hetero-bağlantı - Heterojunction

Bir heteroeklem , farklı yarı iletkenlerin iki katmanı veya bölgesi arasındaki bir arayüzdür . Bu yarı iletken malzemeler, bir homojonction'ın aksine eşit olmayan bant boşluklarına sahiptir . Yarı iletken lazerler, güneş pilleri ve transistörler dahil olmak üzere birçok katı hal cihaz uygulamasında elektronik enerji bantlarını tasarlamak genellikle avantajlıdır. Bir aygıtta birden çok heteroeklemlerin bir araya gelmesine heteroyapı denir , ancak iki terim yaygın olarak birbirinin yerine kullanılır. Her malzemenin eşit olmayan bant aralıklarına sahip bir yarı iletken olması gerekliliği, özellikle elektronik özelliklerin uzaysal özelliklere bağlı olduğu küçük uzunluk ölçeklerinde biraz gevşektir. Daha modern bir heteroeklem tanımı, metalik, yalıtkan, hızlı iyon iletkeni ve yarı iletken malzemelerin kristal ve amorf yapıları dahil olmak üzere herhangi iki katı hal malzemesi arasındaki arayüzdür .

2000 yılında Nobel fizik için ortaklaşa verildi Herbert Kroemer ait Kaliforniya Üniversitesi , Santa Barbara , Kaliforniya , ABD ve Zhores I. Alferov ait Ioffe Enstitüsü , Saint Petersburg , Rusya yüksek Hıza kullanılan gelişmekte yarı iletken heteroyapıların" için fotoğrafçılık ve opto-elektronik ".

İmalat ve uygulamalar

Hetero-bağlantılı imalat, genellikle birikme kalınlığını tam olarak kontrol etmek ve temiz bir kafes uyumlu ani arayüz oluşturmak için moleküler ışın epitaksi (MBE) veya kimyasal buhar biriktirme (CVD) teknolojilerinin kullanılmasını gerektirir. Araştırılan yeni bir alternatif, katmanlı malzemelerin van der Waals heteroyapılarına mekanik olarak istiflenmesidir .

Harcamalarına rağmen, heteroeklemler, benzersiz özelliklerinin kritik olduğu çeşitli özel uygulamalarda kullanım alanı bulmuştur:

Enerji bandı hizalaması

Bant hizalaması tarafından düzenlenen üç tür yarı iletken heteroeklem.
Aşamalı boşluk için bant diyagramı , dengede n - n yarı iletken heteroeklem.

Bir yarı iletken bağlantının davranışı , arayüzdeki enerji bantlarının hizalanmasına büyük ölçüde bağlıdır . Yarı iletken arayüzler, şekilde görüldüğü gibi üç tür heteroeklemde organize edilebilir: çapraz boşluk (tip I), kademeli boşluk (tip II) veya kırık boşluk (tip III). Bağlantı noktasından uzakta, bant bükülmesi , Poisson denkleminin olağan çözümüne dayalı olarak hesaplanabilir .

Bant hizalamasını tahmin etmek için çeşitli modeller mevcuttur.

  • En basit (ve en az doğru olan) model, vakum-yarı iletken arayüzlerinin özelliklerine (özellikle vakum elektron ilgisi ) dayalı olarak bant hizalamasını öngören Anderson kuralıdır . Ana sınırlama, kimyasal bağların ihmal edilmesidir.
  • Bir ortak anyon kural valans bandı anyonik durumları ile ilgili olduğu için, aynı anyonlar ile malzeme çok küçük bir valans bandı uzaklıklar sahip olması gerektiği tahmin olan önerilmiştir. Ancak bu, verileri açıklamadı, ancak farklı anyonlara sahip iki malzemenin iletim bant kaymalarından daha büyük değerlik bant kaymalarına sahip olma eğilimiyle ilgilidir .
  • Tersoff , iletim bandı kaymasının Schottky engel yüksekliğindeki fark tarafından verildiği daha tanıdık metal-yarı iletken bağlantılarına dayanan bir boşluk durumu modeli önerdi . Bu model, bir malzemenin iletim bandından diğerinin boşluğuna elektron tünellemesinden kaynaklanan iki yarı iletken arasındaki arayüzde bir dipol tabakası içerir ( metal kaynaklı boşluk durumlarına benzer ). Bu model, GaAs / AlGaAs gibi her iki malzemenin de kafes uyumlu olduğu sistemlerle iyi uyum sağlar .
  • 60:40 kural yarı iletken GaAs ve alaşım yarı iletken El arasındaki bağlantılardan bir durum için bir sezgisel olan x Ga 1- X 'i. Olarak X Al x Ga 1- x yan 0 1 arasında değişmiştir gibi, oran değeri 60/40 koruma eğilimi göstermektedir. Karşılaştırma için, Anderson kuralı bir GaAs/AlAs birleşimini ( x =1) öngörür .

Bant ofsetlerini ölçmek için tipik yöntem, bunları lüminesans spektrumlarındaki eksiton enerjilerinin ölçülmesinden hesaplamaktır .

Etkili kütle uyuşmazlığı

İki farklı yarı iletken tarafından bir heteroeklem oluşturulduğunda , bant yapısındaki farklılık nedeniyle bir kuantum kuyusu üretilebilir . Elde edilen kuantum kuyusu içindeki statik enerji seviyelerini hesaplamak için , heteroeklem boyunca etkili kütlenin varyasyonunu veya uyumsuzluğunu anlamak önemli hale gelir. Hetero-eklemde tanımlanan kuantum kuyusu, genişliği ile sonlu bir kuyu potansiyeli olarak ele alınabilir . Ayrıca 1966 yılında Conley ve ark. ve BenDaniel ve Duke , BenDaniel-Duke sınır koşulu olarak bilinen bir kuantum kuyusunda zarf işlevi için bir sınır koşulu bildirdi . Onlara göre, üretilmiş bir kuantum kuyusundaki zarf fonksiyonu, bunu belirten ve her ikisi de arayüz bölgelerinde sürekli olan bir sınır koşulunu sağlamalıdır .

Kuantum kuyusu örneği için matematiksel detaylar çalıştı .

Genişliği ve merkezi 0 olan sonlu bir kuyu için Schrödinger denklemi kullanılarak, elde edilen kuantum kuyusu için denklem şu şekilde yazılabilir:

Yukarıdaki denklemlerin çözümü iyi bilinmektedir, sadece farklı(değiştirilmiş) k ve

.

z = çift-parite çözümünden elde edilebilir

.

(5)'in türevini alıp her iki tarafı da ile çarparak

.

(6)'yı (5)'e bölerek çift-parite çözüm fonksiyonu elde edilebilir,

.

Benzer şekilde, tek-parite çözümü için,

.

İçin sayısal çözeltisi , alınmasının türevleri (7) ve (8) verir

eşit parite:

tek parite:

nerede .

Malzemeler arasındaki efektif kütle farkı, temel durum enerjilerinde daha büyük bir farkla sonuçlanır .

Nano ölçekli heteroeklemler

Demir oksit (Fe 3 O 4  — küre) ve kadmiyum sülfür (CdS — çubuk) arasındaki nano ölçekli bir heteroeklemin bir TEM ile çekilmiş görüntüsü . Bu kademeli boşluk (tip II) ofset kavşağı, 2007'de Urbana-Champaign'deki Illinois Üniversitesi'nde Hunter McDaniel ve Dr. Moonsub Shim tarafından sentezlendi.

Olarak kuantum noktaları bant enerjileri nedeniyle kristal boyutuna bağlıdır kuantum boyut etkiler . Bu, nano ölçekli heteroyapılarda bant ofset mühendisliğini mümkün kılar. Aynı malzemeleri kullanmak mümkündür, ancak ilgili kristallerin boyutunu veya kalınlığını değiştirerek birleşme türünü, örneğin üst üste binme (tip I) ile kademeli (tip II) arasında değiştirmek mümkündür. En yaygın nano ölçekli heteroyapı sistemidir ZnS üzerinde CdSe ofset oturmuş olduğu boşluk vardır (CdSe @ ZnS) (tip I). Bu sistemde daha büyük bant boşluk ZnS pasifleştirdiği yüzeyini floresan böylece artan CdSe çekirdek kuantum verimi ve lüminesans . Daha büyük bant aralığının önerdiği gibi, ZnS kabuğundaki daha güçlü bağlar nedeniyle artan termal stabilite ek bir bonusu vardır . CdSe ve ZnS'nin her ikisi de çinkoblend kristal fazında büyüdüğünden ve kafes uyumlu olduğundan, çekirdek kabuk büyümesi tercih edilir. Diğer sistemlerde veya farklı büyüme koşulları altında , sağdaki resimde görüldüğü gibi anizotropik yapıların büyütülmesi mümkün olabilir .

İtici güç olduğu gösterilmiştir yük transferi arasında iletim bantları bu yapılarda ofset iletim banttır. CdSe boyutunu azaltarak nano-kristalin üzerinde büyümüş TiO 2 , Robel ve diğ. Elektronlar TiO içine yüksek CdSe iletim bandından daha hızlı transfer bulundu 2 . CdSe'de, değerlik bandına göre daha küçük etkili kütle nedeniyle iletim bandında kuantum boyut etkisi çok daha belirgindir ve çoğu yarı iletkende durum budur. Sonuç olarak, iletim bandı ofsetinin mühendisliği, nano ölçekli heteroeklemlerle tipik olarak çok daha kolaydır. Aşamalı (tip II) ofset nano ölçekli heteroeklemler için, ışık kaynaklı yük ayrımı meydana gelebilir, çünkü delikler için en düşük enerji durumu bağlantının bir tarafında olabilirken elektronlar için en düşük enerji karşı tarafta olabilir. Anizotropik kademeli boşluk (tip II) nano ölçekli heteroeklemlerin fotokataliz için , özellikle güneş enerjisi ile su bölünmesi için kullanılabileceği öne sürülmüştür .

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma