Основным элементом, из которого состоит в энергетическом отношении сверхрешетка, является квантовая яма. В композиционных сверхрешетках она формируется гетеропереходами между различными полупроводниками, а в легированных сверхрешетках - соседними слоями полупроводников с различными типами проводимости. Как известно, спектр электрона в такой яме дискретен. Простейшей квантовой ямой в сверхрешетках является квантовая яма прямоугольной формы. Она характерна для сверхрешеток 1-го типа. Энергии связанных состояний электрона в такой яме определяются из уравнения Шрёдингера и имеют вид суммы квантованных и непрерывных энергетических состояний системы (см. рисунок 1,2). Квантование происходит в направлении роста сверхрешеточной структуры (в формуле - это z-направление). Спектр в направлении слоя (перпендикулярном направлению роста) непрерывен. Квантовый размерный эффект заключается в зависимости энергии частицы от ширины ямы. Причем какой бы глубины ни была квантовая яма, в ней всегда будет присутствовать хотя бы одно энергетическое состояние частицы. Схематическое изображение волновых функций носителей заряда в квантовых ямах, образованных тонким слоем GaAs, находящимся между слоями AlxGa1-xAs показано на рисунке 3.
До этого считалось, что слои полупроводников, составляющих сверхрешетку, нелегированы. В этом случае мы принимали форму ямы за прямоугольную и решение задачи о спектре частицы в ней упрощалось. Однако слои можно легировать. Или один слой определенного материала. Например, широкозонного. Донорной примесью. Тогда электроны из широкозонного полупроводника диффундируют в узкозонный, край зоны проводимости которого, естественно, находится ниже края зоны проводимости широкозонного полупроводника (см. рисунок 4). Вследствие пространственного переноса носителей заряда возникает периодический изгиб энергетических зон, что приводит к формированию ям, отличных по своей форме от прямоугольных, - параболических и треугольных. В параболических ямах уровни энергии расположены эквидистантно. На рисунке 5 представлена зонная диаграмма и схема структуры pn+p типа. На рисунке zA - ширина области объемного заряда, создаваемого акцепторами, zD - толщина сильно легированного донорного слоя. Энергетический спектр частицы в параболической яме отличен от спектра частицы в яме прямоугольной (см. рисунок 6). Параболические квантовые ямы можно создавать и на основе нелегированных гетероструктур типа GaAs - AlxGa1-xAs путем изменения толщины слоев материалов по квадратичному закону. В параболических квантовых ямах подвижность носителей заряда возрастает, особенно если области барьера прилегающие к поверхности раздела и вовсе не легируются.
Список используемых источников
1 Херман М. Полупроводниковые сверхрешетки: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989.
2 Силин А. П. Полупроводниковые сверхрешетки, УФН, 1985, т. 147, с. 485
