Електронно-діркові гетеропереходи і їх відмінності від гомопереході

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Реферат

"Електронно-діркові гетеропереходи і їх відмінності від гомопереході"

Гетероперехід

Контакт двох різних за хімічним складом напівпровідників. На кордоні розділу ПП зазвичай змінюються ширина забороненої зони, рухливість носіїв заряду, їх ефективні маси та ін характеристики. У «різкому» Г. зміна св-в відбувається на відстані, порівнянній або меншому, ніж ширина області об'ємного заряду (див. електронно-діркових переходів). У залежності від легування обох сторін Р. можна створити р - n-Г. (Анізотіпние) і n-Г. чи р - р-Г. (Ізотіпние). Комбінації разл. Г. та монопереходов утворюють гетероструктури.

Освіта Г., яка потребує стикування крист. решіток, можливо лише при збігу типу, орієнтації і періоду крист. решіток зрощуються матеріалів. Крім того, в ідеальному Г. межа розділу повинна бути вільна від структурних та ін дефектів (дислокацій, точкових дефектів і т.п.), а також від механіч. напружень. Найбільш широко застосовуються монокрісталліч. Г. між напівпровідниковими матеріалами типу AIIIBV і їх твердими розчинами на основі арсеніду, фосфідів та антимонідів Ga і Al. Завдяки близькості ковалентних радіусів Ga і Al зміна хім. складу відбувається без зміни періоду решітки. Гетероструктури одержують на основі багатокомпонентних (четверні і більше) тв. розчинів, в яких при зміні складу в широких межах період грати не змінюється. Виготовлення монокріст. Г. та гетероструктур стало можливим завдяки розвитку методів епітаксійного нарощування ПП кристалів (див. Епітаксия).

Р. використовуються в разл. ПП приладах: ПП лазерах, світловипромінюючих діодах, фотоелементах, оптронах і т.д.

Гомопереході

На відміну від гетеропереходу - контакт двох областей з різними типами провідності або концентраціями легуючої домішки в одному і тому ж кристалі напівпровідника. Розрізняють p - n-переходи, в яких одна з двох контактуючих областей легована донорами, а інша - акцепторами (див. електронно-діркових переходів), n +-n-переходи (обидві області леговані донорной домішкою, але в разл. Ступеня) і p +-p-переходи (обидві області леговані акцепторної домішкою).

Гетероперехід. Основні властивості і характеристики

Розробками даної проблеми займався видатний радянський вчений Ж.І. Алфьоров. У 1961 р. він захистив кандидатську дисертацію, присвячену в основному розробці і дослідженню потужних германієвих і частково кремнієвих випрямлячів. Зауважимо, що в цих приладах, як і у всіх раніше створених напівпровідникових приладах, використовувалися унікальні фізичні властивості p-n-переходу - штучно створеного в напівпровідниковому монокристалі розподілу домішок, при якому в одній частині кристала носіями заряду є негативно заряджені електрони, а в іншій - позитивно заряджені квазічастинки, «дірки» (латинські n і p якраз і значать negative і positive). Оскільки різниться лише тип провідності, а речовина одне і те ж, p-n-перехід можна назвати гомопереході.

Завдяки p-n-переходу в кристалах вдалося здійснити інжекції електронів і дірок, а проста комбінація двох p-n-переходів дозволила реалізувати монокристалічні підсилювачі з хорошими параметрами - транзистори. Найбільшого поширення набули структури з одним p-n-переходом (діоди і фотоелементи), двома p-n-переходами (транзистори) і трьома p-n-переходами (тиристори). Весь подальший розвиток напівпровідникової електроніки йшло шляхом дослідження монокристалічних структур на основі германію, кремнію, напівпровідникових сполук типу А III B V (елементів III і V груп Періодичної системи Менделєєва). Поліпшення властивостей приладів йшло головним чином по шляху вдосконалення методів формування p-n-переходів і використання нових матеріалів. Заміна германію кремнієм дозволила підняти робочу температуру приладів і створити високовольтні діоди і тиристори. Успіхи в технології отримання арсеніду галію та інших оптичних напівпровідників привели до створення напівпровідникових лазерів, високоефективних джерел світла і фотоелементів. Комбінації діодів і транзисторів на одній монокристаллической кремнієвій підкладці стали основою інтегральних схем, на яких базувалося розвиток електронно-обчислювальної техніки. Мініатюрні, а потім і мікроелектронні прилади, що створюються в основному на кристалічному кремнії, буквально змели електровакуумні лампи, дозволивши зменшити в сотні і тисячі разів розміри пристроїв. Досить згадати старі ЕОМ, які займали величезні приміщення, і їх сучасний еквівалент ноутбук - комп'ютер, що нагадує маленький аташе-кейс, або «дипломат», як його називають в Росії.

Один з висновків кандидатської дисертації був такий, що p-n-перехід у гомогенному за складом напівпровіднику (гомоструктурою) не може забезпечити оптимальні параметри багатьох приладів. Стало ясно, що подальший прогрес пов'язаний зі створенням p-n-переходу на кордоні різних за хімічним складом напівпровідників (гетероструктурах).

Лазери на гомопереході були неефективні через високі оптичних та електричних втрат. Порогові струми були дуже високі, а генерація здійснювалася тільки при низьких температурах.

Незабаром були сформульовані загальні принципи управління електронними та світловими потоками в гетероструктурах.

Спочатку теорія розвивалася швидше, ніж практична реалізація пристроїв.

У той час існував загальний скептицизм з приводу створення «ідеального» гетеропереходу, тим більше з теоретично пророкувати інжекційними властивостями.

Отже, реалізація гетеропереходу відкривала можливість створення більш ефективних приладів для електроніки та зменшення розмірів пристроїв буквально до атомних масштабів.

Максимальний ефект очікувався при використанні гетеропереходів між напівпровідником, службовцям активною областю приладу, і більше широкозонних напівпровідників. Як найбільш перспективні в той час розглядалися системи GaP-GaAs і AlAs-GaAs. Для «сумісності» ці матеріали в першу чергу повинні були задовольняти найважливішого умові: мати близькі значення постійної кристалічної решітки.

Справа в тому, що численні спроби реалізувати гетероперехід були безуспішними: адже не тільки розміри елементарних комірок кристалічних граток напівпровідників, складових перехід, повинні практично збігатися, але і їх теплові, електричні, кристаллохимический властивості повинні бути близькими, як і їх кристалічні і зонні структури.

Таку гетеропару знайти не вдавалося. І ось за це, здавалося б, безнадійну справу взявся Ж.І. Алфьоров. Потрібний гетероперехід, як виявилося, можна було формувати шляхом епітаксійного вирощування, коли один монокристал (вірніше, його монокристалічних плівка) нарощувався на поверхні іншого монорісталла буквально пошарово - один монокристалічний шар за іншим. До нашого часу розроблено багато методів такого вирощування. Це і є ті самі високі технології, які забезпечують не тільки процвітання електронних фірм, але і безбідне існування цілих країн.

Спочатку була зроблена спроба створити подвійну гетероструктуру GaP 0,15 As 0,85-GaAs. І вона була вирощена методом газофазної епітаксії, а на ній був сформований лазер. Однак через невелику невідповідності постійних решітки він, як і лазери на гомопереході, міг працювати тільки при температурі рідкого азоту. Ж.І. Алфьорову стало ясно, що таким шляхом реалізувати потенційні переваги подвійних гетероструктур не вдасться.

Було виявлено що нестійкий сам по собі арсенід алюмінію абсолютно стійкий у потрійному поєднанні AlGaAs, так званому твердому розчині. Свідченням цього були давно вирощені шляхом охолодження з розплаву кристали цього твердого розчину, що зберігалися в одного з учених в столі вже кілька років. Приблизно так в 1967 р. була знайдена що стала тепер класичною в світі мікроелектроніки гетеропара GaAs-AlGaAs.

Вивчення фазових діаграм, кінетики зростання в цій системі, а також створення модифікованого методу рідиннофазної епітаксії, придатного для вирощування гетероструктур, незабаром привели до створення гетероструктури, узгодженої по параметру кристалічної решітки.

З цього моменту реалізація головних переваг гетероструктур пішла стрімко. Перш за все експериментально були підтверджені унікальні інжекційні властивості широкозонних емітерів і ефект суперінжекціі, продемонстровано стимульоване випромінювання в подвійних гетероструктурах, встановлена ​​зонна структура гетеропереходу Al x Ga 1 - x As, ретельно вивчені люмінесцентні властивості і дифузія носіїв у плавному гетеропереході, а також надзвичайно цікаві особливості протікання струму через гетероперехід, наприклад, діагональні тунельно-рекомбінаційні переходи безпосередньо між дірками з вузькозонних і електронами з ширококутного складових гетеропереходу.

Основні переваги гетероструктур були реалізовані

- У нізкопорогових лазерах на подвійних гетероструктурах, що працюють при кімнатній температурі;

- У високоефективних світлодіодах на одинарної і подвійної гетероструктурах;

- В сонячних елементах на гетероструктурах;

- В біполярних транзисторах на гетероструктурах;

- У тиристорних p-n-p-n гетероструктурах.

Якщо можливість управління типом провідності напівпровідника за допомогою легування різними домішками і ідея інжекції нерівноважних носіїв заряду були тими насінням, з яких виросла напівпровідникова електроніка, то гетероструктури давали можливість вирішити значно більш загальну проблему управління фундаментальними параметрами напівпровідникових кристалів і приладів, такими, як ширина забороненої зони , ефективні маси носіїв заряду та їх рухливості, показник заломлення, електронний енергетичний спектр і т.д.

Ідея напівпровідникових лазерів на p-n-переході, експериментальне спостереження ефективної випромінювальної рекомбінації в p-n-структурі на основі GaAs з можливістю стимульованого випромінювання і створення лазерів і світлодіодів на p-n-переходах були тими зернами, з яких почала зростати напівпровідникова оптоелектроніка .

Одним з перших дослідів успішного застосування гетероструктур в нашій країні стало використання сонячних батарей в космічних дослідженнях. Сонячні батареї на основі гетероструктур були створені Ж.І. Алфьоровим і співробітниками ще в 1970 р. Технологія була передана в НВО «Квант», і сонячні елементи на основі GaAlAs встановлювалися на багатьох вітчизняних супутниках. Коли американці опублікували свої перші роботи, радянські сонячні батареї вже літали на супутниках. Було розгорнуто їх промислове виробництво, а їх 15-річна експлуатація на станції «Мир» блискуче довела переваги цих структур у космосі. І хоча прогноз різкого зниження вартості одного вата електричної потужності на основі напівпровідникових сонячних батарей поки не виправдався, в космосі найефективнішим джерелом енергії донині безумовно є сонячні батареї на гетероструктуpax з'єднань A III B V.

Оптоелектроніка

Оптоелектроніка - це розділ електроніки, пов'язаний головним чином з вивченням ефектів взаємодії між електромагнітними хвилями оптичного діапазону і електронами речовини (переважно твердих тіл) і охоплює проблеми створення оптоелектронних приладів (в основному методами мікроелектронної технології), в яких ці ​​ефекти використовуються для генерації, передачі, зберігання і відображення інформації.

Технічну основу оптоелектроніки визначають конструктивно - технологічні концепції сучасної електроніки: мініатюризація елементів; переважне розвиток твердотільних площинних конструкцій; інтеграція елементів і функцій; орієнтація на спеціальні надчисті матеріали; застосування методів групової обробки виробів, таких як епітаксії, фотолітографія, нанесення тонких плівок, дифузія, іонна імплантація, плазмохімії та ін
Виключно важливі та перспективні для оптоелектроніки гетероструктури, в яких контактують (всередині єдиного монокристалу) напівпровідники з різними значеннями ширини забороненої зони.

Інжекційних лазерів

Інжекціоннний лазер являє собою напівпровідниковий двохелектродні прилад з pn-переходом (тому часто як рівноправний використовується термін «лазерний діод»), в якому генерація когерентного випромінювання пов'язана з інжекцією носіїв заряду при протіканні прямого струму через pn-перехід.

Різновиди інжекційних лазерів. Розглянуті теоретичні положення зумовлюють шляхи вдосконалення найпростішої структури лазера. Обстежено та реалізовані варіанти розташування шарів по товщині кристала. У гомогенному напівпровіднику pn-перехід як засіб електронного обмеження досить недосконалий: при високих рівнях накачування відбувається даремна інжекції вліво (через падіння коефіцієнта інжекції), обмеження праворуч досягається лише природним убуванням концентрації введених дірок

Всі ці недосконалості, які у кінцевому рахунку у високому значенні щільності порогового струму, зумовили безперспективність лазерів на однорідних напівпровідниках.

Широке промислове поширення набули тільки гетеролазери, загальними рисами яких є одностороння інжекція, чітко виражений хвилепровідий ефект, можливість суперінжекціі.

Воістину класичною стала подвійна (двостороння) гетероструктура (ПГС), в якій надтонка активна область «затиснута» між двома гетерогранице (рис. 4, б): саме вона дозволяє отримувати малі порогові густини струму і значні вихідні потужності. Чотирьох та п'яти шарова структури, що є вдосконаленою ДГС

Особливості інжекційних лазерів.

Інжекційні лазери мають ряд переваг, які виділяють їх серед випромінювачів і що обумовлюють домінуючу роль в оптоелектроніці.

  1. Мікромініатюрних: теоретична мінімальна довжина резонатора близька до 10 мкм, а площа його поперечного перерізу - до 1 мкм2 (обсяг активної області може досягати 10-12см3). Це можливо тому, що в напівпровідникових лазерах індуковані переходи пов'язані не з окремими дискретними рівнями, а з переходами зона - зона, тому й посилення в них найбільше (gd103 ... 104 см-1).

  2. Високий ККД перетворення енергії накачування у випромінювання, що наближається у кращих зразків до теоретичної межі. Це обумовлено тим, що лише при інжекційній накачуванні вдається виключити небажані втрати - вся енергія електричного струму переходить в енергію збуджених електронів.

  3. Зручність управління: низькі напруги і струми збудження, сумісні з інтегральними мікросхемами; можливість зміни потужності випромінювання без застосування зовнішніх модуляторів; робота як у безперервному, так і в імпульсному режимах із забезпеченням при цьому дуже високій швидкості перемикання (в пикосекундной діапазоні).

  4. Можливість генерації необхідної спектральної лінії, що забезпечується вибором або синтезом прямозонних напівпровідника з
    необхідної шириною забороненої зони; можливість одномодового режиму.

  5. Використання твердотільної мікроелектронної групової технології. Звідси висока відтворюваність параметрів, придатність для масового виробництва, низька вартість, довговічність.

  6. Працює з основним елементом мікроелектроніки - транзистором (по типу використовуваних матеріалів і за технологією обробки). Це відкриває принципову можливість створення інтегрованих лазерних випромінювачів.

Інжекційним лазерам притаманні і певні недоліки, до принципових можна віднести наступні:

  • невисока когерентність випромінювання (в порівнянні, наприклад, з газовими лазерами)

  • значна ширина спектральної лінії, велика кутова розбіжність, еліптичний астигматизм;

  • відносно мала генерується потужність (деякі оптоелектронні пристрої, наприклад голографічні ЗУ, вимагають лазери великої потужності);

  • суттєвість таких негативних явищ, як тимчасова деградація (особливо для короткохвильових лазерів), різке зменшення потужності випромінювання при підвищенні температури та під дією радіації.

Світлодіоди

Світлодіод є напівпровідниковий діод з pn - переходом, протікання струму через який викликає інтенсивне некогерентного випромінювання. Робота світлодіода заснована на спонтанної рекомбинационной люмінесценції надлишкових носіїв заряду, інжектіруемих в активну область (базу) світлодіода.

Як і у випадку лазерів найкращим сполученням параметрів мають гетеросветодіоди на основі гетероструктур, хоча специфіка генерації некогерентного випромінювання дозволяє широко використовувати і світлодіоди на основі однорідних напівпровідників.

Штучні квантові ящики

Штучні квантові ящики і сверхрешетки знаходять все більше застосування при розробці випромінювачів. У міру зменшення товщини активних зон лазерів і світлодіодів стають суттєвими квантові розмірні ефекти, тобто явища, в яких малі геометричні розміри розглянутих областей зобов'язують враховувати квантову природу вільних носіїв заряду.

Якщо товщину активної області подвійної гетероструктури зменшити до WdlБ (довжина хвилі де Бройля), то вільні електрони в цій області почнуть вести себе подібно двовимірним газу. Це означає, що в будь-який конкретний момент часу можуть бути зазначені лише дві координати електрона (y і z на рис. 6, б), тоді як по координаті x він «розмазаний» по всій товщині W. Така надтонка ДГС представляє собою квантову яму (або квантовий скринька), яка утримує двомірний електронний газ. Послідовне чергування великого числа таких ям утворює надгратку (рис. 6, в). У загальному випадку окремі ями в сверхрешетке не обов'язково повинні бути однаковими по глибині і ширині

Квантові ящики і сверхрешетки виготовляють шляхом послідовного епітаксійного вирощування надтонких (близько 10 нм) шарів напівпровідникових сполук різного складу.

Розмірне квантування породжує два основних фізичних ефекту:

  • зміна зонної діаграми, що виявляється у появі нових дозволених енергетичних станів для електронів; тим самим принципово може бути сформована зонна структура будь-якого виду;

  • зміна кінетики електронів, що виявляється в їх пробігу між гетерогранице без зіткнень (і без втрат енергії) з домішкових атомами, - така властивість хвилі Де Бройля, що розповсюджується в середовищі з періодично змінюються потенціалом; рухливість електронів виявляється такою ж, як у чистому напівпровіднику.

Технологічна особливість надграток полягає в тому, що внаслідок малості товщин сусідніх шарів стає суттєвим компенсаційна дію механічних напружень: практично Надрешітки, незважаючи на відмінність складу шарів, має одне загальне усереднене значення кристалографічної постійною. Можна припустити, що для випромінювачів ця обставина виявиться важливішим, ніж фізичні фактори.

З фізичних і технологічних особливостей надграток випливає ряд важливих для створення випромінювачів наслідків, частина яких вже отримала експериментальне підтвердження: це отримання більш високих, ніж раніше, коефіцієнтів посилення хвилі в активному середовищі і, як наслідок, зменшення довжини резонатора лазера або зниження порогового струму; досягнення високої рухливості в сильно легованому матеріалі і на цій основі підвищення швидкодії як самих випромінювачів, так і схем електронного обрамлення; можливість «перекладу» непрямозонних напівпровідників у прямозонні, отримання прямозонних структур з будь-якою шириною забороненої зони, а також лазерів (і світлодіодів) з перебудовуваною довжиною хвилі, просування в синьо-зелену і УФ-область спектру; суміщення матеріалів з ​​сильним структурним неузгодженістю; неминучість відкриття нових корисних явищ при подальшому дослідженні надграток.

Таким чином, розвиток фізики і становлення техніки приладів з штучними квантовими ямами і надгратках призведе до якісного стрибка в області випромінювачів і в оптоелектроніці в цілому.

Приймачі
Фотодіод
Фотодіод - це фотоприймач, що представляє собою напівпровідниковий діод, сконструйований і оптимізований так, що його активна структура виявляється здатної ефективно сприймати оптічское випромінювання. Практично для цього корпус фотодіода має спеціальне прозоре вікно, за яким розташовується фоточувствительная майданчик напівпровідникового кристала. Вживаються також заходи щодо усунення з цього майданчика затінюють елементів (непрозорих металевих електродів), зводяться до мінімуму товщини допоміжних шарів напівпровідника, що послаблюють фотоефект, на фоточутливі поверхню наносяться спеціальні антіотражающіе покриття і т.п.

Гетерофотодіоди представляють собою одну з найбільш бурхливо розвиваються різновидів оптоелектронних фотоприймачів. У конструкції будь-якого гетерофотодіода виділяються насамперед дві області: «ширококутного вікно» і активний фоточутливий шар. Широкозонна вікно без втрат пропускає випромінювання до активної області та в той же час є контактним шаром з малим послідовним опором. Процеси в активній області - поглинання випромінювання, накопичення (збирання) генеруються носіїв заряду - в значній мірі протікають так само, як і в кремнієвої pin-структури. Важлива відмінність полягає в тому, що вибором відповідного напівпровідникового з'єднання фоточутливого шару вдається забезпечити повне поглинання випромінювання (у тому числі і в ІК-області) при товщині цього шару порядку 1 мкм. Звідси поєднання високої швидкодії і високої фоточутливості при малих живлять напругах.

Найважливішим достоїнством гетерофотодіодов є їх фізична і технологічна сумісність з пристроями інтегральної оптики. Безсумнівно корисним може виявитися те, що вони можуть бути виготовлені на одному кристалі з випромінювачем і мікросхемою, тобто відкривається можливість створення універсальних монолітних оптоелектронних елементів двостороння. Гетерофотодіоди значно складніше у виготовленні, ніж кремнієві, проте наявні технологічні труднощі поступово долаються. Основні матеріали гетерофотодіодов - GaAlAs для l ~ 0,85 мкм і InGaAsP, InGaAs для l = 1,3 ... 1,55 мкм. Гетерофотодіоди працюють і в режимі лавинного множення, причому завдяки малій товщині активної області робоча напруга може становити десятки вольт. Перешкодою на шляху їхнього розвитку є та обставина, що практично для всіх сполук А3В5 коефіцієнти розмноження електронів і дірок приблизно однакові (a-da +) це веде до підвищеного рівня шумів. Виняток становить GaSb, проте цей матеріал поки все ще характеризується дуже низькою якістю. Тому широке розвиток лавинних гетерофотодіодов малоймовірно, їх альтернативою є інтегровані структури, в яких на одному кристалі напівпровідника A3B5 об'єднані гетерофотодіод і МДП - транзистор.

Фототранзистори

Фототранзистори становлять досить представницький загін оптоелектронних фотоприймачів, найбільш характерними рисами якого є наявність механізмів вбудованого посилення (звідси висока фоточутливість) і схемотехнічна гнучкість, обумовлена ​​наявністю третього - керуючого - електрода. У той же час фототранзистора притаманна помітна інерційність, що обмежує область їх прімерненія в основному пристроями автоматики і керування силовими ланцюгами. Вони виготовляються практично тільки на кремнії.

Висновок

Отже, як ви вже встигли переконатися, застосування гетеропереходів в оптоелектроніці допомагає вирішити багато проблем. Так, зокрема, знайдено рішення задачі створення приладів з прямозонних енергетичної діаграмою, що не вдавалося реалізувати на гомогенних структурах. Прозорість широкозонного емітера для рекомбінаційну випромінювання бази гетерогенної структури істотно полегшує завдання констуірованія випромінювальних приладів. Також гетероструктури сприяють усе більшій інтеграції оптоелектронних пристроїв. Реалізація надграток дозволить створювати елементну базу з довільними зонними діаграмами, тобто гетероструктури є перспективним напрямком дослідження. Технологічні труднощі виготовлення гетеропереходів, як нам здається, явище тимчасове і в недалекому майбутньому преодолимое. Що стосується нашої спеціальності (фізика і техніка оптичного зв'язку) гетероструктури є гарною підмогою в конструюванні систем волоконно-оптичного зв'язку. Інжекційні лазери, наприклад, з їх здатністю генерувати пучок світла, (який є переносником інформації у волоконно-оптичних лініях зв'язку) з наперед заданим напрямком поширення - вирішення проблеми мініатюризації основних елементів систем волоконно-оптичного зв'язку.

Звичайно, існують ще багато невирішених проблем, але, як нам здається, майбутнє оптоелектроніки нерозривно пов'язане з гетероструктурами.

Список використаної літератури

  1. Фізичний енциклопедичний словник. - М.: Сов. Енциклопедія, 1983.

  2. Сміт Р. Напівпровідники. М. Світ, 1982.

  3. Алфьоров Ж.І. / / Фізика сьогодні і завтра. Ред. Тучкевіч В.М.Л., 1973.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Комунікації, зв'язок, цифрові прилади і радіоелектроніка | Реферат
75.7кб. | скачати


Схожі роботи:
Відмінності тварин від рослин
Оцінка персоналу та її відмінності від атестації
Відмінності кооперативів від акціонерних компаній
Принципові відмінності живих систем від неживих
Відмінності старозавітній релігії від інших віросповідань
Множинність злочинів і її відмінності від єдиних складних переступив
Сутність відмінності живих відкритих систем від неживих
Стандарт XML Призначення та структура Відмінності від HTML
Характерні риси науки і її відмінності від інших галузей культури
© Усі права захищені
написати до нас