Гетероструктуры в полупроводниковой электронике

Содержание

Слайд 2

Вопросы к экзамену

Гетероструктуры в полупроводниковой электронике.
Полупроводниковые лазеры. Гетероструктуры в оптоэлектронике.

Вопросы к экзамену Гетероструктуры в полупроводниковой электронике. Полупроводниковые лазеры. Гетероструктуры в оптоэлектронике.

Слайд 3

Классификация полупроводников и структур на их основе

Основной химический состав полупроводникового кристалла

Классификация полупроводников и структур на их основе Основной химический состав полупроводникового кристалла
указывает химическая формула — символ элемента или формула соединения: Ge, Si, GaAs, SiC
Широко используются полупроводники на основе твердых растворов элементов или соединений. Состав твердого раствора определяют, указывая мольные доли компонентов.
Твердые растворы в системах кремний—германий — Siy Ge1-y, теллурид кадмия—теллурид ртути — Cdy Hg1-yТе,
арсенид алюминия—арсенид галлия — Aly Ga1-yAs
где у — мольная доля компонента в твердом растворе.

Слайд 4

Химический состав полупроводника

Основной химический состав полупроводников на основе твердых растворов может

Химический состав полупроводника Основной химический состав полупроводников на основе твердых растворов может
изменяться с координатой.

Наряду с компонентами основного химического состава полупроводник может содержать примесь. При неоднородном легировании химический состав полупроводника также изменяется с координатой.

Таким образом, химический состав полупроводника может изменяться с координатой вследствие изменения как основного химического состава, так и содержания примеси.
До тех пор пока изменение состава с координатой происходит плавно, сохраняется локальная связь между химическим составом и свойствами полупроводника.

Слайд 5

Классификация полупроводников с изменяющимся по координате химическим составом и полупроводниковых структур

Полупроводниковый

Классификация полупроводников с изменяющимся по координате химическим составом и полупроводниковых структур Полупроводниковый
образец, содержащий область с большим градиентом химического состава, называют структурой.
В структуре связь между химическим составом и свойствами полупроводника становится нелокальной, например концентрация носителей тока не соответствует локальному cоставу полупроводника

Слайд 6

Полупроводниковые структуры

Гомоструктуpa — образец (полупроводник), в котором область с большим градиентом химического

Полупроводниковые структуры Гомоструктуpa — образец (полупроводник), в котором область с большим градиентом
состава сформирована изменением концентрации примеси.

Гетероструктура — образец, в котором область с большим градиентом химического состава сформирована изменением основного химического состава.
Область гетероструктуры, в которой нарушена электронейтральность, называют гетеропереходом.

Слайд 7

Явление сверхинжекции

Позволяет улучшить параметры транзисторов.

При инжекции через р—n-переход носители преодолевают хотя и

Явление сверхинжекции Позволяет улучшить параметры транзисторов. При инжекции через р—n-переход носители преодолевают
пониженный за счет прямого смещения, но все же конечный барьер V.
При этом концентрация инжектированных носителей всегда меньше, чем уровень легирования области, откуда идет инжекция (для невырожденных электронов в exp(V/ kT) раз).

При использовании гетероперехода и инжекции носителей из широкозонного полупроводника в узкозонный, соответствующее отношение концентраций в соседних областях равно
exp[(V- ΔEi)/kT\, где Δ Ei — разрыв в соответствующей зоне.
Эффективность инжекции повышается в ехр(ΔEi / kT ) раз

Слайд 8

Применение гетероструктур в электронике

Высококачественные гетеропереходы в настоящее время изготавливаются в основном на

Применение гетероструктур в электронике Высококачественные гетеропереходы в настоящее время изготавливаются в основном
базе соединений АзВ5 (GaAs)
Биполярные гетеротранзисторы (НВТ), использующие SiGe в качестве базовой области - малошумящие усилители и усилители мощности.
Объединение НВТ на SiGe со стандартными КМОП и БиКМОП структурами - ИС обработки аналогового и смешанного сигналов для использования в радиопромышленности и связи
Использование деформированного SiGe в КМОП приборах повышает быстродействие p – канальных МОП структур почти на 20%.
Объединение сжатой SiGe пленки с кремнием под растягивающим напряжением с углубленным истоковым слоем n – или p – типа увеличивает эффективную подвижность в 4 раза.

Слайд 9

Тонкопленочный МОП транзистор с каналом на основе SiGe гетероструктуры

поперечное сечение

Тонкопленочный МОП транзистор с каналом на основе SiGe гетероструктуры поперечное сечение энергетическая зонная диаграмма.
энергетическая зонная диаграмма.

Слайд 10

SiGe ИС на рынке средств связи

Изделия на SiGe
Радио-, телекоммуникационное оборудование, средства

SiGe ИС на рынке средств связи Изделия на SiGe Радио-, телекоммуникационное оборудование,
сетевой передачи данных
Усилители мощности, малошумящие НВТ, делители частоты
ИС для беспроводных средств связи
ИС для беспроводных высокоскоростных сетей
БиКМОП ИС для средств радиосвязи
Спутниковые телекоммуникационные ИС
ИС для аппаратуры автоматического контроля
БиКМОП ИС для базовых станций третьего поколения
ИС для GPS приемников

Слайд 11

Гетеропереходные биполярные транзисторы на основе GaAs

Гетеропереходные биполярные транзисторы на основе GaAs

Слайд 12

Известные преимущества

GaAs имеет более высокие значения предельной скорости и подвижности носителей, чем

Известные преимущества GaAs имеет более высокие значения предельной скорости и подвижности носителей,
в кремнии
Полевые транзисторы на GaAs отличаются очень низкими шумами по сравнению с кремниевыми транзисторами
Использование GaAs является главным технологическим решением для коммерческих и военных применений в диапазоне от сотен МГц до миллиметровых длин волн

Слайд 13

InGaP/GaAs HBT

InGaP/GaAs обладает большей разницей в ширине запрещенной зоны и большей надежностью,

InGaP/GaAs HBT InGaP/GaAs обладает большей разницей в ширине запрещенной зоны и большей
чем структуры с AlGaAs эмиттером

Слайд 14

Зонная диаграмма

Зонная диаграмма в области эмиттера
Мольная доля In 0.49

Зонная диаграмма Зонная диаграмма в области эмиттера Мольная доля In 0.49

Слайд 15

Результаты моделирования

Температура решетки при Ib =0.8 мА, Vce =5В

Граничная и максимальная частота

Результаты моделирования Температура решетки при Ib =0.8 мА, Vce =5В Граничная и
при Vce =2В

Слайд 16

Основная область использования гетероструктур - оптоэлектроника

Полупроводниковые лазеры
Волноводы
Приемники излучения

Основная область использования гетероструктур - оптоэлектроника Полупроводниковые лазеры Волноводы Приемники излучения

Слайд 17

Оптоэлектронные приборы

Оптоэлектронные приборы

Слайд 18

В оптоэлектронных приборах основные процессы протекают с участием квантов света – фотонов.

В оптоэлектронных приборах основные процессы протекают с участием квантов света – фотонов.
Оптоэлектронные приборы делят на три группы:

Приборы, преобразующие электрическую энергию в оптическое излучение (светодиоды, полупроводниковые лазеры)
Приборы, детектирующие оптические сигналы за счет протекающих под действием света электронных процессов (фотодетекторы)
Приборы, осуществляющие преобразование оптического излучения в электрическую энергию (солнечные батареи)

Слайд 19

Преобразование электрической энергии в оптическое излучение

Светодиоды и полупроводниковые лазеры принадлежат к

Преобразование электрической энергии в оптическое излучение Светодиоды и полупроводниковые лазеры принадлежат к
классу люминесцентных приборов.
Люминесценция – оптическое излучение, возникающее в результате электронного возбуждения материала

Полупроводниковые лазеры испускают излучение, когерентное в пространстве и во времени ( луч строго направленный и высокомонохроматичный).

Слайд 20

Типы взаимодействия между фотонами и электронами в твердом теле:

Поглощение. Фотон может поглотиться

Типы взаимодействия между фотонами и электронами в твердом теле: Поглощение. Фотон может
в результате перехода электрона из заполненного состояния валентной зоны в свободное состояние зоны проводимости
Стимулированное излучение. Фотон может стимулировать излучение подобного себе фотона, вызывая переход электрона из заполненного состояния в зоне проводимости в свободное состояние валентной зоны
Спонтанная эмиссия.Фотон может испускаться в результате спонтанных обратных переходов электронов из зоны проводимости на свободные состояния в валентной зоне

Слайд 21

Модель основных процессов в полупроводниковом лазере

Поглощение

Спонтанное излучение

Стимулированное излучение

Столкновение фотона с атомом,

Модель основных процессов в полупроводниковом лазере Поглощение Спонтанное излучение Стимулированное излучение Столкновение
находящимся в возбужденном состоянии, приводит к переходу атома в основное состояние с испусканием фотона с энергией и фазой, как у падающего излучения

Слайд 22

Основная структура полупроводникового лазера с p-n переходом в виде резонатора Фабри -

Основная структура полупроводникового лазера с p-n переходом в виде резонатора Фабри -
Перо

При увеличении смещения на лазерном p-n переходе достигаются условия для перехода от спонтанного излучения к стимулированному.
Гетероструктуры позволяют за счет эффекта сверхинжекции достичь требуемого уровня инверсной заселенности зоны проводимости при меньших токах через p-n переход

Слайд 23

Полупроводниковые лазеры на гетероструктурах

а – гомоструктура (p-n переход); б – структура с

Полупроводниковые лазеры на гетероструктурах а – гомоструктура (p-n переход); б – структура
одним гетеропереходом; в – структура с двумя гетеропереходами

Слайд 24

Волноводный эффект

В структуре с двумя гетеропереходами носители сосредоточены внутри активной области, ограниченной

Волноводный эффект В структуре с двумя гетеропереходами носители сосредоточены внутри активной области,
потенциальными барьерами.
Излучение ограничено той же областью из-за соответствующих показателей преломления.

Если показатель преломления активной области больше показателей преломления окружающих областей, то излучение распространяется в направлении, параллельном границам раздела слоев.

Слайд 25

Фотодетекторы

Фотодектирование основано на эффектах фотоэмиссии и фотопроводимости
Фотоэмиссия – испускание электронов катодом из

Фотодетекторы Фотодектирование основано на эффектах фотоэмиссии и фотопроводимости Фотоэмиссия – испускание электронов
фоточувствительного материала (металлы Li, Na, K) под действием света, улавливаемых анодом
Эффект фотопроводимости позволяет использовать изменения в сопротивлении фоточувствительного материала для определения начальной энергии кванта света

Слайд 26

Приемники излучения

Использование гетероструктур позволяет менять ширину запрещенной зоны, обеспечивая требуемый спектр чувствительности,

Приемники излучения Использование гетероструктур позволяет менять ширину запрещенной зоны, обеспечивая требуемый спектр
и создавать эффект окна.
Пусть гетеропереход освещается со стороны широкозонного материала. Если энергия светового кванта лежит в диапазоне между ширинами запрещенной зоны узко- и широкозонного материалов, то свет проходит черех широкозонный слой без поглощения.
Образование электронно-дырочных пар происходит в узкозонном материале в глубине прибора.
Эффектом поверхностной рекомбинации можно пренебречь.
Имя файла: Гетероструктуры-в-полупроводниковой-электронике-.pptx
Количество просмотров: 559
Количество скачиваний: 9