Гетероструктуры: концепции и применения в физике, в электронике и технологии.

Гетероструктура — термин в физике полупроводников, обозначающий выращенную на подложке слоистую структуру из различных полупроводников, в общем случае отличающихся шириной запрещённой зоны. Между двумя различными материалами формируется гетеропереход, на котором возможна повышенная концентрация носителей, и отсюда — формированиевырожденного двумерного электронного газа. В отличие от гомоструктур обладает большей гибкостью в конструировании нужного потенциального профиля зоны проводимости и валентной зоны. Для роста используют много методов, среди которых можно выделить два:

Молекулярно-лучевая эпитаксия,

MOCVD.

Первый метод позволяет выращивать гетероструктуры с высокой точностью (с точностью до атомного монослоя[1]). Второй же не отличается такой точностью, но по сравнению с первым методом обладает более высокой скоростью роста.

Классические гетероструктуры

I. Фундаментальные физические явления (рис. 1)

– Односторонняя инжекция. – Сверхинжекция.

– Диффузия во встроенном квазиэлектрическом поле.

– Электронное ограничение.

– Оптическое ограничение.

– Эффект широкозонного окна.

– Диагональное туннелирование через гетерограницу.

II. Важные следствия для применений в полупро- водниковых приборах

– Низкопороговые полупроводниковые лазеры, работающие в непрерывном режиме при комнатной температуре, лазеры с распределенной обратной связью и с распре- деленными брэгговскими зеркалами, поверхностно-илучающие лазеры, инфракрасные лазеры на гетероструктурах II-го рода.

– Высокоэффективные светоизлучающие диоды.

– Солнечные элементы и фотодетекторы, основанные на эффекте широкозонного окна.

– Полупроводниковая интегральная оптика, основанная на полупроводниковых РОС и РБЗ лазерах.

– Гетеробиполярные транзисторы с широкозонным эмиттером.

– Транзисторы, тиристоры, динисторы с передачей светового сигнала.

– Мощные диоды и тиристоры.

– Преобразователи света из инфракрасного в видимый диапазон.

– Эффективные холодные катоды.

Рис. 1. Основные физические явления в классических гете- роструктурах. a — односторонняя инжекция и сверхинжек- ция; b — диффузия во встроенном квазиэлектрическом поле; c — электронное и оптическое ограничение; d — эффект широкозонного окна; e — диагональное туннелирование через гетерограницу.

III. Важные технологические особенности

– Принципиальная необходимость структур с хорошим согласованием параметров решетки.

– Многокомпонентные твердые растворы используются для согласования параметра решетки.

– Принципиальная необходимость эпитаксиальных технологий выращивания.

В заключение этого краткого обзора раннего развития ”объемных” гетероструктур можно сказать, что создание ”идеального” гетероперехода и введение концепции гетероструктуры в физику и технологию полупроводников привело к открытию новых физических эффектов, кар- динальному улучшению характеристик фактически всех известных и созданию новых типов полупроводниковых приборов.

 

Билет 12

Понятие симметрии в "узком" и "широком" смыслах этого слова. Понятие симметрии физических законов.

СИММЕТРИЯ(от греч. συμμετρία соразмерность)всеобщая особенность любых процессов, тел и явлений, обычнонепосредственно связываемая с их структурностью. В совр. естествознании существует два понимания симметрии – вузком и широком смысле слова.

В более узком, исторически первом пониманиисимметрии считают свойство материального объекта совмещаться с самим собой при обмене местами совместно или (и) зеркально равных его частей.

Симметричные предметы нельзя назвать равными в узком смысле слова. Их называют зеркально равными. Введем определение:

Зеркально равными телами (или фигурами) называются тела (или фигуры) в том случае, если при надлежащем их смещении они могут образовать две половины зеркально симметричного тела.

СИММЕТРИЯ в широком смысле инвариантность (неизменность) структуры, свойств, формы материального объекта относительно его преобразований (т. е. изменений ряда физических условий). Симметрия лежит в основе законов сохранения.

Симметрия в широком или узком смысле является той идеей, посредством которой человек на протяжении веков пытается постичь и создать порядок, красоту и совершенство. Так свойства пространства и времени ведут к симметрии, к закономерности в природе как проявлению ее гармонии. Взаимодействие - способ, которым в природе поддерживаются различные симметрии.
Например, классифицировать элементарные частицы можно используя понятие симметрии.
Таким образом, понятие симметрии и ее нарушений оказалось удобным способом
описания сложных явлений. Современная физика именно так описывает явления микромира,
добиваясь принципиально новых результатов. Однако, взаимоотношения подобного плана
известны давно.

 

СИММЕТРИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ЗАКОНОВ

Возьмем в качестве иллюстрации закон всемирного тяготения, утверждающий, что сила взаимного притяжения двух тел обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Напомню, что тела реагируют на силу изменением скорости в направлении силы. Возьмем теперь два тела, скажем, планету, вращающуюся вокруг Солнца, и перенесем эту пару в другую часть Вселенной. Расстояние между ними, естественно, не изменится и, следовательно, не изменяется и действующие между ними силы. Более того, в новой ситуации сохранится и скорость движения и все пропорции происходящих изменений, и в одной системе все будет происходить точно так же, как и в другой. Уже то, что в законе всемирного тяготения используется "расстояние между двумя телами", а не какое-то расстояние до центра Вселенной, показывает, что этот закон допускает переносы в пространстве. Вот в этом и заключается одна из симметрий физических законов - симметрия относительно пространственных переносов.