Курс лекций по Физике наноразмерных систем (1088950), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Èçîáðàæåíû çàâèñèìîñòè êîíöåíòðàöèè ýëåêòðîíîâ ïðîâîäèìîñòè, ïîòåíöèàë ýëåêòðîñòàòè÷åñêîãî ïîëÿ è ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ ýëåêòðîíà âïîëå êàê ôóíêöèè ðàññòîÿíèÿ äî ãðàíèöû ïîëóïðîâîäíèêà, à òàêæå ñòðóêòóðà çîí(Ed äîíîðíûå óðîâíè).Îòìåòèì, ÷òî â äàííîì ñëó÷àå ìîæåò íàáëþäàòüñÿ èíòåðåñíîå ÿâëåíèå ïðè äîñòàòî÷íî ñèëüíîì âíåøíåì ïîëå âáëèçè ëåâîé ãðàíèöû ïîëóïðîâîäíèêàýëåêòðîííûé ãàç ìîæåò áûòü âûðîæäåí, åñëè óðîâåíü Ôåðìè (ýëåêòðîõèìè÷åñêèéïîòåíöèàë) ïîïàäåò â çîíó ïðîâîäèìîñòè.  êà÷åñòâå óïðàæíåíèÿ ðåêîìåíäóåì÷èòàòåëþ ñàìîñòîÿòåëüíî èçîáðàçèòü êàðòèíó çîí äëÿ äðóãîãî çíàêà íàïðÿæåíèÿ,4 Ñâÿçü ìåæäó ϱ è φ çàâèñèò, åñòåñòâåííî, îò òèïà ïîëóïðîâîäíèêà è òåìïåðàòóðû.
Íàïðèìåð,äëÿ íåâûðîæäåííîãî ñîáñòâåííîãî ïîëóïðîâîäíèêà ìîæíî âîñïîëüçîâàòüñÿ ñîîòíîøåíèÿìè (6.12).5ïðèëîæåííîãî ê ïîëóïðîâîäíèêó (ñì. çàäà÷ó 6.1.).Çàäà÷à 6.1. Ýëåêòðîííûé ïîëóïðîâîäíèê íàõîäèòñÿ â îäíîðîäíîì âíåøíåì ýëåêòðè÷åñêîì ïîëå (ñì. ðèñóíîê).Èçîáðàçèòü ïðèìåðíûé âèä ñòðóêòóðû çîí â ïîëóïðîâîäíèêå, à òàêæå ãðàôèêè çàâèñèìîñòè êîíöåíòðàöèè ýëåêòðîíîâ ïðîâîäèìîñòè ne(x), ïîòåíöèàëà ïîëÿ φ(x) è ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè ýëåêòðîíà u(x), ãäå x ðàññòîÿíèå äî ëåâîé ãðàíèöû. Âûÿñíèòü, âîçìîæíî ëèïîÿâëåíèå â äàííîì ñëó÷àå îêîëî ãðàíèöû âûðîæäåííîãî ýëåêòðîííîãî ãàçà èëè èíâåðñíîãîñëîÿ (ñëîÿ, ãäå ìåíÿåòñÿ òèï ïðîâîäèìîñòè â ïîëóïðîâîäíèêå).67.Êîíòàêòíûå ÿâëåíèÿ â êðèñòàëëè÷åñêèõñòðóêòóðàõ7.1.Êîíòàêò ìåòàëë-ìåòàëëÐàññìîòðèì ïðîñòåéøèé òèï êîíòàêòà: êîíòàêò äâóõ ðàçëè÷íûõ ìåòàëëîâ.Ðèñ.
7.1. Íà ðèñóíêå à) èñõîäíàÿ ñõåìà çîí; á) ñõåìà çîí â êîíòàêòå. F1 è F2 óðîâíè Ôåðìè èçîëèðîâàííûõ ìåòàëëîâ; u1 = −eφ1 è u2 = −eφ2 äîïîëíèòåëüíûåïîòåíöèàëüíûå ýíåðãèè ýëåêòðîíà â ìåòàëëàõ.Ôèçè÷åñêè ÿñíî, ÷òî ýëåêòðîíû ïåðåõîäÿò èç ìåòàëëà, ãäå ïåðâîíà÷àëüíûé óðîâåíü Ôåðìè âûøå, â ìåòàëë, ãäå îí íèæå.
Ïðè óñòàíîâëåíèÿ åäèíîãî óðîâíÿ Ôåðìè âîáëàñòè êîíòàêòà ìåòàëëîâ îáðàçóåòñÿ ïåðåõîäíûé (äâîéíîé çàðÿæåííûé) ñëîé. Äëÿñèòóàöèè, ïîêàçàííîé íà Ðèñ. 7.1., â ìåòàëëå 1 âîçíèêàåò ïîëîæèòåëüíûé îáúåìíûéçàðÿä, à â ìåòàëëå 2 îòðèöàòåëüíûé. Êàê óæå îòìå÷àëîñü, ïåðåõîäíûå ñëîè âìåòàëëàõ î÷åíü òîíêèå d ≈ 1 − 10 A, ïîýòîìó â îáëàñòè êîíòàêòà ïðîèñõîäèò ðåçêèé ñêà÷îê ïîòåíöèàëà, âíå êîòîðîãî ïîòåíöèàë â êàæäîì èç ìåòàëëîâ ïîñòîÿíåí.Íà Ðèñ. 7.1. φ1 > φ2. Îòìåòèì, ÷òî âåëè÷èíû χ1, Φ1 è χ2, Φ2 ïîñëå ñîåäèíåíèÿìåòàëëîâ íå ìåíÿþòñÿ.Òåðìîäèíàìè÷åñêîå óñëîâèå ðàâíîâåñèÿ:F = constÈç íåãî ñëåäóåò, ÷òîÂåëè÷èíà(7.1)F1 − eφ1 = F2 − eφ2 .φê = φ1 − φ2íàçûâàåòñÿ êîíòàêòíîé ðàçíîñòüþ ïîòåíöèàëîâ.
Äëÿ íåå ïîëó÷àåì âûðàæåíèåeφê = F1 − F2 = Φ2 − Φ1(êîíòàêò ìåòàëë-ìåòàëë)(7.2)1Äëÿ ìåòàëëîâ φê = 10−3 − 10−2 Â.7.2.Êîíòàêò ìåòàëë-ïîëóïðîâîäíèêÐàññìîòðèì òåïåðü, êàê ìåíÿåòñÿ ñòðóêòóðà çîí â îáëàñòè êîíòàêòà ìåòàëëà ñ ïîëóïðîâîäíèêîì. Äëÿ îïðåäåëåííîñòè áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî ïîëóïðîâîäíèê ýëåêòðîííûéè óðîâåíü Ôåðìè èçîëèðîâàííîãî ìåòàëëà Fì ëåæèò íèæå óðîâíÿ Ôåðìè ïîëóïðîâîäíèêà Fï.
Äëÿ òåðìîýëåêòðîííûõ ðàáîò âûõîäà â äàííîì ñëó÷àå èìååì, î÷åâèäíî,íåðàâåíñòâî Φì > Φï.•Çàìå÷àíèå: Óäîáñòâî èñïîëüçîâàíèÿ ïîíÿòèÿ òåðìîýëåêòðîííîé ðàáîòû âûõîäà ñî-ñòîèò â òîì, ÷òî îíî ïîçâîëÿåò ñîîáðàçèòü, â êàêóþ ñòîðîíó áóäåò íàïðàâëåí ïîòîêýëåêòðîíîâ â ïåðâûé ìîìåíò ñîïðèêîñíîâåíèÿ òåë. ßñíî, ÷òî èñòî÷íèêîì ýëåêòðîíîâ áóäåò òî òåëî, äëÿ êîòîðîãî òåðìîýëåêòðîííàÿ ðàáîòà âûõîäà ìåíüøå.Ðèñ.
7.2. Êîíòàêò ìåòàëë-ýëåêòðîííûé ïîëóïðîâîäíèê â ñëó÷àå Φì > Φï. L òîëùèíà ñëîÿ îáúåìíîãî çàðÿäà â ïîëóïðîâîäíèêå.Ñòðóêòóðà çîí â êîíòàêòå ïîêàçàíà íà Ðèñ. 7.2. Èç ðèñóíêà ÿñíî, ÷òî êîíòàêòíàÿðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ óäîâëåòâîðÿåò ñîîòíîøåíèþeφê = Φì − Φï .(7.3)Êàê óæå îòìå÷àëîñü, òîëùèíà ñëîÿ îáúåìíîãî çàðÿäà â ìåòàëëå ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíî10−8 − 10−7 ñì, à â ïîëóïðîâîäíèêå ìîæåò äîñòèãàòü çíà÷åíèé 10−4 ñì è äàæå áîëüøå.
Ïîýòîìó ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ â ñëîå îáúåìíîãî çàðÿäà ìåòàëëà íè÷òîæíî ìàëàïî ñðàâíåíèþ ñ ðàçíîñòüþ ïîòåíöèàëîâ â ïîëóïðîâîäíèêå. Îòìåòèì, ÷òî â êîíòàêòå äàííîãî òèïà äëÿ ýëåêòðîíîâ ïðîâîäèìîñòè â ïðèïîâåðõíîñòíîì ñëîå âîçíèêàåòïîòåíöèàëüíûé áàðüåð (ñì. Ðèñ. 7.2.).Àíàëîãè÷íûì îáðàçîì íåòðóäíî ïîñòðîèòü êà÷åñòâåííóþ êàðòèíó çîí â îáëàñòèêîíòàêòà ìåòàëë-ýëåêòðîííûé ïîëóïðîâîäíèê â ñëó÷àå Φì < Φï, à òàêæå äëÿ êîíòàêòà ìåòàëë-äûðî÷íûé ïîëóïðîâîäíèê. íàíîñòðóêòóðàõ ðàññìîòðåííûé òèï êîíòàêòà èãðàåò âàæíóþ ðîëü, òàê êàê ìåòàëëû ñëóæàò ýëåêòðîäàìè äëÿ ïîäà÷è íàïðÿæåíèÿ ê îòäåëüíûì ýëåìåíòàì ñòðóêòóðû.7.3.Êîíòàêò ìåòàëë-äèýëåêòðèê-ïîëóïðîâîäíèê óñòðîéñòâàõ ìèêðîýëåêòðîíèêè äîâîëüíî ÷àñòî âñòðå÷àåòñÿ åùå îäèí òèï êîíòàêòà ñëîèñòàÿ ñòðóêòóðà ìåòàëë-äèýëåêòðèê-ïîëóïðîâîäíèê.
Ðîëü äèýëåêòðèêà îáû÷íîèãðàåò îêèñåë ìåòàëëà èëè ïîëóïðîâîäíèêà, êîòîðûé ó÷àñòâóåò â êîíòàêòå.2Íà Ðèñ. 7.3. ïðèâåäåíà ñõåìà ÌÎÏ-ïîëåâîãî òðàíçèñòîðà (ìåòàëë-îêèñåëïîëóïðîâîäíèê) Al SiO2 (p-Si).  ýòîì òðàíçèñòîðå áûë îòêðûò îäèí èç ñàìûõíåîáû÷íûõ è èíòåðåñíûõ ýôôåêòîâ â ôèçèêå òâåðäîãî òåëà êâàíòîâûé ýôôåêòÕîëëà.Íà ýëåêòðîä Al ïîäàåòñÿ íàïðÿæåíèå çàòâîðà Vg .
Ñèìâîëîì n+îáîçíà÷åíû ñèëüíî ëåãèðîâàííûå àêöåïòîðàìè îáëàñòè ñ àëþìèíèåâûìïîêðûòèåì. Îíè ñîîòâåòñòâóþò èñòîêó(S source) è ñòîêó (D drain)çàðÿäîâ. îáúåìå p − Si ÷àñòü ýëåêòðîíîâ èçâàëåíòíîé çîíû ñâÿçàíà íà àêöåïòîðíûõïðèìåñÿõ, â ðåçóëüòàòå ÷åãî â âàëåíòíîéçîíå îáðàçîâàëèñü ñâîáîäíûå íîñèòåëèÐèñ. 7.3.çàðÿäà äûðêè. Äûðêè ñ íàèìåíüøåéýíåðãèåé íàõîäÿòñÿ ó âåðøèíû âàëåíòíîé çîíû, òàê ÷òî óðîâåíü Ôåðìè áëèçîê ê âåðøèíå ýòîé çîíû.
Ïðèòÿíóòûå ê ïîâåðõíîñòè ýëåêòðîíû ñíà÷àëà çàïîëíÿþò ýòè äûðî÷íûå ñîñòîÿíèÿ, ñîçäàâàÿ îòðèöàòåëüíûé çàðÿä, ïëîòíîñòü êîòîðîãî ðàâíà ïëîòíîñòè àêöåïòîðîâ ñîçäàåòñÿ îáåäíåííûé äûðêàìè ñëîé.Îäíàêî, åñëè íàïðÿæåíèå íà çàòâîðå äîñòàòî÷íî âåëèêî, âîçíèêàåòñòðóêòóðà çîí, ïîêàçàííàÿ íà Ðèñ.7.4. Äíî çîíû ïðîâîäèìîñòè ó ãðàíèöû îïóñêàåòñÿ íèæå óðîâíÿ Ôåðìèè ýëåêòðîíû çàïîëíÿþò ñîñòîÿíèÿâ ïîòåíöèàëüíîé ÿìå îáðàçóåòñÿèíâåðñíûéñëîé c äâóìåðíûìýëåêòðîííûì ãàçîì1 . ðåàëüíîìÌÎÏ-ïîëåâîì òðàíçèñòîðå òîëùèíàîêèñëà SiO2 ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíîÐèñ. 7.4.5000 A, à èíâåðñíûé ñëîé èìååò òîëùèíó dèíâ ≈ 25 A.Çàäà÷à 7.1.
Èçîáðàçèòü ñòðóêòóðó ýíåðãåòè÷åñêèõ çîí â îáëàñòè êîíòàêòà ìåòàëëà è ýëåêòðîííîãî ïîëóïðîâîäíèêà â ñëó÷àå Φì < Φï, ãäå Φì è Φï çíà÷åíèÿòåðìîýëåêòðîííîé ðàáîòû âûõîäà äëÿ ìåòàëëà è ïîëóïðîâîäíèêà. Âûâåñòè ñîîòíîøåíèå ìåæäó ìåæäó Φì, Φï è êîíòàêòíîé ðàçíîñòüþ ïîòåíöèàëîâ φê. èíâåðñíîì ñëîå íîñèòåëÿìè çàðÿäà ÿâëÿþòñÿ ñâîáîäíûå ýëåêòðîíû íåîñíîâíûå íîñèòåëè âîáúåìå p − Si.138.Ãåòåðîïåðåõîäû è ãåòåðîñòðóêòóðû8.1.Ïîíÿòèå ãåòåðîïåðåõîäà êîíòàêò äâóõ ðàçëè÷íûõ ïî õèìè÷åñêîìó ñîñòàâó ïîëóïðîâîäíèêîâ (ìîíîêðèñòàëëè÷åñêèõ èëè àìîðôíûõ). Äëÿ ïðàêòè÷åñêèõ ïðèëîæåíèéíàèáîëåå ÷àñòî èñïîëüçóþòñÿ ãåòåðîïåðåõîäû, îáðàçîâàííûå ìîíîêðèñòàëëàìè.Èçîòèïíûé ãåòåðîïåðåõîä êîíòàêò ïîëóïðîâîäíèêîâ ñ îäèíàêîâûì òèïîìïðîâîäèìîñòè.Àíèçîòèïíûé ãåòåðîïåðåõîä êîíòàêò ïîëóïðîâîäíèêîâ ñ ðàçëè÷íûìè òèïàìè ïðîâîäèìîñòè.Òðåáîâàíèÿ ê ãåòåðîïåðåõîäàì î÷åíü æåñòêèå.
Äëÿ ïîëó÷åíèÿ ãåòåðîïåðåõîäîâáåç äåôåêòîâ êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè íåîáõîäèìî, ÷òîáû ñîâïàäàëè òèïû êðèñòàëëè÷åñêèõ ðåøåòîê ïîëóïðîâîäíèêîâ, èõ ïåðèîäû è êîýôôèöèåíòû òåïëîâîãîðàñøèðåíèÿ. Ïðèìåð ïî÷òè èäåàëüíîãî ãåòåðîïåðåõîäà GaAs − AlxGa1−xAs. äàííîì ñëó÷àå ïåðèîäû êðèñòàëëè÷åñêèõ ðåøåòîê ñîâïàäàþò ñ òî÷íîñòüþ ≈0, 1 %.Ãåòåðîïåðåõîäû ïðèíÿòî ðàçäåëÿòü íà ðåçêèå è ïëàâíûå.
 ðåçêèõ ãåòåðîïåðåõîäàõ íà ãðàíèöå ïîëóïðîâîäíèêîâ ïðîèñõîäèò ðàçðûâ çîí è â ïåðåõîäíîé îáëàñòè èìååòñÿ çàìåòíûé îáúåìíûé çàðÿä.  ïëàâíûõ ãåòåðîïåðåõîäàõ ñ äîñòàòî÷íîáîëüøîé òîëùèíîé ïåðåõîäíîé îáëàñòè íåò ðàçðûâà çîí. Íàïðèìåð, â èçîòèïíîìïåðåõîäå ïðè lïåð ≫ lD , ãäå lD äåáàåâñêàÿ äëèíà ýêðàíèðîâàíèÿ, ïðàêòè÷åñêèîòñóòñòâóåò îáúåìíûé çàðÿä è ïåðåõîäíàÿ îáëàñòü ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé êðèñòàëëñ ïåðåìåííîé øèðèíîé çàïðåùåííîé çîíû Eg .Òîëùèíà lïåð ïåðåõîäíîé îáëàñòè ìåæäó îäíîðîäíûìè ïîëóïðîâîäíèêàìè ìîæåò èçìåíÿòüñÿ â øèðîêèõ ïðåäåëàõ.
 íàèáîëåå ðåçêèõ ïåðåõîäàõ lïåð ≈ 10 A íåñêîëüêî àòîìíûõ ñëîåâ.• Ãåòåðîïåðåõîä••••8.2.Îäèíî÷íûé ãåòåðîïåðåõîä íàñòîÿùåå âðåìÿ ïîëó÷åíî è èññëåäîâàíî ìíîãî èçîòèïíûõ è àíèçîòèïíûõ ãåòåðîïåðåõîäîâ. Íàèáîëüøåå ïðàêòè÷åñêîå çíà÷åíèå èìåþò ãåòåðîïåðåõîäû íà îñíîâå ïîëóïðîâîäíèêîâ GaAs è AlxGa1−xAs (èõ ïðîâîäèìîñòü èçìåíÿþò ñ ïîìîùüþ ëåãèðîâàíèÿ).• Øèðèíà çàïðåùåííîé çîíû â GaAs ìåíüøå, ÷åì â Alx Ga1−x As. Ïîýòîìó â ãåòåðîïåðåõîäàõ àðñåíèä ãàëëèÿ GaAs èãðàåò ðîëü óçêîçîííîãî ïîëóïðîâîäíèêà, àAlx Ga1−x As øèðîêîçîííîãî ïîëóïðîâîäíèêà.Êà÷åñòâåííóþ çîííóþ äèàãðàììó â îáëàñòè ãåòåðîïåðåõîäà íåòðóäíî ïîñòðîèòü â ðàìêàõ ïðèáëèæåíèÿ èñêðèâëåííûõ çîí, êîòîðîå îáñóæäàëîñü ðàíåå.Íà Ðèñ. 8.1 â êà÷åñòâå ïðèìåðà èçîáðàæåíà çîííàÿ äèàãðàììà àíèçîòèïíîãî N − pãåòåðîïåðåõîäà1.
Èç ðèñóíêà âèäíî, ÷òî íà ãðàíèöå âîçíèêàåò ðàçðûâ çîí. Åñëè ïåðåõîä ïëàâíûé, òî ðàçðûâû îòñóòñòâóþò.  ÷àñòíîñòè, âìåñòî õàðàêòåðíîãî êðþêàíàáëþäàåòñÿ ïëàâíîå èçìåíåíèå äíà çîíû ïðîâîäèìîñòè. Îòìåòèì âàæíîå îáñòîÿòåëüñòâî, ïîêàçàííîå íà Ðèñ. 8.1., ïîÿâëåíèå ïîòåíöèàëüíûõ áàðüåðîâ äëÿ ýëåêòðîíîâ èäûðîê â ãåòåðîïåðåõîäå.1Çàãëàâíîé áóêâîé ïðèíÿòî îáîçíà÷àòü øèðîêîçîííûé, à ñòðî÷íîé óçêîçîííûé ïîëóïðîâîäíèê.1Ðåçêèé àíèçîòèïíûé N − p ãåòåðîïåðåõîä. Ñëåâà çîííàÿ äèàãðàììà ïîëóïðîâîäíèêîâ äî ñîåäèíåíèÿ, ñïðàâà ïîñëå ñîåäèíåíèÿ. Âåëè÷èíàφ = (F − F ) /e êîíòàêòíàÿ ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ.Ðèñ.8.1.1k2Âàæíûì òèïîì ãåòåðîïåðåõîäà ÿâëÿåòñÿ ñåëåêòèâíî-ëåãèðîâàííûé ãåòåðîïåðåõîä, êîãäà ëåãèðóåòñÿ òîëüêî îäèí èç ïîëóïðîâîäíèêîâ.Ñåëåêòèâíî-ëåãèðîâàííûé ãåòåðîïåðåõîä (N AlxGa1−xAs − GaAs) èìååòñÿ â ïîëåâîìòðàíçèñòîðå, êîòîðûé ñëóæèò ýëåìåíòîì ïðîöåññîðîâ â ñîâðåìåííûõ êîìïüþòåðàõ.Ñõåìà ýòîãî ïîëåâîãî òðàíçèñòîðà èçîáðàæåíà íà Ðèñ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
