Гетероструктуры

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный горный университет

Кафедра общей и технической физики

(лаборатория физики твердого тела)

Исследование

СВЕТОДИОДов

Методические указания к лабораторной работе № 10

Для студентов всех специальностей

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2011

УДК 531/534 (075.83)

ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА: Лабораторный практикум курса общей физики. Парфенова И.И., Томаев В.В., Стоянова Т.В. / Санкт-Петербургский горный технический университет. С-Пб, 2011, 14 с.

Лабораторный практикум курса общей физики по физике твердого тела предназначен для студентов всех специальностей Санкт-Петербургского горного университета.

С помощью учебного пособия студент имеет возможность, в предварительном плане, ознакомиться с физическими явлениями, методикой выполнения лабораторного исследования и правилами оформления лабораторных работ.

Выполнение лабораторных работ практикума проводится студентом индивидуально по графику.

Табл. 3. Ил. 2. Библиогр.: 5 назв.

Научный редактор доц. И.И. Парфенова

© Санкт-Петербургский горный Университет, 2011 г.

Цель работы: Изучение работы светодиодов. Определение постоянной Планка.

Теоретические основы лабораторной работы

Гетероструктуры

В основе светоизлучающего диода лежит многослойная гетероструктура. Гетероструктура представляет собой последовательность полупроводниковых слоев отличающихся химическим составом и шириной запрещенной зоны.

Гетеропереходом называют переходный слой с существующим в нём диффузионным электрическим полем между двумя различными по химическому составу полупроводниками.

Для формирования качественного гетероперехода необходимо совпадение типа, ориентации и периода кристаллических решёток контактирующих полупроводников.

При образовании гетероперехода, из-за различия работ выхода электронов из разных полупроводников, происходит перераспределение носителей заряда в приконтактной области и выравнивание уровней Ферми. В результате установления термодинамического равновесия, остальные энергетические уровни изгибаются – возникают диффузионное электрическое поле и контактная разность потенциалов. Энергетические зоны различных полупроводников отличаются по ширине, поэтому на границе раздела двух полупроводников получается разрыв дна зоны проводимости и валентной зоны, что приводит к наличию разной высоты потенциального барьера для электронов и дырок. В связи с этим, прямой ток через гетеропереход связан в основном с движением носителей заряда только одного знака.

Гетеропереходы делятся на три основные типа:

а) гетеропереход I типа,

б) ступенчатый гетеропереход II типа,

в) разъединенный гетеропереход II типа

Рис.1 Схематическое изображение разных типов гетеропереходов: а) гетеропереход I типа, б) ступенчатый гетеропереход II типа, в) разъединенный гетеропереход II типа, где DE_C, DE_V – разрывы зон проводимости и валентных зон; E_g^A ширина запрещенной зоны полупроводника А, E_g^B - полупроводника В.

В гетеропереходах I‑типа (Рис.1а) валентная зона и зона проводимости узкозонного полупроводника "вставлены" в запрещенную зону широкозонного материала. Классическими представителями этого типа являются системы GaAs-AlGaAs и InP-InGaAs, которые широко применяются при изготовлении лазеров ближнего инфракрасного диапазона (от 0,7 мкм до 1мкм) .

В гетеропереходах второго типа разрывы валентной зоны и зоны проводимости на гетерогранице могут быть столь большими, что зона проводимости одного материала будет лежать ниже валентной зоны другого материала (Рис.1в), как это имеет место в системе GaSb-InAs. Такой гетеропереход называют разъединённым. Фундаментальным свойством гетеропереходов II типа является пространственное разделение электронов и дырок и их накопление в самосогласованных квантовых ямах на границе перехода.

Рис.2. Энергетическая диаграмма ступенчатого n-p гетероперехода II типа при прямом смещении, где E_F – энергия Ферми, hν – энергия излученного фотона.

Условия рекомбинации на гетерограницах II типа сильно зависят от приложенного внешнего электрического поля.

В настоящее время практически все оптоэлектронные приборы основаны на гетероструктурах.