Наноэлектроника

Базируется на том, что отдельные атомы, находясь в потенциальной яме, ведут себя иначе, чем в кристалле. Пусть атомы расположены на таком большом расстоянии друг от друга, что взаимодействие между ними отсутствует (см. рис.)r>>a

где, а – расстояние между атомами в кристалле, т. е. расстояние на котором атомы

взаимодействуют друг с другом, E(r) – потенциальная энергия взаимодействия электрона с ядром. Из анализа следует, что каждый атом можно уподобить энергетической яме, ограниченной потенциальной прямой. Это означает, что электрон в этой яме обладает отрицательной энергией и находится на одном из уровней Е1, Е2..Еn, уровни выше Еn свободны. Находясь в потенциальных

ямах, электроны лишены возможности переходить на энергетические уровни соседних атомов ввиду барьера δ. Если эти атомы сближать относительно друг друга, то потенциальные энергии, описывающие потенциальную яму, начнут взаимодействовать друг с другом (см. рис.) r=a

Взаимодействие потенциальных полей атомов приводит к устранению барьера δ, и тогда возникает возможность перехода электронов по

уровню En к соседнему атому и обратно. Из этого следует, что в атоме появляется возможность формировать потоки электронов, т. е. формировать проводимость. Квантово-механическое движение электронов в таком поле описывается уравнением плоской волны,

Y(r)= c exp(ikr)= c exp[ i (k_xx + k_y y + k_zz)]

где Y – волновая функция, k – волновой вектор, значение которого по координатам:

L – размеры поля, в рамках которого действует волновая функция Y. Физический смысл несет не сама функция Y, а ее произведение на комплексно сопряженную величину w = Y Y

*, тогда w – практически представляет вероятность обнаружения электрона в данной точке пространства. Обнаружено, что при

r = электроны не способны перейти к другому атому, однако способна электромагнитная волна, на этом эффекте построен квантовый ключ. При подаче на вход напряжения 6 – 12 В, ключевой атом выбрасывается в соседнюю

потенциальную яму и цепь размыкается

При подаче на вход обратной полярности ключевой атом втягивается в старую потенциальную яму, замыкая цепочку. Если есть проводимость – 1, если нет – 0, на данном принципе в Белоруссии построен квантовый компьютер.

.

Фотодиоды Шоттки. Фотодиоды со структурой металл – полупроводник позволяют повысить быстродействие до 10 ^–10 c и выше. Структура и свойства контакта металл – полупроводник прежде всего зависит от взаимного расположения уровней Ферми в металле (j _Fm) и полупроводнике (j_F). Когда уровень Ферми металла выше уровня Ферми полупроводника (j_Fm > j_F). Это контакт металла с полупроводником p- типа. Разница в уровнях Ферми означает, что вероятность заполнения одного и того же энергетического уровня в металле выше, чем в зоне проводимости полупроводника. Поэтому заполнение зоны проводимости полупроводника электронами меньше, чем той же области энергии в металле. При образовании структуры металл – проводник часть электронов перейдёт из металла в полупроводник p- типа. Появление избыточных электронов в приповерхностном слое полупроводника вызывает дополнительную рекомбинацию, количество дырок уменьшается, и на границе металл – полупроводник образуется объёмный отрицательный заряд ионов – акцепторов. Появляется электрическое поле, которое препятствует перемещению электронов и обеспечивает динамическое равновесие в области перехода.
Зонные диаграммы для случая j_Fm < j_m -контакт металла с полупроводником n- типа. При образовании контакта электроны переходят из полупроводника n- типа в металл. Соответственно вблизи границы металл – полупроводник создаётся объёмный заряд положительных ионов-доноров и электрическое поле. Энергетические уровни вблизи поверхности полупроводника искривляются. Степень искривления уровней характеризуется поверхностным потенциалом j_S -разностью потенциалов между объемом и поверхностью полупроводника. В равновесном состоянии имеем равновесный поверхностный потенциал j_S0. В зависимости от полярности приложенного внешнего напряжения высота барьера Шоттки и сопротивление приконтактного слоя будут меняться.

При приложении прямого напряжения U_пр («+» к металлу, «-» к полупроводнику n- типа) потенциальный барьер понижается (рис.17,б), приконтактный слой обогащается основными носителями – электронами и сопротивление перехода металл – полупроводник будет меньше равновесного. Если изменить полярность внешнего напряжения U_обр (минус к металлу, плюс к n- полупроводнику), то потенциальный барьер в контакте повышается (рис.17,в). Тогда приконтактный слой ещё сильнее обедняется основными носителями – электронами и будет иметь место повышение сопротивления по сравнению с равновесным.
Фотодиоды Шоттки характеризуются рядом достоинств:
1) малым сопротивлением базы фотодиода.
2) сочетанием высокого быстродействия и высокой чувствительности 3) простотой создания выпрямляющих фоточувствительных структур на самых разнообразных полупроводниках

Фотодиоды с гетероструктурой.

Фотодиоды с гетероструктурой представляют собой один из наиболее перспективных типов оптоэлектронных фотоприёмников. В сущности гетероструктура открывает принципиальную возможность получения фотодиода с КПД, близким к 100%. На примере GaAs – GaAlAs гетероструктуры рассмотрим особенности гетерофотодиодов. Устройство и зонная диаграмма гетерофотодиода изображены на рис.18. Слой GaAlAs играет роль окна, пропускающего излучение, поглощаемое в средней n- области (GaAs). Разница в ширине запрещённых зон по обе стороны от гетероперехода около 0,4 эВ. Генерируемые в n- области под воздействием оптического излучения дырки беспрепятственно переносятся в область. Толщина активной области выбирается такой, чтобы обеспечить поглощение всего излучения.

Рис. 18. Фотодиод с гетероструктурой:
а-структура; б-энергетическая диаграмма.
Таким образом, при исключительно высоком КПД гетерофотодиоды сохраняют достоинства: сочетание высокой чувствительности с высоким быстродействием, малые рабочие напряжения. Гетероструктура позволяет, выбрав подходящие пары полупроводников для фотодиодов, работать практически в любой части оптического диапазона длин волн. Это преимущество обусловлено тем, что в гетероструктуре рабочая длина волны определяется разницей ширин запрещённых зон. Вследствие хороших возможностей выбора материала базы достижимое значение фото – ЭДС у гетерофотодиодов 0,8 – 1,1 В (в 2 – 3 раза выше, чем у кремниевых фотодиодов). Основным недостатком гетерофотодиодов является сложность изготовления.

Основные характеристики и параметры светодиодов
Постоянное прямое напряжение U — значение напряжения на СИД при протекании постоянного прямого тока.
Максимально допустимый постоянный прямой ток 1^_пю — максимальное значение постоянного прямого тока, при котором обеспечивается заданная надежность при длитель­ной работе диода.
Максимально допустимое обратное напряжение — максимальное значение по­стоянного напряжения, приложенного к диоду, при котором обеспечивается заданная на­дежность при длительной работе.
Максимально допустимое обратное импульсное напряжение — максимальное пиковое значение обратного напряжения на светодиоде

Максимальное спектральное распределение Х_тт — длина волны излучения, соответст­вующая максимуму спектральной характеристики излучения СИД.

яркость — величина, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности (измеряется в канделах на квадратный метр).
Световой поток (Ф, Лм) – мощность лучистой энергии, оцениваемая по световым ощущениям, которые испытывает глаз.
Сила света – световой поток проходящий на единице телесного угла в заданном направлении (мКд)
Спектральная характеристика светодиода выражает зависимость интенсивности излучения от длины волны излучаемого света и дает представление о цвете свечения светодиода.
- Плоский угол в пределах которого сила света составляет не менее половины силы света от максимального

Дата добавления: 2015-06-04