Лазеры на гетероструктурах

Особое значение имеют гетероструктурные лазеры, которые не требуют охлаждения и работают при комнатнойтемпературе. Этими проблемами занимался академик Жорес ИвановичАлферов, получивший в 2000г. за выдающиеся открытия в области гетероструктур Нобелевскую премию.

 

Гетеропереходом называется переход, образованный между двумя полупроводниками с различной шириной запрещенной зоны.

Полупроводники должны иметь близкие кристаллические структуры, например переходы, созданные из так называемых «твердых растворов»: AlGaAs-GaAs, InP-GaInAs и т.д.

Этим гетеропереходы отличаются от гомопереходов.

 

Гомопереход – этопереход, созданный на основе одного полупроводника с различной проводимостью (например, контакт кремния с электронной и дырочной проводимостью).

 

Рассмотрим p-n гетеропереход, у которого ширина запрещенной зоны n-полупроводника больше, чем у p-полупроводника:

n p

 

W_П`

W_П Ө

W`

 

W_В`

W

 

W_В

 

 

W> W`

Как видно из энергетической диаграммы такого перехода, высота энергетического барьера для электронов, движущихся из n-области в p-область () гораздо меньше энергетического барьера для дырок, движущихся из p-области в n-область (). Поэтому при подаче на такой гетеропереход прямого напряжения будет преобладать инжекция электронов, т.е. получится односторонняя инжекция. Этим гетеропереход принципиально отличается от гомоперехода.

Гетеропереход может быть создан на основе полупроводников одного типа проводимости (p-p⁺ или n-n⁺).

 

 

p p⁺

 

W_П`

 

W`

W_П Ө

W_В`

W_В W

W< W`

 

 

Высота энергетического барьера для электронов (ННЗ), переходящих из p в p⁺-область, будет значительной, т.е. в базе (p⁺-область) не будут накапливаться ННЗ, следовательно, не требуется время на их рассасывание, а значит, повышается быстродействие (переключение прибора, построенного на таком переходе, будет значительно быстрее.)

Использование двойных гетероструктур (ДГС),таких как p-n-n⁺ или n-p-p⁺ позволили получить сверхинжекцию и, тем самым, увеличить коэффициент усиления и повысить КПД.

Применение гетеропереходов:

а) Гетеропереходы n-n⁺ и p-p⁺ применяются для создания:

· сверхскоростных интегральных микросхем;

· малошумящих сверхвысокочастотных полевых транзисторов, которые используются в системах спутникового телевидения.

 

б) Свойство односторонней инжекции в p-n гетеропереходе используется для создания биполярных гетероструктурных транзисторов, на основе которых работают усилители в мобильных телефонах.

в) Солнечные элементы на основе гетероструктур широко используются в космосе (космическая станция «Мир» проработала на таких солнечных элементах 15 лет, пока не была затоплена в океане).

 

г) С помощью гетероструктур можно изменять параметры полупроводниковых кристаллов (ширину запрещенной зоны, эффективную массу НЗ и их подвижность, показатель преломления, энергетический спектр и т.д.), т.е. искусственно создавать новые типы полупроводников – гетерополупроводники.