Влияние гетеропереходов на сопротивление устройств

August 30, 2011 by admin Комментировать »

Применение гетероструктур позволяет улучшить эффективность светодиодов. Это происходит за счет ограничения носителей в активной области, что позволяет исключить диффузию неосновных носителей на большие расстояния. Для направления света в волновод часто применяют светодиоды с торцевым выводом излучения, также, как правило, на основе гетероструктур. В состав большинства современных полупроводниковых светодиодов и лазеров входят несколько гетеропереходов: между контактными слоями, активными областями и волноводами. Несмотря на то, что гетероструктуры позволяют улучшать характеристики светодиодов, их применение связано с рядом проблем.

Одной из них является сопротивление переходных областей. Рис. 4.9, а показывает зонную диаграмму гетероструктуры и иллюстрирует природу этого сопротивления. Гетероструктура чаще всего состоит из двух полупроводников с запрещенными зонами разной ширины. Предполагается, что обе части структуры обладают проводимостью п-типа. Носители из широкозонного материала диффундируют в узкозонный материал, где в зоне проводимости занимают уровни с низкими значениями энергии. В результате переноса электронов образуется электростатический диполь, состоящий из положительно заряженного обедненного слоя с ионизированными донорами в широкозонном полупроводнике и отрицательно заряженного слоя электронов, накопленных в узкозонном полупроводнике, что приводит к искривлению энергетических зон и формированию барьера.

показанного на рис. 4.9, а. Зарядам, перемещающимся из одного материала в другой, приходится преодолевать этот барьер за счет либо туннельного эффекта, либо тепловой энергии. Сопротивление переходных областей отрицательно отражается на характеристиках диодов, особенно мощных светодиодов. Тепловая мощность, выделяемая на сопротивлении гетеропереходов, ведет к нагреву активной области, что снижает квантовый выход излучения

Рис. 4.9. Зонная диаграмма резкого гетероперехода (а) и варизонного гетероперехода (б) между двумя полупроводниками с запрещенными зонами разной ширины. Резкий переход обладает большим сопротивлением, чем плавный, что связано с формированием в нем потенциального барьера (Schubert, 1992)

 

Было доказано, что плавным изменением химического состава полупроводника вблизи гетероперехода удается полностью устранить скачки в энергетических зонах гетеростуктуры (Schubert, 1992). На рис. 4.9, б показана зонная диаграмма структуры с постепенным изменением ширины запрещенной зоны. Видно, что в зоне проводимости структуры отсутствуют потенциальные барьеры, препятствующие прохождению электронов. Было также доказано, что сопротивление гете- роструктуры с параболическим изменением ширины запрещенной зоны сравнимо с объемным сопротивлением материала. Таким образом, дополнительное сопротивление, вносимое резким гетеропереходом, может быть полностью компенсировано изменением состава полупроводника вблизи самого перехода по параболическому закону.

Ширина запрещенной зоны должна изменяться по параболе также и по следующей причине. В широкозонном полупроводнике вследствие миграции электронов в узкозонный полупроводник наблюдается нехватка свободных носителей. Поэтому концентрация зарядов в нем определяется концентрацией доноров. Считая, что концентрация доноровNdпостоянна по всей гетероструктуре, из уравнения Пуассона можно найти величину электростатического потенциала:

Из уравнения видно, что потенциал связан с пространственной координатой X квадратичной зависимостью, т. е. зависимость потенциала от расстояния имеет параболическую форму. Для компенсации параболической зависимости и получения одинакового потенциала вдоль всей структуры химический состав полупроводника также должен изменяться по параболическому закону. При этом считается, что параболические изменения химического состава приведут к параболическим изменениям ширины запрещенной зоны, т.е. между ними существует линейная связь и можно пренебречь квадратичным членом в зависимости ширины запрещенной зоны от состава.

Выведем расчетное соотношение для получения требуемых вари- зонных гетероструктур. Предположим, что разрыв зоны проводимости, вызванный резким гетеропереходом, равен ∆Ес и что структура равномерно легирована донорными примесями с концентрациейNd– Также будем считать, что миграция носителей в узкозонный полупроводник привела к формированию обедненной области толщиной Wdв широкозонном полупроводнике. Если потенциал в обедненной области становится равным

Рис. 4.10. Зонная диаграмма двойной гетероструктуры с резкими переходами (а) и градиентными переходами (б). Резкие переходы обладают большим сопротивлением, чем плавные, что связано с формированием в них потенциальных

барьеров

 

ведение двойной гетероструктуры. На рис. 4.10, а изображены зонная диаграмма и диаграмма изменения химического состава структуры с резкими переходами. Видно, что на обеих границах раздела между полупроводниками двух типов возникли потенциальные барьеры, препятствующие попаданию свободных зарядов в активную область.

На рис. 4.10,6 представлены аналогичные диаграммы для двойной гетероструктуры с градиентными переходами. Из зонной диаграммы следует, что в этом случае потенциальные барьеры значительно умень- щились. Небольшие возмущения, наблюдаемые на границе двух полупроводников, объясняются тем, что химический состав переходной области изменился линейно. В случае параболического изменения состава от этих возмущений часто удается полностью избавиться.

В общем случае считается, что перенос носителей в гетероструктурах происходит адиабатически, т.е. такой процесс внутри полупроводника не сопровождается выделением избыточного тепла. Для мощных светодиодов это условие практически полностью выполняется, что очень важно, поскольку повышение рабочей температуры может привести к ухудшению рабочих характеристик.

Следует также отметить, что для всех гетероструктур желательно подбирать материалы с одинаковыми параметрами кристаллической решетки, поскольку выполнение этого условия позволяет уменьшить плотность дислокаций несоответствия, играющих роль центров безызлучательной рекомбинации.

Источник:

 Шуберт Ф. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. — 2-е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. – 496 с. – ISBN 978-5-9221-0851-5.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты