Отличительной особенностью полупроводников, выделяющей их в отдельный класс материалов, является возможность управляемо изменять (инвертировать) тип их электропроводности. При этом диапазон изменения удельного сопротивления может достигать двадцати и более порядков. Именно эта особенность привела к созданию перехода и развитию полупроводниковой электроники и микроэлектроники. Области их применения весьма широки от простейших световых индикаторов до волоконно-оптических линий связи сверхвысокой емкости и лазерных систем обработки информации.
Их тиражи превышают миллионы при номенклатуре в несколько сотен модификаций. Обладая традиционными преимуществами полупроводниковых приборов: малыми габаритами, мгновенной готовностью к работе, низкими рабочими напряжениями, надежностью, совместимостью с интегральной полупроводниковой технологией, экономичностью и низкой стоимостью, светодиоды и инжекционные лазеры с высокой эффективностью преобразуют электрическую энергию (сигнал) в световую.
Полупроводниковые гетеропереходы и инжекционная электролюминесценция: В основе действия полупроводниковых светодиодов и инжекционных лазеров лежит электролюминесценция. Наиболее эффективным методом электрического возбуждения является инжекция не основных носителей заряда через переход при приложении к нему напряжения U в прямом направлении. Такая люминесценция называется инжекционной. За счет процессов рекомбинации их концентрация убывает по мере удаления от области объемного заряда.
При постоянной скорости рекомбинации (постоянном времени жизни) концентрация не основных носителей заряда будет уменьшаться с расстоянием по экспоненциальному закону. Расстояние, на котором их концентрация уменьшится в е раз, равно диффузионной длине. Эту величину можно принять за глубину, на которую проникают инжектированные носители заряда. Таким образом, глубину проникновения электронов в область можно считать равной их диффузионной длине L" в материале, а глубину проникновения дырок в область диффузионной длине Lp в материале.
По мере удаления от области объемного заряда квази уровни Ферми будут приближаться к равновесному уровню, сливаясь с ним. На расстоянии, равном диффузионной длине Д, или Lpt неравновесный квази уровень Ферми снижается (для электронов) или повышается (для дырок) приблизительно на от максимального значения на границе -л-перехода. Другими словами, расстояние FZ-F! как и ранее, определяется уровнем возбуждения, Заметим, что максимальное напряжение, которое может быть приложено к переходу, ограничено.
Для обычного гомо перехода это значение определяется полным спрямлением потенциального барьера. Внешним полем можно почти полностью убрать потенциальный барьер, но невозможно сделать его отрицательным. Физически это означает, что переходе (точнее, в гомо переходе) концентрация инжектированных не основных носителей заряда, как правило, не может превышать концентрацию этих же носителей в эмиттере, где они являются основными. Хвосты плотности состояний появляются вследствие сильного легирования материала.
Гетеропереход представляет собой контакт (переход) на атомном уровне двух различных по химическому составу материалов (полупроводников), осуществленный в одном кристалле. Гомо переход, как известно, образуется в полупроводнике за счет искусственно созданного распределения примесей. В гетеропереходах помимо управления концентрацией и типом носителей заряда путем легирования появляется новая возможность управлять такими важными параметрами материала, как ширина запрещенной зоны и показатель преломления.
Именно поэтому применение гетеропереходов привело как к созданию принципиально новых полупроводниковых приборов, так и к существенному улучшению параметров ранее созданных устройств. В зависимости от скорости изменения основных параметров по координате различают резкие и плавные гетеропереходы. В резком гетеропереходе это изменение происходит на уровне одного или двух-трех молекулярных слоев. В плавном гетеропереходе контактная область простирается на десятки, а иногда и сотни периодов решетки (молекулярных слоев).
Если свойства материала изменяются плавно в макроскопическом масштабе, то такой полупроводник называют варизонным полупроводником, а полупроводниковую структуру варизонной структурой, подчеркивая тем самым плавно изменяющуюся в пространстве ширину запрещенной зоны. Гетеропереход называется изотипным, если он образован полупроводниками с одинаковым типом электропроводности, и анизотипным, если образующие его материалы обладают разными типами электропроводности.
При обозначении гетероперехода принято указывать тип проводимости полупроводника с узкой запрещенной зоной строчными буквами п или , а полупроводника с широкой запрещенной зоной прописными буквами tf или Р. На первом месте обычно указывают тип электропроводности более узкозонного материала; так, изотилные гетеропереходы обозначают как n-N ала р-Р, а анизотипные гетеропереходы
как п-Р или p-N.
В области контакта двух различных по химическому составу материалов происходит изменение не только ширины запрещенной зоны, но и других электрофизических характеристик материала, в том числе диэлектрической проницаемости, электронного сродства, геометрических параметров решетки, эффективной массы носителей заряда и их подвижности. На границе раздела возможно появление различных дефектов, что является нежелательным. Гетеропереход, в котором на границе раздела двух материалов отсутствуют поверхностные состояния, называется идеальным.
Наиболее сильное влияние на отклонение свойств гетероперехода от идеального оказывает различие в параметрах решеток и в температурных коэффициентах линейного расширения материалов, образующих гетеропереход. По этой причине относительное значение разности параметров решеток двух контактирующих материалов обычно не должно превышать 0,1%.
Дополнительным условием является совпадение их кристаллохимической природы. Возможность плавно и в широких пределах изменять основные характеристики твердого раствора путем изменения его состава при минимальном изменении параметров решетки и определила широкое применение этих материалов в квантовой и оптической электронике.
В отличие от идеального в реальном гетеропереходе на границе раздела всегда присутствуют поверхностные состояния. Важно, чтобы их влияние на свойства перехода было мало, В трех компонентных твердых растворах изменение состава приводит одновременно к изменению как периода идентичности решетки, так и ширины запрещенной зоны. В четырех компонентных твердых растворах типа GaJn PjAs -x изменением х и у можно в определенных пределах независимо изменять параметры решетки и ширину запрещенной зоны.
К сожалению, большинство красителей токсичны и при работе с ними надо соблюдать осторожность. Вследствие большой ширины спектра люминесценции органических красителей лазеры на их основе успешно работают в режиме синхронизации мод, генерируют световые импульсы длительностью до 0,03 пс (3-Ю-1 с) при непрерывной накачке. Это самые короткие световые импульсы, которые удалось получить с помощью лазера. Отметим в заключение, что в качестве активной среды возможно применение твердых растворов красителей в полимерах типа полистирола, а также пропитанной раствором красителя мелкопористой губчатой стеклянной матрицы.
При определенных соотношениях между х и у можно подобрать такой ряд растворов, в котором ширина запрещенной зоны будет изменяться при неизменном периоде идентичности решетки. Такой ряд твердых растворов называют изопериодным. Эти диаграммы построены в предположении, что объемные свойства полупроводников, образующих гетеропереход, остаются неизменными вплоть до их границы раздела. В гомо переходе концентрация не основных носителей заряда, инжектированных из эмиттера, не может превышать их концентрации в эмиттере.
