Гетеропереход. Зонная диаграмма. Основные типы гетероструктур.

Основным элементом гетероструктур различного типа является гетеропереход. Под гетеропереходом понимается контакт двух различных по химическому составу полупроводников, при котором кристаллическая решетка одного материала без нарушения периодичности переходит в решетку другого материала. 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:

I -идеальный гетеропереход;

II -неидеальный гетеропереход;

III -гетеропереход с промежуточным слоем.

Гетеропереходы разделяются на следующие три типа:

• I тип: запрещенная зона одного из композиционных материалов лежит внутри запрещенной зоны другого материала (). При условии высота потенциального барьера на интерфейсе A/B составляет для электронов и для дырок, где - энергетическое положение дна зоны проводимости и потолка валентной зоны в материале .

• II тип:

a: для гетероперехода A/B , . Для указанных пар и перекрываются (, , ).

b: запрещенные зоны не перекрываются и .

• III тип: один из слоёв гетероперехода A/B является бесщелевым(), то есть

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.

Для построения энергетической диаграммы часто применяют простое «правило электронного сродства» (в англоязычной литературе – правило Андерсона), 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 потенциала. Для построения энергетической диаграммы идеального гетероперехода должны быть известны следующие характеристики полупроводников:

-ширина запрещенной зоны (Eg1, Eg2). При построении считаем, что Eg2>Eg1;

-термодинамическая работа выхода (Ф1, Ф2) – расстояние от уровня Ферми(от уровня легирования материала) полупроводника до уровня вакуума.

-сродство к электрону (χ1, χ2) – расстояние от дна зоны проводимости до

уровня вакуума.

Полное изменение потенциальной энергии равно разности работ выхода, что обеспечивает неизменное положение уровня Ферми вдоль гетероперехода. До «приведения в контакт» двух полупроводников потенциальная энергия электронов в них разная из-за разной термодинамической работы выхода. При «соприкосновении» двух полупроводников, как и в случае обычного p-n-перехода, электроны начнут «переходить» из полупроводника с 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

ϕ0 = Ф2 −Ф1 (1)

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 ∆Ec. Он равен:

∆Ec = χ1 − χ 2 (2)

Аналогично формируется и разрыв валентной зоны. Он равен:

∆Ev = Eg − Eg − ∆Ec 2 (3)

Следует заметить, что разрывы зон могут быть как положительными так и отрицательными.