Сверхрешетки. Энергетические диаграммы сверхрешеток. Свойства электронов в сверхрешетках.

Сверхрешетки – это кристаллические структуры, в которых, кроме периодического потенциала кристаллической решетки, имеется другой периодический потенциал, период которого значительно превышает постоянную решетки, но соответствует наномасштабам. В настоящее время наиболее широко применяются полупроводниковые сверхрешетки. Они состоят из чередующихся слоев двух полупроводников, различающихся или составом, или типом проводимости. Широко используют два типа полупроводниковых сверхрешеток: композиционные и легированные. Композиционные сверхрешетки – это гетероструктуры из чередующихся слоев различного состава и ширины запрещенной зоны, но с близкими значениями постоянной решетки. Например, AlxGax–1As-GaAs; InxGax–1As-GaAs; InxGax–1As-InP; ZnS-ZnSeидр.

Легированные сверхрешетки – это периодическая последовательность слоев n- и р-типа одного и того же полупроводника. Донорные атомы в n-слоях отдают электроны, которые связываются акцепторными атомами в р-слоях. Дополнительный периодический потенциал создают чередующиеся заряды ионизированных акцепторов и доноров. Существуют также сверхрешетки из металлов, сверхпроводников и диэлектриков.

На рис. 2.13 показан потенциальный профиль легированной сверхрешетки. Чередующиеся заряды ионизированных доноров и акцепторов создают последовательность потенциальных ям для электронов и дырок. Электроны и дырки оказываются пространственно разделенными: дырки находятся в потенциальных ямах валентной зоны р-слоя, электроны – в потенциальных ямах зоны проводимости n-слоя. Штриховкой показаны мини-зоны;

В легированных сверхрешетках электроны и дырки пространственноразделены (см. рис. 1.13). Генерируемые светом пары электрон – дырка (неравновесные носители) также пространственно разделяются, что подавляет рекомбинацию и увеличивает их время жизни до ~103 с.

В модулированно-легированных композиционных сверхрешеткахширокозонный полупроводник (например, AlGaAs) легируется донорной примесью. Электроны с донорных уровней барьера переходят в ямы зоны проводимости узкозонного полупроводника, например GaAs (см. рис. 1.12, б). В барьерах остаются ионизованные доноры (примесные центры), в ямах образуется 2D-электронный газ с высокой плотностью и подвижностью электронов. Высокая подвижность обусловлена тем, что плотность электронов в узкозонном слое больше плотности центров рассеяния, а донорные примесные центры заключены в широкозонных слоях. Эффект увеличения подвижности особенно значителен при низких температурах, когда главный вклад в рассеяние движущихся электронов вносит их рассеяние на примесях. Высокая подвижность электронов позволяет создавать на сверхрешетках быстродействующие приборы, например транзисторы с проводящими каналами, параллельными слоям. Время переключения таких транзисторов может составлять пикосекунды.

Сверхрешетки используются в ряде полупроводниковых приборов, например в лазерах, светодиодах, фотоприемниках, а также в транзисторах и других устройствах с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Принципы действия подобных приборов основаны на специфических для сверхрешеток явлениях: квантовом ограничении носителей заряда в потенциальных ямах, пространственном разделении электронов и дырок (большие времена жизни неравновесных носителей) или электронов идоноров (высокие подвижности), резонансном туннелировании, малых временах туннельных переходов, возможности перестройки энергетического спектра.