Heteroübergang

Bandenergien zweier Materialien unterschiedlicher Dotierung mit unterschiedlichem Bandabstand zwischen Valenzbandenergie E_v und Leitungsbandenergie E_c, ohne Kontakt.

Heteroübergang dieser Materialien mit Kontakt. Diffusionsspannung $ \psi _{D} $ (siehe p-n-Übergang). Der Energieunterschied zum Vakuumenergieniveau entspricht der Ionisationsenergie.

Als Heteroübergang (auch Heterostruktur, engl. Heterojunction) wird die Grenzschicht zweier unterschiedlicher Halbleitermaterialien bezeichnet. Anders als bei einem p-n-Übergang ist hier nicht (nur) die Dotierungsart, sondern die Materialart verschieden. Die Halbleiter besitzen deshalb i. A. eine unterschiedliche Energie der Bandlücke.

Heteroübergänge finden sich bei III-V-Halbleitern oder bei II-VI-Halbleitern.

Der Nobelpreis für Physik 2000 wurde von Herbert Kroemer und Schores Iwanowitsch Alfjorow für Halbleiter-Heteroübergänge verliehen.^[1]

Berechnung

Bei einem p-n-Heteroübergang stellt sich eine Unregelmäßigkeit in den Energiebändern der Materialien ein. Die Ausdehnung $ X $ dieser Unregelmäßigkeit, eine Verbiegung der Bandkanten, lässt sich über die Poissongleichung berechnen. Nimmt man den Übergang vom negativ dotierten Material 1 zum positiv dotierten Material 2 mit den relativen Dielektrizitätskonstanten $ \varepsilon $ und Dotierungskonzentrationen $ N_{\mathrm {D} } $ bzw. $ N_{\mathrm {A} } $ an, stellt sich mit der Diffusionsspannung $ \psi _{\mathrm {D} } $ bei angelegtem äußeren elektrischen Feld der Spannung $ U $ eine Bandverbiegung der folgenden Größe ein:

$ X_{1}={\sqrt {{\frac {2}{q}}{\frac {\varepsilon _{1}\varepsilon _{2}\cdot N_{\mathrm {A} }(\psi _{\mathrm {D} }-U)}{N_{\mathrm {D} }(\varepsilon _{2}N_{\mathrm {D} }+\varepsilon _{1}N_{A})}}}} $, $ X_{2}={\sqrt {{\frac {2}{q}}{\frac {\varepsilon _{1}\varepsilon _{2}\cdot N_{\mathrm {D} }(\psi _{\mathrm {D} }-U)}{N_{\mathrm {A} }(\varepsilon _{2}N_{\mathrm {D} }+\varepsilon _{1}N_{\mathrm {A} })}}}} $

Anwendung

Anwendung finden Heteroübergänge u.a. in Laserdioden: Wird bei optischer Rekombination Strahlung in Bereich mit der kleineren Bandlücke ausgesandt, kann diese nicht von Elektronen im Bereich der größeren Bandlücke absorbiert werden. Die Wahrscheinlichkeit, dass die Strahlung das Halbleitermaterial verlässt, ist also größer.

Ein weiteres Anwendungsgebiet findet sich bei Solarzellen: Hier können unerwünschte Minoritätsladungsträger zu den Kontakten hin abgeschirmt werden, indem die höhere Bandlücke als Potential-Barriere für diese Ladungsträger genutzt wird. Auf diese Weise kann die Rekombination und somit der Verlust von Ladungsträgern am defektreichen Metall-Halbleiter-Kontakt und in den hochdotierten Schichten an den Kontakten reduziert werden, da den Majoritätsladungsträgern durch die Stufe im Heteroübergang die Rekombinationspartner in Form der Minoritätsladungsträger entzogen wurden. Mithilfe dieses Konzepts konnte 2014 ein Rekordwirkungsgrad von Siliciumsolarzellen von 25,6 % erreicht werden, indem amorphes Silicium als Material mit großer Bandlücke auf kristallinem Silicium verwendet wurde.^[2]

Siehe auch

• High Electron Mobility Transistor (HEMT)
• Heterojunction bipolar transistor (HBT)
• Galliumarsenid
• Galliumnitrid

Einzelnachweise