2.7. Гетеропереходы

Гетеропереходом (ГП) называется контакт полупроводников с разной шириной запрещенной зоны. ГП были внедрены в электронику после освоения технологий выращивания эпитаксиальных слоев из разных материалов. Одним из решающих факторов наращивания эпитаксиальных слоев является близость постоянных решетки для материалов с разной шириной запрещенной зоны. Это условие достаточно хорошо выполняется, прежде всего, среди соединений , поэтому системаявилась базовой для реализации всех основных практических применений ГП.

Среди соединений достаточно последовательно выполняется правило увеличения запрещенной зоны с уменьшением среднего атомного номера элемента. Одновременно с этим уменьшается величина химического сродства, т. е. работы выхода со дна зоны проводимости в вакуум. Именно поэтому в ГП дно зоны проводимости широкозонного материала оказывается выше дна зоны проводимости узкозонного материала, вся запрещенная зона которого вставлена внутрь запрещенной зоны широкозонного материала, как показано на рис. 19.

Энергетическая диаграмма ГП состоит из двух широких областей пространственного заряда, где энергии состояний определяются электростатическим потенциалом, т. е. решением уравнения Пуассона, и узкой центральной части, где соединяются две плоскости разных кристаллов, или, другими словами, одна центральная плоскость, которая принадлежит одновременно двум кристаллам. Ход потенциала в широких ОПЗ определяется точно так же, как в обычных кремниевых p-n-переходах. В зависимости от концентраций доноров и акцепторов зоны могут изгибаться и вверх и вниз. При внешнем напряжении, равном нулю, общий уровень Ферми соединяет глубины материалов, где положения уровня Ферми относительно краев зон определяются условиями электронейтральности.

Рис. 19. Энергетическая диаграмма гетероперехода

с изолированными областями

Энергетическая диаграмма ГП состоит из двух широких областей пространственного заряда, где энергии состояний определяются электростатическим потенциалом, т. е. решением уравнения Пуассона, и узкой центральной части, где соединяются две плоскости разных кристаллов, или, другими словами, одна центральная плоскость, которая принадлежит одновременно двум кристаллам. На рис. 20 представлена энергетическая диаграмма ГП n-AlAs/p-GaAs. В основе модели Р. Андерсона [7] лежит понятие химического сродства, т. е. работы выхода со дна зоны проводимости (ЗП) в вакуум. Этот энергетический зазор между вакуумом и дном ЗП является таким же параметром зонного спектра, как и ширина запрещенной зоны. Уровень вакуума, энергия свободного электрона, не имеет разрыва, а только изгибается вслед за электростатическим потенциалом так же, как и все остальные состояния зонной диаграммы. Поэтому

(2.2)

и вслед за (2.2) с очевидным условием

(2.3)

все энергетические состояния устанавливаются автоматически, если принять во внимание, что в твердых растворах все зонные параметры линейно зависят от доли широкозонного компонента.

Рис. 20. Энергетическая диаграмма гетероперехода

После 1990 г. большое распространение получил ГП . Дов твердом растворе сохраняется еще краемниевоподобная зонная структура с нижним минимумом в точке, близкой к точке. Окончательный вывод из литературных данных сводится, по-видимому, к тому, что величину''следует рассматривать как эмпирическую величину'' [7], т. е. она не может быть рассчитана из каких-то энергетических зазоров, а должна быть определена из опыта.

По соотношению (2.2)

(2.4)

Поскольку =[2], то вся разность запрещенных зон приходится на. Используя экспериментальные значенияииз [7] и соотношение (2.4) примет вид

, (2.5)

где - доля германия в твердом растворе.

Cитуация с ГП прямо противоположна случаю ГП, где, как казалось в начале 70 гг., [5], именно ВЗ почти не терпит разрыва, а вся разность запрещенных зон приходится на разрыв ЗП.

Добавление Ge в р-базу биполярного транзистора поднимает потолок ВЗ и тем самым затрудняет инжекцию дырок из базы в эмиттер. Доноры и акцепторы изменяют высоту барьеров, но не меняют разрывов зон, рис. 21.

Рис.21. Энергетическая диаграмма гетероперехода n-Si/p-GeSi