МЕНЮ

Физика гетероперехода на основе эфиродинамических моделей атомных структур

Предложена интерпретация физических процессов гетероперехода на основе структурно-аналитического подхода с использованием эфиродинамических моделей атомных структур.

Введение. Сейчас очень трудно представить современную физику твердого тела без полупроводниковых гетероструктур (ГС). Полупроводниковые ГС и, особенно, двойные гетероструктуры (ДГС), включая квантовые ямы, нити и точки, являются сегодня предметом исследований 2/3 исследовательских групп в области физики полупроводников. [1]

            Если возможность управления электропроводностью полупроводников с помощью легирования различными примесями и идея инжекции носителей электрического заряда были теми семенами, из которых выросла полупроводниковая электроника, то ГС дают возможность решить значительно более общую проблему управления фундаментальными параметрами в полупроводниковых кристаллах и приборах: шириной запрещенной зоны, эффективными массами носителей, показателем преломления, энергетическим спектром и т. д.

            Электронные  устройства на основе ГС широко используются во многих областях человеческой деятельности: телекоммутационные системы, основанные на лазерах с ДГС, светодиоды и биполярные транзисторы, малошумящие транзисторы, солнечные элементы для космических и земных программ.

            Идея использования ГС в полупроводниковой электронике была выдвинута на заре развития электроники сначала в виде гетероперехода (ГП).  Впервые на возможность использования свойств контакта двух различных полупроводников для повышения эффективности инжекции в биполярных транзисторах указывал Шокли в 1948 году. [2] Однако принято считать, что изучение ГП началось с работы американского физика Герберта Крёмера, опубликовавшего в 1957 году теорию широкозонного эмиттера для транзистора. Крёмер выдвинул идею относительно преимуществ р-п-переходов с переменной шириной запрещенной зоны, заключающихся в увеличении инжекции и управлении длиной диффузии неосновных носителей заряда из-за возникновения «квазиэлектрических» полей в таких структурах. [3]

Но самый мощный импульс к экспериментальному исследованию ГП дал, пожалуй, другой американский физик — Р. Андерсон, который в 1960 году предложил простую теорию ГП и разрыва зон на гетерогранице. В его работах была развита модель идеального ГП, а также сообщалось о получении и исследовании свойств ГП Ge—GaAs «германий—арсенид галлия». Эта гетеропара привлекла внимание многих исследователей, среди которых был будущий Нобелевский лауреат Л. Эсаки.

В 1962 году к исследованию ГП приступил Ж. Алферов вместе с группой сотрудников. Он решил, что наиболее перспективна для исследований и практического применения другая система: AlAs—GaAs «арсенид алюминия—арсенид галлия». Его выбор был оптимален с физической, технологической и прикладной точек зрения и этим самым он заложил прочный фундамент высокого уровня своих исследований.

В 2000 году Шведская королевская академия наук удостоила Жореса Ивановича Алфёрова совместно с немецким физиком Гербертом Кремером Нобелевской премией «За разработку полупроводниковых ГС, используемых в высокочастотных схемах и оптоэлектронике».

            Теоретические изыскания в области исследований ГС ничем не отличались от теории гомопереходов и унаследовали те же проблемы и мифологию.

            В этой связи становится актуальной задача исследования физики процессов в ГП, как основы построения ГС. Наиболее адекватной методологической базой  решения этой задачи является теория электропроводности полупроводников, разработанная на основе эфиродинамических моделей атомно-молекулярных структур.

Гетеропереход. ГП[4] — контакт двух различных по химическому составу полупроводников. ГП  может быть образован двумя аморфными или монокристаллическими полупроводниками, аморфным и монокристаллическим полупроводниками, однако наибольшее  практическое  значение имеют ГП, образованные монокристаллами. На границе ГП происходит изменение свойств полупроводникового материала: структуры энергетических зон, ширины запрещённой зоны, эффективных масс носителей заряда, их подвижности и т. д. В зависимости от легирования обеих сторон полупроводникового ГП можно создать р—n-гетеропереходы (анизотипные), р—р- и n—n-гетеропереходы (изотипные).

            Рассмотрим пример идеального ГП: GaAs — твёрдый раствор AlxGa1-xAs, например, AlGaAs. Из представлений, рассмотренных в работе [5] следует, что

молекулярная структура GaAs, состоящая из элементов III (Ga) и V(As) групп таблицы

Д. И. Менделеева в идеале не имеет свободных протон-электронных пар, не задействованных в межмолекулярных связях. Такая молекулярная структура по электропроводности соответствует идеальному диэлектрику. Однако, в виду различия концентрации этих элементов, а также разной степени легирования  эта структура будет характеризоваться как полупроводник с преобладанием элементов III (Ga) или V(As) групп.

            Молекулярная структура AlGaAs представляет собой твердое тело, состоящее из структуры GaAs с включенными в нее атомами алюминия Al. Атомы алюминия относятся к группе металлов, характеризующихся высокой электропроводностью.

            Таким образом, ГП GaAs – AlGaAs формируется  из двух слоев, один из которых характеризуется как полупроводник — идеальный диэлектрик (GaAs), а второй – высокой электропроводностью, в котором возможна генерация высокой концентрации фотонов при воздействии внешних факторов (температуры, давления, излучения и т. п.) или подключением внешнего источника тока.

Ввиду высокой концентрации фотонов в зоне высокой электропроводности  и низкой в зоне диэлектрика в их объемах  будут формироваться  разные по величине электрические потенциалы φоб2 , φоб1 соответственно, что приводит к образованию контактной разности потенциалов. Механизм формирования контактной разности потенциалов рассмотрен в работе [6] и заключается в следующем. Магнитный момент атомов алюминия значительно меньше магнитных моментов атомов как арсена, так и галлия, или структуры GaAs в целом. Соответственно в приконтактной области AlGaAs будут генерироваться  собственные фотоны, концентрация которых будет превышать концентрацию фотонов в слое GaAs.

            Тогда в зоне контакта возникнет разность потенциалов Uк, равная

            Uк = φоб2 — φоб1,                                                                                             (1)

            Электрический потенциал характеризует потенциальную энергию, образуемую сгенерированными фотонами Еф = φоб е. Соответственно контактная разность потенциалов может быть выражена следующим образом

Uк = (Еф2 — Еф1)/е,                                                                                         (2)

где Еф1 и Еф2 — энергетические спектры энергии поглощения (излучения) соответственно, зон пониженной и повышенной электропроводности, е — заряд фотона.

            Плотность тока j через зону диэлектрика, толщиной L, описывается законом Мотта [7]:

            j = 9/8 · (σ0 ·τ·μ·U2/L3),                                                                                (3)

Здесь σ0 — электропроводность образца в отсутствие инжекции носителей заряда, μ — подвижность инжектированных носителей, τ = ε/4πσ0 — время релаксации, ε — диэлектрич. проницаемость.

При высоких концентрациях фотонов закон Мотта будет вырождаться в закон Ома.

При подключении внешнего источника тока процессы в структуре с одним ГП будут аналогичны процессам на контакте металл-полупроводник.

В отличие от гомоперехода ГП обладает большей гибкостью в конструировании нужного потенциального профиля зоны проводимости и зоны диэлектрика. С помощью современных методов эпитаксии [8] можно получать ГП с прецизионной точностью до атомного монослоя.

Гетероструктура. Комбинации различных ГП и р—n-переходов образуют ГС. Возможность изменять на границах ГП ширину запрещённой зоны и диэлектрическую проницаемость позволяет в ГС эффективно управлять движением носителей заряда, их рекомбинацией, а также световыми потоками внутри. [9]

Поскольку в ГП используются разные материалы, необходимо, чтобы у этих материалов с высокой точностью совпадали два параметра: температурный коэффициент расширения (ТКР) и постоянная решетки. С учетом сказанного количество материалов для ГП ограничено. Наиболее распространенными из них являются германий Ge, арсенид галлия GaAs, фосфид индия InP, четырехкомпонентный раствор InGaAsP. [10]

Наиболее широкое применение в создании электронных приборов получила полупроводниковая структура типа AIIIBV – GaAs в широком диапазоне степени легирования и температуры (включая 300 К).

Рассмотрим физику процессов в известной ДГС типа N-р-P  (AlGaAs – GaAs – AlGaAs). Пусть источник внешнего напряжения приложен контактом “+” к слою P, а “-” к слою N. Данная ДГС образована двумя ГП и тремя слоями полупроводников, один из которых р (GaAs) формируется как узкозонный по сравнению с другими N и P. Согласно теории контакта металл-полупроводник, в приконтактной области одного из полупроводников будет образовываться  слой с собственными фотонами, которые генерируются под действием магнитной силы атомов противоположного слоя. Для рассматриваемой ДГС такие приконтактные области будут формироваться в зонах N и P, создавая таким образом контактные разности потенциалов в зоне контакта N-р и р-P. Под действием этих напряжений контактных разностей потенциалов из зон N и P начинают протекать токи, противоположные по направлению друг другу, но направленные в зону р, тем самым увеличивая его собственную концентрацию фотонов.

            При подключении внешнего источника, указанным выше способом, через ДГС протекает ток инжекции, который по направлению совпадает с током контактной разности потенциалов ГП р-P и противоположен току ГП N-р. Так как напряжение контактной разности  ГП N-р противоположно приложенному напряжению, то согласно теории контакт ГП N-р создает потенциальный барьер для тока инжекции. Таким образом, в зоне р (GaAs) формируется высокая степень концентрации собственных фотонов. Данная особенность двойной ГС позволяет создавать большое множество различных полупроводниковых приборов (от диодов и транзисторов до полупроводниковых лазеров).

            В современной физике эта особенность ДГС определяется как электронное ограничение, а плотность j тока прямого смещения определяется только рекомбинацией носителей заряда в узкозонном (активном) слое. Очевидна мифология этого представления.

            Существует еще одно представление этой особенности в виде оптического ограничения (волноводный эффект). Tак как узкозонный слой имеет обычно больший показатель преломления n1 > n2, то в нём имеет место волноводное распространение света, обусловленное полным внутренним отражением света на границах. Оно отчётливо проявляется, когда ширина узкозонного слоя d будет больше-равна длине волны фотонов λ. Волноводный эффект может наблюдаться как при освещении ГС извне, так и для света излучательной  рекомбинации внутри узкозонного слоя. Последний случай наиболее важен в большинстве практических применений.

            Известно [11], что показатель преломления определяется характеристиками среды

n = √εμ, где ε – диэлектрическая, μ – магнитная проницаемости среды. Магнитная проницаемость очень близка к единице в большинстве реальных прозрачных веществ, поэтому последнюю формулу иногда упрощают до {\displaystyle n={\sqrt {\varepsilon }}} n = √ε.

            Согласно фотонной концепции [12] электропроводность веществ G определяется  проводимостью монохромного фотонного газа g(λ) и диэлектрической проницаемостью материала веществаG = g(λ)·ɛ.

            Тогда

             n = √ε = √ G/g(λ).                                                                                          (4)

            Т. е. показатель преломления определяется через электропроводность среды.

Таким образом, в ГС показатели преломления n1 и n2 будут определяться электропроводностью зон. В виду того, что концентрация фотонов в узкозонном слое будет всегда выше концентрации фотонов в других слоях, то ее электропроводность всегда будет выше электропроводности других слоев. Этим и объясняется волноводный эффект.

Об излучательной рекомбинации. Из выше изложенного следует, что основным механизмом генерации световых фотонов в узкозонном слое ДГС является рекомбинация электронов и дырок. Рекомбинация носителей заряда в полупроводниках [13]  — исчезновение пары свободных противоположно заряженных носителей в результате перехода электрона из энергетического состояния в зоне проводимости в незанятое энергетическое состояние в валентной зоне. При  рекомбинации выделяется избыточная энергия порядка ширины запрещённой зоны εg. Различают излучательную и безызлучательную  рекомбинации. Излучательной называется рекомбинация, в результате которой освобождающаяся энергия излучается в виде кванта света (фотона).

            О том, что излучательный процесс является основным каналом рекомбинации неравновесных носителей как в легированных кристаллических, так и в аморфных полупроводниках в современной физике обосновывается исходя из представлений зонной теории и модели свободного электрона. Несмотря на то, что зонная теория и модель свободного электрона уже давно отнесены к мифам квантовой теории [14,15], в физике твердого тела явление рекомбинации имеет фундаментальное значение. При этом, все инженерные расчеты параметров полупроводниковых приборов и внутренних процессов, например легирования, производятся на основе феноменологических абстракций с использованием малозначимых параметров, таких как, например, ширина запрещенной зоны, а физических объяснений не приводится [16, 17].

            В этой связи актуальной становится задача дать физическое объяснение процессам, под которыми современная физика понимает явление рекомбинации.

Сначала следует обратить внимание на понятие электрона и дырки.

            Электрон это структурный элемент атома вещества, который композиционно является структурным элементом протон-электронной пары, которая определяет все физико-химические свойства данного атома. Это означает, что потеря электрона атомом это процесс разрушения атома, который сопровождается изменением его физико-химических свойств, что многократно экспериментально доказано [18].

            Дырка — квазичастица (фермион); наряду с электроном проводимости используется для описания электронной системы полупроводников, полуметаллов и металлов. [19] Понятие дырки вводится в зонной теории для описания электронных явлений в не полностью заполненной электронами валентной зоне. В физике твёрдого тела дырка — это отсутствие электрона в почти полностью заполненной валентной зоне.

            Из изложенного выше следует, что рекомбинация это процесс перехода свободного электрона в место отсутствия электрона, который сопровождается выделением энергии в виде кванта света (фотона). Эта ахинея называется современной физикой твердого тела. Данное представление явления рекомбинации противоречит не только фундаментальным понятиям классической физики в части представления энергии, но и онтологическим понятиям о материи.

            Энергия (от греч. energeia-действие, деятельность) [20] — общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. Энергия не возникает из ничего и не исчезает, она может только переходить из одной формы в другую (закон сохранения энергии). Следствием данного определения энергии является то, что энергия не выделяется и не квантуется. Энергия переносится фотонами (квантами.)         

Здесь уместно напомнить, что фотон [21] это элементарная частица, предназначенная для переноса энергии, формируется и генерируется в процессе возбуждения протон-электронной пары атома вещества, но никак не перемещением свободного или какого либо электрона.

Фотонная проводимость веществ и полупроводников, в частности, рассматривалась в работах [5, 12], на основании этого становится очевидным, что явление рекомбинации это один из мифологизированных приемов подмены реальной физики фотонной проводимости, рассматриваемой в рамках эфиродинамической концепции. 

Выводы. ГП и ГС на его основе являются предметом исследований 2/3 исследовательских групп в области физики полупроводников. Основным способом теоретического анализа ГП и ГС остаются мифологизированная модель свободного электрона и зонная теория.

            В качестве альтернативы анализа в данной работе предложен структурно-аналитический подход с использованием эфиродинамических моделей атомных структур. Физические процессы в ГП и ГС описываются на основе фотонной электропроводности веществ и полупроводников, в частности.

Основной механизм функционирования ГП и ГС определяется  способностью различных химических соединений на основе полупроводникового материала генерировать фотоны разной степени концентрации при воздействии на ГП и ГС энергии внешних факторов или подключением внешних источников тока. 

Литература:

  1. Алферов Ж.И. ИСТОРИЯ И БУДУЩЕЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР. ФИЗИКА И ТЕХНИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВ, 1998,Том 32,Выпуск 1. С. 3-18.
  2. https://ru.wikipedia.org/wiki/Гетероструктура.
  3. Асеев А., Шумский В. ГЕТЕРОПЕРЕХОДЫ ЖОРЕСА АЛФЕРОВА. Наука в Сибири. N 44-45 (2280-2281) 17 ноября 2000 г.
  4. http://femto.com.ua/articles/part_1/0742.html Гетеропереход.
  5. http://nauka2000.com/ Лямин В. С., Лямин Д. В. Природа и механизм фотонной проводимости полупроводников.
  6. http://nauka2000.com/ Лямин В. С., Лямин Д. В. Физика процессов на контакте металл-полупроводник.
  7. Ламперт М., Марк П., Инжекционные токи в твердых телах. Москва, Издательство Мир, 1973 — 413 с.
  8. https://mvdrb.ru/ehpitaksiya-vidy-i-metody-ehpitaksialn/ Эпитаксия: виды и методы эпитаксиального наращивания.
  9. http://www.femto.com.ua/articles/part_1/0743.html Гетероструктура.
  10. Гуртов, В. А. Твердотельная электроника: Учеб. пособие / В. А. Гуртов; ПетрГУ. – Петрозаводск, 2004. – 312 с.
  11. Прохоров О. М. Поинтинга — Робертсона эффект — Стриммеры // Физическая энциклопедия. — М.: Научное издательство «Большая российская энциклопедия», 1994. — Т. 4. — 704 с. 
  12. http://nauka2000.com/ Лямин В. С., Лямин Д. В. Электропроводность веществ (фотонная концепция).
  13. http://femto.com.ua/articles/part_2/3374.html Рекомбинация.
  14. https://journals.indexcopernicus.com/api/file/viewByFileId/1063531.pdf. Потапов А.А. Природа и механизм проводимости полупроводников.
  15. Волькенштейн Ф. Ф. “Зонная теория твёрдого тела и пределы её применимости” УФН 43 11-29 (1951).
  16. https://cyberleninka.ru/article/n/modelirovanie-izluchatelnoy-rekombinatsii-v-geterostrukturah-s-kvantovymi-yamami Задорожный О. Ф., Каранкевич О. А., Давыдов В. Н. Моделирование излучательной рекомбинации в гетероструктурах с квантовыми ямами.
  17. Саченко А.В., Костылев В.П., Кулиш Н.Р., Соколовский И.О., Шкребтий А.И. Моделирование эффективности многопереходных солнечных элементов. Физика и техника полупроводников, 2014, том 48, вып. 5.
  18. Болотов Б. В., Болотова Н. А., Болотов М. Б., Болотов И. М. Основы строения вещества с позиций авторов, — К.: Универсариум, 2009. – 656 с.
  19. http://femto.com.ua/articles/part_1/1148.html Дырка.
  20. http://www.femto.com.ua/articles/part_2/4753.html Энергия.
  21. http://nauka2000.com/ Лямин В. С., Лямин Д. В. К 125-и летию открытия фотона.

Лямин В.С. , Лямин Д. В. г. Львов


1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звёзд6 звёзд7 звёзд8 звёзд9 звёзд10 звёзд (Еще не оценили)
Загрузка...


Вы можете оставить комментарий к записи