эффект фотопроводимости позволяет использовать изменения в сопротивлении фоточувствительного материала для определения начальной энергии кванта света
Приемники излучения
Использование гетероструктур позволяет менять ширину запрещенной зоны, обеспечивая требуемый спектр чувствительности, и создавать эффект окна.
Пусть гетеропереход освещается со стороны широкозонного материала. Если энергия светового кванта лежит в диапазоне между ширинами запрещенной зоны узко- и широкозонного материалов, то свет проходит черех широкозонный слой без поглощения.
Образование электронно-дырочных пар происходит в узкозонном материале в глубине прибора.
Эффектом поверхностной рекомбинации можно пренебречь.
Сканирующий лазерный отжиг
Температура при сканирующем лазерном отжиге в различные моменты времени: (a) t = 0 с,
(b) t = 0.1 мс, (c) t = 0.2 мс, (d) t = 0.3 мс.
Читайте также: