России без собственной электроники не обойтись.

Гетеропереходы в полупроводниках

Открытие американскими физиками Д. Бардином и У. Браттейном в 1948 году транзисторного эффекта вызвало у физиков и радиоинженеров всего мира необычайный интерес. Эта работа и последовавшее затем создание p-n-переходов в монокристаллах германия и их теории стимулировали лавинное нарастание исследований по физике и технологии полупроводников, что в конечном счете привело к технической революции в области радиоэлектроники и электротехники, значение которой, по-видимому, ничуть не меньше, чем открытие ядерной энергии для энергетики.

Блестящий успех полупроводникам обеспечили уникальные физические свойства p-n-перехода - искусственно созданного в полупроводниковом монокристалле распределения примесей, при котором в одной части кристалла носителями отрицательного заряда являются электроны, а в другой носителями положительного заряда - квазичастицы, получившие название "дырок". Благодаря p-n-переходу в кристаллах удалось осуществить инжекцию электронов и дырок, а простая комбинация двух p-n-переходов позволила реализовать кристаллические усилители с высокими параметрами.

Все дальнейшее развитие полупроводниковой электроники шло по пути исследования монокристаллических структур на основе германия, кремния и в последнее время полупроводниковых соединений элементов третьей и пятой групп периодической системы А^IIIB^V с различным распределением примесей по типу и концентрации. Основным типом такого распределения был p-n-переход. Структуры с одним p-n-переходом (диоды и фотоэлементы), двумя (транзисторы) и тремя (тиристоры) получили наибольшее распространение.

Улучшение свойств приборов шло главным образом по пути совершенствования методов образования 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 аналогичных полупроводников привели к созданию полупроводниковых лазеров, высокоэффективных источников света и фотоэлементов. Комбинации диодов и транзисторов в одной монокристаллической пластине кремния стали основой интегральных схем: на их использовании базируется развитие электронно-вычислительных машин.

Однако p-n-переход в гомогенном (однородном) по составу полупроводнике не мог обеспечить высоких параметров для многих приборов. В транзисторах вследствие наличия одновременно и электронной, и дырочной инжекции коэффициент усиления заметно падает при высоких плотностях тока. В полупроводниковом лазере необходимость применения сильно легированных ("вырожденных") p-n-переходов и отсутствие отграничения активной области от пассивных приводят к большим потерям и необходимости работы в условиях охлаждения жидкими газами.

В фотоэлементах поглощение света и генерация электронно-дырочных пар происходят на поверхности, а не непосредственно в области перехода, из-за чего снижаются эффективность и быстродействие.

Между тем многие свойства этих приборов можно было бы улучшить, используя так называемые гетеропереходы.

Гетеропереходы в полупроводниках - контакты двух различных по химическому составу полупроводников. В таком контакте происходит не только изменение ширины запрещенной зоны, меняются обычно и другие фундаментальные свойства: зонная структура, эффективные массы носителей тока, их подвижности, физико-химические и оптические свойства.

Гетеропереходы могут быть монокристаллические и поликристаллические, резкие и плавные, идеальные и неидеальные, анизотипные (p-n-гетеропереходы) и изотипные (p-p- и n-n-гетеропереходы).

Возможность получения монокристаллических гетеропереходов, то есть контактов различных по химическому составу полупроводников, осуществленных в одном монокристалле, связана с развитием методов эпиксиального выращивания полупроводниковых кристаллов, то есть образования единообразно относительно друг друга ориентированных кристаллов одного вещества на грани другого вещества.

В резком гетеропереходе изменение химического состава происходит на расстоянии, меньшем ширины области объемного заряда перехода.

В идеальном гетеропереходе на границе раздела перехода отсутствуют дефекты и граничные состояния.

Комбинация нескольких гетеропереходов, p-n-переходов в одной монокристаллической структуре, обычно составляющей часть полупроводникового прибора, называется гетероструктурой.

Из книги Ж. И. Алферова. "Физика и жизнь". - Спб.: Наука, 2000.

Отсылаем читателей также к статьям в журнале "Наука и жизнь":

Назад