Классификация полупроводников и структур на их основе

      Основной химический состав полупроводникового кристалла определяют, указывая химическую формулу - символ элемента или формулу соединения, например: германий - Ge, кремний - Si, арсенид галлия - GaAs, карбид кремния - SiC и т.д. Широко используются полупроводники на основе твердых растворов элементов или соединений. Состав твердого раствора определяют, указывая мольные доли компонентов. Например, твердые растворы в системах кремний - германий - Si_yGe_1-y, теллурид кадмия - теллурид ртути - Cd_yHg_1-yTe, арсенид алюминия - арсенид галлия - Al_yGa_1-yAs и т.д., где y-мольная доля компонента в твердом растворе. 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.

    В общем случае 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, свойства полупроводника следуют изменению состава - сохраняется локальная связь между химическим составом и свойствами полупроводника. В этом случае образец полупроводника представляет собой либо варизонный полупроводник - твердый раствор переменного состава (при изменении с координатой основного химического состава), либо неоднородный полупроводник (при изменении содержания примеси).

      Если градиент химического состава (градиент мольного компонента или градиент концентрации примеси) превосходит некоторую величину, связь между химическим составом и свойствами полупроводника становится нелокальной, например концентрация носителей тока не соответствует локальному составу полупроводника. Полупроводниковый образец, содержащий область с большим градиентом химического состава, называют структурой. Различают два вида структур. Гомоструктура - образец, в котором область с большим градиентом химического состава сформирована изменением концентрации примеси. Гетероструктура - образец, в котором область с большим градиентом химического состава называют металлургическим переходом.

    Таким образом, в зависимости от характера изменения состава с координатой различают 4 вида полупроводниковых материалов и структур: неоднородный полупроводник. гомоструктура, варизонный полупроводник, гетероструктура. Эта классификация представлена на рис.1.1 в виде схемы. Для наглядности рассмотрен случай бинарного твердого раствора A_yB_1-y, легированного примесью с концентрацией N, когда локальный состав можно определить формулой A_yB_1-y<N>. Если основной состав с координатой x не меняется [y=const(x)], а содержание примеси изменяется [N=N(x)], то формируется либо неоднородный полупроводник, либо гомоструктура. При изменении основного состава [y=y(x)] формируется либо варизонный полупроводник, либо гетероструктура.

     Локальная связь свойств полупроводника и его химического состава нарушена в структуре не только в области с большим градиентом химического состава, но и в ее окрестности. Область структуры, в которой нарушена локальная связь состав-свойства, называют переходом. Основной причиной, не всегда единственной, нелокальной связи состав-свойства в переходе является существенное нарушение электронейтральности. Поэтому переход отождествляют с областью об‎ъёмного заряда (ООЗ), которая представляет собой двойной слой зарядов, расположенных таким образом, что в структуре обеспечивается диффузионно-дрейфовое равновесие носителей тока. Иначе говоря, переход, или ООЗ, обеспечивает постоянство электрохимического потенциала электронов по всей структуре. Незанятые переходом области называют базовыми или квазинейтральными областями структуры. 

       Таким образом, структура содержит три элемента(рис.1.2): квазинейтральные области, область с большим градиентом состава и переход. 

    Толщина перехода x_Σ больше толщины δ области с большим градиентом состава. Переходы разделяют на плавные(x_Σ > δ)  и резкие(x_Σ ≫ δ). Предельным случаем резкого перехода является атомно-плотный контакт двух материалов разного состава. В контакте металлургический переход занимает очень тонкий слой, математически - это поверхность контакта.

      В области перехода существенно меняется концентрация носителей тока. Возможна смена типа (знака) основных носителей тока. В связи с этим различают изотипные(n-n⁺, p-p⁺) и анизотипные( p-n, p⁺-n, p-n⁺) переходы и структуры. 

   Представленная на рис. 1.1 схема не является полной и не охватывает все виды полупроводников с изменяющимся по координате химическим составом и структур. В схему не вошли неупорядоченные системы (на основе сильнолегированных полупроводников или твердых растворов) и системы с размерным квантованием (сверхрешетки, квантовые нити, точки).

Вопросы

1. Как определяют основной химический состав полупроводника?

2. Какие материалы называются твердыми растворами?

3. 

Литература

1. В.И. Ильин, С.Ф. Мусихин, А.Я. Шик - Варизонные полупроводники и гетероструктуры, Наука 2000, стр. 8-11