16
Ре??т
“Э????о-???? ??????? и ? ???я ? ??????в”
Г??????
К??? ?? ????х ? ?м???? ???у ???????в. На ???е ???а ПП ??? ??няю?я ???
???ё?? ??, ?????ь ????й з?я?, ? э????? ??ы и ?. ???????. В «???» Г.
????е ?-в ????? ? ???я?и, ????м ?и ???м, ?м ??? ???и ????о ?ря? (?.
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД). В ??с??? ? ?????я ??х ??? Г. ??о ???ь р –
n-Г. (?????е) и n-Г. ?и р – р-Г. (????е). К????и ??. Г. и ??????в ???ют
???????ы.
О????? Г., ??ую?е ???? ??т. ???к, ???? ?? ?и ????? ??, ????? и ???а ??т.
???к ??и??? ?????. К?? ??, в ????м Г. ???а ???а ??? ?? ???? ? ?????х и
?. ???? (?????, ???? ???? и т.п.), а ??е ? ???ч. ??я??й. Н???е ???
???яю?я ???????. Г. ??у ????????? ?????и ?? AIIIBV и ? ?ё??и ????? ? ???
????в, ???? и ??м??? Ga и Al. Б???ря ???? ?????х ???? Ga и Al ????е ?м.
???а ????? ?з ????я ???а ???и. Г??????? ??чают ??е ? ??? ????????х
(????х и ??е) ?. ????в, в к-?х ?и ????и ???а в ???х ???? ??? ???и ?
??няе?я. И?????е ????т. Г. и ??????? ??о ????м ???аря ???ию ???в
э??????? ?????я ПП ????? (?. ЭПИТАКСИЯ).
Г. ????ю?я в ??. ПП ????: ПП ???х, ?????аю?х ???, ??э????, ???? и т.д.
Г?????
В ???е ? ??????? – ???т ?? ???? с ???и ??? ?????? ?и ?????ия? ???ю?й
???и в ??м и ?м ? к???? ???????. Р???ют p – n-п???ы, в к-?х ?? ? ??
?????ю?х ???? ????? ???ми, а ??ая – ?ц???? (?. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ
ПЕРЕХОД), n+–n-п?е?? (?е ???и ????? ???? ???ью, ? в ??. ???и) и
p+–p-п?е?? (?е ???и ????? ?????й ???ью).
Г??????. О???е ?о??а и ???????
Разработками данной проблемы занимался выдающийся советский ученый
Ж.И. Алферов. В 1961 г. он защитил кандидатскую диссертацию, посвящённую
в основном разработке и исследованию мощных германиевых и частично
кремниевых выпрямителей. Заметим, что в этих приборах, как и во всех
ранее созданных полупроводниковых приборах, использовались уникальные
физические свойства p–n-перехода – искусственно созданного в
полупроводниковом монокристалле распределения примесей, при котором в
одной части кристалла носителями заряда являются отрицательно заряженные
электроны, а в другой – положительно заряженные квазичастицы, «дырки»
(латинские n и p как раз и значат negative и positive). Поскольку
различается лишь тип проводимости, а вещество одно и то же, p–n-переход
можно назвать гомопереходом.
Благодаря p–n-переходу в кристаллах удалось осуществить инжекцию
электронов и дырок, а простая комбинация двух p–n-переходов позволила
реализовать монокристаллические усилители с хорошими параметрами –
транзисторы. Наибольшее распространение получили структуры с одним
p–n-переходом (диоды и фотоэлементы), двумя p–n-переходами (транзисторы)
и тремя p–n-переходами (тиристоры). Всё дальнейшее развитие
полупроводниковой электроники шло по пути исследования
монокристаллических структур на основе германия, кремния,
полупроводниковых соединений типа АIIIBV (элементов III и V групп
Периодической системы Менделеева). Улучшение свойств приборов шло
главным образом по пути совершенствования методов формирования
p–n-переходов и использования новых материалов. Замена германия кремнием
позволила поднять рабочую температуру приборов и создать высоковольтные
диоды и тиристоры. Успехи в технологии получения арсенида галлия и
других оптических полупроводников привели к созданию полупроводниковых
лазеров, высокоэффективных источников света и фотоэлементов. Комбинации
диодов и транзисторов на одной монокристаллической кремниевой подложке
стали основой интегральных схем, на которых базировалось развитие
электронно-вычислительной техники. Миниатюрные, а затем и
микроэлектронные приборы, создаваемые в основном на кристаллическом
кремнии, буквально смели электровакуумные лампы, позволив уменьшить в
сотни и тысячи раз размеры устройств. Достаточно вспомнить старые ЭВМ,
занимавшие огромные помещения, и их современный эквивалент ноутбук –
компьютер, напоминающий маленький атташе-кейс, или «дипломат», как его
называют в России.
Один из выводов кандидатской диссертации гласил, что p–n-переход в
гомогенном по составу полупроводнике (гомоструктура) не может обеспечить
оптимальные параметры многих приборов. Стало ясно, что дальнейший
прогресс связан с созданием p–n-перехода на границе разных по
химическому составу полупроводников (гетероструктурах).
Л??ы ? ??????х ?? ?э????ы ?-? ???х ????? и э?????? ???. П?о??е ?? ?? ??ь
???, а ????я ????ля?? ??? ?и ??? ?????ах.
В??е ?? ??????? ??е ?и??ы ????ия э?????и и ????и ?т??и в ????????.
П?????? ??ия ?????ь ?????о ???е, ?м ?????ая ????ия ???с?.
В ? ??я ?????л ???? ??т??м ? ??? ???ия «?????» ???????, ?м ??е с ??????
???????? ??????и ?????.
И?к, ????ия ??????? ????а ?????ь ???ия ??е э????? ???? ?я э????? и
????ия ???? ????в ????о ? ???х ????в.
Максимальный эффект ожидался при использовании гетеропереходов между
полупроводником, служащим активной областью прибора, и более
широкозонным полупроводником. В качестве наиболее перспективных в то
время рассматривались системы GaP–GaAs и AlAs–GaAs. Для «совместимости»
эти материалы в первую очередь должны были удовлетворять самому важному
условию: иметь близкие значения постоянной кристаллической решётки.
Дело в том, что многочисленные попытки реализовать гетеропереход были
безуспешными: ведь не только размеры элементарных ячеек кристаллических
решёток полупроводников, составляющих переход, должны практически
совпадать, но и их тепловые, электрические, кристаллохимические свойства
должны быть близкими, как и их кристаллические и зонные структуры.
Такую гетеропару найти не удавалось. И вот за это, казалось бы,
безнадёжное дело взялся Ж.И. Алфёров. Нужный гетеропереход, как
оказалось, можно было формировать путём эпитаксиального выращивания,
когда один монокристалл (вернее, его монокристаллическая плёнка)
наращивался на поверхности другого монористалла буквально послойно –
один монокристаллический слой за другим. К нашему времени разработано
много методов такого выращивания. Это и есть те самые высокие
технологии, которые обеспечивают не только процветание электронных фирм,
но и безбедное существование целых стран.
Первоначально была предпринята попытка создать двойную гетероструктуру
GaP0,15As0,85–GaAs. И она была выращена методом газофазной эпитаксии, а
на ней был сформирован лазер. Однако из-за небольшого несоответствия
постоянных решётки он, как и лазеры на гомопереходах, мог работать
только при температуре жидкого азота. Ж.И. Алфёрову стало ясно, что
таким путём реализовать потенциальные преимущества двойных
гетероструктур не удастся.
Было обнаружено что неустойчивый сам по себе арсенид алюминия абсолютно
устойчив в тройном соединении AlGaAs, так называемом твёрдом растворе.
Свидетельством этому были давно выращенные путём охлаждения из расплава
кристаллы этого твёрдого раствора, хранившиеся у одного из ученых в
столе уже несколько лет. Примерно так в 1967 г. была найдена ставшая
теперь классической в мире микроэлектроники гетеропара GaAs–AlGaAs.
И???е ф??? ????, ???? ??а в э?й ?с??, а ??е ???? ????????о ??? ?????й
э????, ????? ?я ?????я ???????, ??? ???и к ???ию ???????ы, ??????й ?
????у ???????й ???и.
С этого момента реализация главных преимуществ гетероструктур пошла
стремительно. Прежде всего экспериментально были подтверждены уникальные
инжекционные свойства широкозонных эмиттеров и эффект суперинжекции,
продемонстрировано стимулированное излучение в двойных гетероструктурах,
установлена зонная структура гетероперехода AlxGa1–xAs, тщательно
изучены люминесцентные свойства и диффузия носителей в плавном
гетеропереходе, а также чрезвычайно интересные особенности протекания
тока через гетеропереход, например, диагональные
туннельно-рекомбинационные переходы непосредственно между дырками из
узкозонной и электронами из широкозонной составляющих гетероперехода.
О???е ?????? ??????? ?? ?????ы
– в низкопороговых лазерах на двойных гетероструктурах, работающих при
комнатной температуре;
– в высокоэффективных светодиодах на одинарной и двойной
гетероструктурах;
– в солнечных элементах на гетероструктурах;
– в биполярных транзисторах на гетероструктурах;
– в тиристорных p–n–p–n гетероструктурах.
Если возможность управления типом проводимости полупроводника с помощью
легирования различными примесями и идея инжекции неравновесных носителей
заряда были теми семенами, из которых выросла полупроводниковая
электроника, то гетероструктуры давали возможность решить значительно
более общую проблему управления фундаментальными параметрами
полупроводниковых кристаллов и приборов, такими, как ширина запрещённой
зоны, эффективные массы носителей заряда и их подвижности, показатель
преломления, электронный энергетический спектр и т.д.
Идея полупроводниковых лазеров на p–n-переходе, экспериментальное
наблюдение эффективной излучательной рекомбинации в p–n-структуре на
основе GaAs с возможностью стимулированного излучения и создание лазеров
и светоизлучающих диодов на p–n-переходах были теми зёрнами, из которых
начала расти полупроводниковая оптоэлектроника.
Одним из первых опытов успешного применения гетероструктур в нашей
стране стало использование солнечных батарей в космических
исследованиях. Солнечные батареи на основе гетероструктур были созданы
Ж.И. Алфёровым и сотрудниками ещё в 1970 г. Технология была передана в
НПО «Квант», и солнечные элементы на основе GaAlAs устанавливались на
многих отечественных спутниках. Когда американцы опубликовали свои
первые работы, советские солнечные батареи уже летали на спутниках. Было
развёрнуто их промышленное производство, а их 15-летняя эксплуатация на
станции «Мир» блестяще доказала преимущества этих структур в космосе. И
хотя прогноз резкого снижения стоимости одного ватта электрической
мощности на основе полупроводниковых солнечных батарей пока не
оправдался, в космосе самым эффективным источником энергии доныне
безусловно являются солнечные батареи на гетероструктуpax соединений
AIIIBV.
О?оэ?????
О?оэ????? – э? ??? э?????, ?я??? ???м ???м с ????м э???в ??????ия ??у
э???????? ???и ?????о ????а и э????? ???? (???????о ???х ?л) и ????ю?й
???? ???ия ??э????? ???? (в ???? ???? ??оэ????? ?????), в ???х э? э???
????ю?я ?я ????и, ????, ?а??я и ?????я ?????.
Т????ую ??? ??э???н?и ???ляют ??????о – ???????е ????и ?????й э?????:
???ю???я э????; ???????? ???? ????л?? ?????х ?????й; ????ия э???? и
???й; ????ия ? ?????е ?????е ????ы; ????? ???в ????й ????и ???й, ??х ?к
э???ия, ??????ия, ????е ??их ???, ???ия, ??ая ?????я, ?????я и
?.И?лю???? ??ы и ?????? ?я ??э????? ???????ы, в ???х ?????ют (??? ???о
??????а) ??????? с ????? ???ия? ??? ????? ??.
И?????й ??р
И?????? ??р ????ляет ??й ????????й ??э????? ??? с p-n-п???? (?э?? ??о ?к
?????ый ?????ся ??? «л?е?? ??»), в ???м ????я ?????? ????я ?я?? с ????й
????й ?ря? ?и ????? ?я?? ?? ??з p-n-п???.
Р?????? ?????? ???в. Р?????? ??????е ????я ?????ляют ?? ????????я ?????
????ы ???. О????? и ?????ы ???? ?????ия ??в ? ???е ????а. В ?????
????о??е p-n-п?е?д ?к ???? э?????о ?????я ??? ??????: ?и ?с?? ??нях ???и
????? ?????я ???ия э????в ??о (?-? ???я ?э????а ????), ?????е ??? ?????я
л?ь ?????? ????м ?????? ????х ??к
В? э? ???????, ?оя?яю??я в ???? ??е в ???м ???? ????и ????? ??, ?е?????и
????????? ???в ? ????? ???????х.
Ш??? ?????? ???????е ???? ??? ??????, ??? ?????я? ???х я?яю?я ?????няя
???ия, ??о ????? ?????й э??т, ?????ь ??????и.
П???е ?????? ??а ?о?ая (?????яя) ???????а (ДГС), в ???й ?????я ???ая
???ь «з?а?» ??у ??я ???????и (?с. 4, б): ??? ?а ???я? ???? ??е ??г??
????и ?? и ?????? ???? ????. Ч??? и пя??о?ая ????ы, я?яю??я ?????????й
ДГС
О????? ?????? ??р?.
И?????е ??? ?еют ряд ?????, ??ляю?х ? ??и ?????й и ?????ляю?х ????ю?ю ??
в ??э?????.
1. М?????ю???: ?????кая ?????я ??а ????? ??? к 10 ?м, а ???ь ?о ?????о
???я – к 1 ?м2 (??м ???? ???и ??т ????ь 10–12?3). Э? ???? ???, ?о в
???о????? ???х ??????? ???? ?я?? ? с ????? ?????и ??ня?, а с ????? ?? –
??, ?э?? и ???? в ?х ????? (gd103… 104 ?-1).
2. В??? КПД ??????ия э??? ???и в ????е, ????ю??я у ??? ???? к ???????
???у. Э? ?????о ?м, ?о ?? ?и ?????? ???е ???я ??юч?ь ??????е ??? – вся
э??ия э??????о ?? ????т в э??ию ?????? э????в.
3. У???о ????ия: ??? ??я??я и ?? ?????я, ?????е с ??????и ??????; ?????ь
????я ???? ????я ?з ????ия ???х ??ля??в; ??? ?к в ?????м, ?к и в ?????
???х с ?????? ?и э?м о?? ???й ???? ???ю??я (в ??????м ????е).
4. В????? ????и ????й ????ь?й ??и, ??????ая ???м ?и ???? ?я????о
????о??а с?????й ???й ?????й ??; ?????ь ?????? ???.
5. И?????? ??????й ??оэ????? ????й ?????. О?ю? ???я ????????ь ????ов,
?????ь ?я ????о ??????, ??ая ????ь, ??????ь.
6. С?????? с ???? э???? ??оэ????? – ?????? (? ?? ?????? ????? и ? ?????
????и). Это ????т ??????ую ?????ь ???ия ???????х ???? ?????й.
И?????м ???м ???и и ?????? ?????, к ??????? ??о ???и ??ую?е:
· ????я ??????ь ????я (в ????и, ????, с ???? ??р?и)
· ?????ая ??? ?????? ??и, ???я ???я ??????, э?????? ?????м;
· ?????? ??я ?????ая ???? (????е ??э????? ?????, ???? ???????е ЗУ, ??уют
??? ???й ????);
· ??????? ??х ????? я???, к? ????я ????ия (в ?????и ?я ???????х ???в),
?з?е ????? ???? ????я ?и ????и ?????ы и ???с?? ????.
С??д??
С???? ????ля? ??й ????????й ?? с p-n – ?р???, ????? ?? ??з ???й ????
?????е ??????е ????е. Р??а ????? ???? ? ????? ??????н?й лю?????и ?????
????й ?ря?, ??????х в ???ую ???ь (??) ?????.
К? и в ??? ???в ????м ????? ????? ???ют ???????? ? ??? ???????, ?тя
????а ????и ??????? ????я ???я? ?р?о ?????? и ????? ? ??? ?????
???????в.
И?????? ????е я??
И?????? ????е я?? и ?????? ??дят ?е ???е ????? ?и ????? ?????й. По ??
????ия ??? ???? ?н ???в и ?????в ???ятся ??????и ????е ????е э???, т.е.
я??ия, в ???х ??е ??????? ???ы ???????х ???? ?я??ют ????ь ????ю ???у
????х ????й ?ря?.
Е?и ???у ???? ???и ???й ???????ы ????ь ? WdlБ (??а ??ы ? Б??я), ? ????е
э???? в эт? ???и ??? ??и ?бя ???о ?????у ??. Э? ???, ?о в лю?й ????? ???
???и ??т ?? ???ы ?? ?е ????? э???? (y и z ? ?с. 6, б), ??а ?к ? ????? x
? «р???н» ? в?й ???е W. Т?ая ?????я ДГС ????ля? ??й ????ю я? (?и ????й
я?к), ????ю?ю ????? э????? ?з. П???????е ?????е ???? ??а ??х ям ????
?????? (?с. 6, в). В ??м ??? ????е я? в ?????? ? ?я???? ??? ?? ?????и ?
???е и ???
К???? я?? и ?????? и?????ют ??м ????????о э??????? ?????я ?????х (??о 10
?) ??в ????????х ????? ???о ??а?.
Р???? ?????е ????т ?а ???? ????? э???:
· ????е ??? ????ы, ?оя?яю??я в ?я??? ??х ?????х э??????х ??оя?й ?я
э????в; ?м ??м ??????о ??т ?? ?????? ??ая ?р??? лю?? ??;
· ????е ???? э????в, ?оя?яю??я в ? ???е ??у ???????и ?з ????? (и ?з ???
э?р?и) с ????? ???и, – ??? ???? ??ы Де Б??я, ?????няю??я в ??е с п?????и
??няю??я ?????м; ?????ь э????в ???а?ся ??й ?, ?к в ??? ???????.
Т??????ая ?????ь ?????? ???т в ?м, ?о ????? ???и ??? ???? ??в ????ся
?????? ????аю?е ???ие ?????? ??я??й: ?????и ??????, ???ря ? ??и?е ???а
??в, ??т ?? ??е ?????е ???? ??????ф???й ??оя??. М?? ??????, ?о ?я ?????й
э? ??оят???о ???ся ??е ???, ?м ????? ???ы.
Из ????? и ???????х ?????? ?????? ???? ряд ??? ?я ???ия ?????й ????й,
??ь ???х ?е ???? э???????? ?????н?: э? ????е ??е ???х, ?м ??е, ?э?????
???ия ??ы в ???? ??е и, ?к ????е, ????? ??ы ????? ??? ?и ???? ????? ??;
????? ???й ?????и в ??? ?г????м ????е и ? э?й ??? ????е ??????ия ?к ??х
?????й, ?к и ?? э?????о ????ия; ?????ь «п???а» ??я???? ???????в в
?я????, ????е ?я???? ???? с лю?й ???й ?????й ?ны, а ??е ???в (и ?????в)
с ???????й ??? ??ы, ???ж?? в ??-???ю и УФ-???ь ???а; ????? ????? с ???м
?????м ????????; ?????? ???ия ??х ???? я??? ?и ????? ?????? ??????.
Т?? ???м, ???? ??? и ?????е ???и ???? с ??????? ????? я?? и ??????? ????
к ??????у ??? в ???и ?????й и в ??э????? в ??м.
П????Фо???Ф???д – э? ??????, ????ляю?й ??й ????????й ??, ????????й и
???????? ?к, ?о ?о ???ая ????а ?????я ????й э????о ????м?ь ????е ????е.
П????? ?я э?? ??? ????а ??т с????? ????? ??, ? ???м ??????я ????????ая
???? ????????? ????а. П???ю?я ??е ?? ? ????ию с э?й ???? ??няю?х э????
(?????? ????е?? э????в), ??я?я ? ???? ???ы ???????х ??в ???????, ???яю?х
??э??т, ? ????????ую ????с? ??ся?я ?????е ?????ю?е ???ия и т.п.
Г??????? ????ляют с?? ?? ? ???? ??о ???аю??я ??????? ??э???н?х ???????.
В ?????и лю?? ???????а ??ляю?я п??е ??о ?е ???и: «ш?о???? ??» и ????
????????? ??. Ш?????е ?? ?з ??? ????? ????е к ???? ???и и в ? ? ??я
я?я?ся ????? ??м с ??м ???????? ???????. П???ы в ???? ???и – ?г???е
????я, ????? (????е) ?????? ????й ?ряда – в ?????? ???и ???ают ?к ?, ?к
и в ????? p-i-n-с????. В??е ???е ??ю??ся в т?, ?о ???м ???я?? ?????????
????ия ?????и???? ?оя ???я ????? ??? ????? ????я (в ?м ?с? и в ИК-???и)
?и ???е э?? ?оя ?ря?а 1 ?м. О?ю? ????е ???? ??????ия и ???й ??????????
?и ??х ??ющ? ??я??ях.
В???? ?????? ???ф????в я?я?ся ? ????ая и ???????я ??????ь с ??????
?????? ???. Н????о ???? ??т ????я то, ?о ?и ??т ?? ?????ы ? ??м ????е с
?????м и ?????й, т.е. ?????я ?????ь ???ия ???с??? ????? ??э????? э????
????? ?я?. Г??????? ?????о ???е в ??????, ?м ?????, ??? ?ею??я ???????е
????и ????? ?????ю?я. О???е ????ы ???????? – GaAlAs ?я l~0,85 ?м и
InGaAsP, InGaAs ?я l=1,3… 1,55 ?м. Ге??????ы ???ют и в ??? ????о ????я,
??? ????я ??й ???е ???? ???и ???е ??я??е ??т ???ля? д?я?и ??т. П?пя???м
? ?? ? ???ия я?я?ся ? ??оя????, ?о ?????и ?я ?? ????? А3В5 ?э????ы
?????я э????в и ??к ??????? ???о? (a-da+) э? ??т к ?????у ??ню ??в.
И?лю??е ???ля? GaSb, ??? э?т ???? ?? ?е ?е ???????я ??ь ??? ????м. Поэ??
???е ???? ???? ???????? ????я?о, ? ?ь????? я?яю?я ???????е ????ы, в ???х
? ??м ????е ??????? A3B5 ????? ??????? и МДП – ?????.
Ф???????
Ф??????? ???ляют ?с?а ???????? ?ряд ??э????? ???????, ???? х?????и ???и
???? я?яю?я ???е ????? ?????о ???ия (?сю? ???я ??????????) и ???????ая
?б??ь, ??????я ???? ???? – ???яю?? – э????. В ? ? ??я ???????? ???а
???ая ??????ь, ?о ?????? ???ь ? ??е??ия в ???? ?????? ????? и ????ия
???? ?пями. О? ?????аю?я ?????и ??? ? ???и.
З?лю??е
И?к, ?к ? ?е ??? ????я, ????? ???????в в ??э????? ???? ????ь ??? ????.
Т?, в ????и, ???о ???е ??? ???ия ???? с ?я???? э??????й ?????, ?о ?
????ь ?????ь на ????? ?????. П?????ь ??????о э???а ?я ????????о ????я ??
?????? ????ы ?????о ????т ??? ??????ия ??????х ????. Т?? ?????к??
?????ют ?ё ???й ????? ??э????? ????в. Р????я ?????? ???? ????ь э????ю ??
с ????ь?? ???и ?????и, т.е. ???????ы я?яю?я ?????н? ?????? ?????ия.
Т??????? ????и ?????ия ???????в, ?к ?м ???я, я??? ????е и в ????м ???м
?????е. П?????? к ??й ??????и (??? и ???а ?т???й ?я?) ???????ы я?яю?я
???м ????? в ???????и ??? ????о-????? ?я?. И?????е ???, ????, с ?
?????ью ?????? ??к ??а, (я?яю??я ?????? ????? в ????о-????? ??ях ?я?) с
???д ???? ?????? ???????я – ???е ???? ???ю???и ???? э???? ???
????о-о????й ?я?.
К???, ????ют ?е ??о ?р????? ???м, ?, ?к ?м ???я, ???е ??э????? ???ы?о
?я?? с ????????и.
С??к ??????? ?????
1. Ф????й э???????? ???ь. – М.: С?. Э?????я, 1983.
2. С?т Р. П??????и. М. М?, 1982.
3. А??? Ж.И. // Ф??а ???я и ???. Р?. Т???ч В.М.Л., 1973.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
