อ่าน 8 นาที
เฮเทอโรจังก์ชัน
เฮ เทอโรจังก์ชัน (Heterojunction) คือส่วนต่อประสานระหว่างสอง ชั้น หรือสองชั้นของ สารกึ่งตัวนำ ที่แตกต่างกัน วัสดุกึ่งตัวนำเหล่านี้มี ช่องว่างแถบพลังงาน ที่ไม่เท่ากัน...
เฮเทอโรจังก์ชัน
เฮเทอโรจังก์ชัน (Heterojunction)คือส่วนต่อประสานระหว่างสองชั้นหรือสองชั้นของสารกึ่งตัวนำ ที่แตกต่างกัน วัสดุกึ่งตัวนำเหล่านี้มีช่องว่างแถบพลังงาน ที่ไม่เท่ากัน ซึ่งแตกต่างจากโฮโมจังก์ชัน (Homojunction ) การออกแบบแถบพลังงานอิเล็กตรอนมักเป็นประโยชน์ในอุปกรณ์โซลิดสเตตหลายชนิด รวมถึงเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์เซลล์แสงอาทิตย์และทรานซิสเตอร์ การรวมเฮเทอโรจังก์ชันหลายๆ อันเข้าด้วยกันในอุปกรณ์เรียกว่าเฮเทอโรสตรักเจอร์ (Heterostructure ) แม้ว่าทั้งสองคำนี้มักใช้แทนกันได้ ข้อกำหนดที่ว่าวัสดุแต่ละชนิดต้องเป็นสารกึ่งตัวนำที่มีช่องว่างแถบพลังงานไม่เท่ากันนั้นค่อนข้างยืดหยุ่น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระดับความยาวเล็กๆ ที่คุณสมบัติทางอิเล็กตรอนขึ้นอยู่กับคุณสมบัติเชิงพื้นที่ คำจำกัดความที่ทันสมัยกว่าของเฮเทอโรจังก์ชันคือ ส่วนต่อประสานระหว่างวัสดุโซลิดสเตตสองชนิดใดๆ รวมถึงโครงสร้างผลึกและอสัณฐานของโลหะ ฉนวน ตัวนำไอออนเร็วและวัสดุกึ่งตัวนำ
การผลิตและการใช้งาน
โดยทั่วไป การผลิตเฮเทอโรจังก์ชันจำเป็นต้องใช้ เทคโนโลยี การปลูกผลึกด้วยลำแสงโมเลกุล (MBE) [ 1 ]หรือการตกตะกอนด้วยไอสารเคมี (CVD) เพื่อควบคุมความหนาของการตกตะกอนอย่างแม่นยำและสร้างอินเทอร์เฟซที่คมชัดและเข้ากันได้กับแลตติสอย่างสมบูรณ์ ทางเลือกใหม่ที่กำลังวิจัยอยู่คือการซ้อนวัสดุหลายชั้นเข้าด้วยกันเป็นโครงสร้างเฮเทอโรแบบแวนเดอร์วาลส์[ 2 ]
แม้จะมีราคาแพง แต่เฮเทอโรจังก์ชันก็ถูกนำไปใช้ในงานเฉพาะทางหลากหลายประเภท ซึ่งคุณลักษณะเฉพาะของมันมีความสำคัญอย่างยิ่ง:
- เซลล์แสงอาทิตย์ : เฮเทอโรจังก์ชันเกิดขึ้นจากการเชื่อมต่อระหว่าง พื้นผิว ซิลิคอนผลึก (ช่องว่างพลังงาน 1.1 eV) และ ฟิล์มบาง ซิลิคอนอสัณฐาน (ช่องว่างพลังงาน 1.7 eV) ในโครงสร้างเซลล์แสงอาทิตย์บางแบบ[ 3 ]เฮเทอโรจังก์ชันใช้ในการแยกตัวนำประจุในลักษณะเดียวกับp–n จังก์ชัน โครงสร้างเซลล์แสงอาทิตย์แบบเฮ เทอโรจังก์ชันที่มีชั้นบางแบบอินทรินซิก (HIT) ได้รับการพัฒนาครั้งแรกในปี 1983 [ 4 ]และวางจำหน่ายเชิงพาณิชย์โดยSanyo / Panasonicปัจจุบันเซลล์แสงอาทิตย์ HIT ครองสถิติเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนแบบจังก์ชันเดี่ยวที่มีประสิทธิภาพสูงสุด โดยมีประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน 26.7% [ 1 ] [ 5 ] [ 6 ]
- เลเซอร์ : การใช้เฮเทอโรจังก์ชันในเลเซอร์ได้รับการเสนอครั้งแรก[ 7 ]ในปี 1963 เมื่อเฮอร์เบิร์ต โครเมอร์นักวิทยาศาสตร์ผู้มีชื่อเสียงในสาขานี้ แนะนำว่าการผกผันของประชากรสามารถเพิ่มขึ้นอย่างมากได้ด้วยเฮเทอโรสตรักเจอร์ โดยการรวมวัสดุที่มีช่องว่างแถบพลังงานโดยตรง ขนาดเล็กกว่า เช่น GaAsระหว่างชั้นที่มีช่องว่างแถบพลังงานขนาดใหญ่กว่าสองชั้น เช่นAlAs ตัวนำ สามารถถูกกักขัง ได้ทำให้เกิดการเลเซอร์ ได้ที่ อุณหภูมิห้องด้วยกระแสเกณฑ์ต่ำ ต้องใช้เวลาหลายปีสำหรับวิทยาศาสตร์วัสดุในการผลิตเฮเทอโรสตรักเจอร์เพื่อตามทันแนวคิดของโครเมอร์ แต่ปัจจุบันเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมแล้ว ต่อมาได้มีการค้นพบว่าช่องว่างแถบพลังงานสามารถควบคุมได้โดยการใช้ประโยชน์จากผลกระทบของขนาดควอนตัมใน เฮเทอโรสตรักเจอร์ บ่อควอนตัมนอกจากนี้ เฮเทอโรสตรักเจอร์ยังสามารถใช้เป็นตัวนำคลื่นไปยังขั้นดัชนีที่เกิดขึ้นที่ส่วนต่อประสาน ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญอีกประการหนึ่งในการใช้งานในเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์ไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ในเครื่องเล่นซีดีและดีวีดี รวมถึง ตัวรับส่งสัญญาณใยแก้ว นำแสง ผลิตขึ้นโดยใช้ชั้นสลับกันของสารประกอบเซมิคอนดักเตอร์III-VและII-VI ต่างๆ เพื่อสร้างโครงสร้างเฮเทอโรแบบเลเซอร์
- ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ : เมื่อใช้เฮเทอโรจังก์ชันเป็นรอยต่อเบส-อีมิเตอร์ของทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์จะได้อัตราขยายไปข้างหน้าสูงมากและอัตราขยายย้อนกลับต่ำ ซึ่งหมายถึงการทำงานที่ความถี่สูงได้ดีมาก (ค่าอยู่ในช่วงหลายสิบถึงหลายร้อยกิกะเฮิร์ตซ์) และกระแสรั่วไหล ต่ำ อุปกรณ์นี้เรียกว่าทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์เฮเทอโรจังก์ชัน (HBT)
- ทรานซิสเตอร์แบบสนามไฟฟ้า : รอยต่อเฮเทโรจังก์ชันถูกนำมาใช้ในทรานซิสเตอร์ความคล่องตัวของอิเล็กตรอนสูง (HEMT) ซึ่งสามารถทำงานที่ความถี่สูงกว่ามาก (มากกว่า 500 GHz) โปรไฟล์ การเจือสารและการจัดเรียงแถบพลังงานที่เหมาะสมทำให้เกิดความคล่องตัวของอิเล็กตรอน สูงมาก โดยการสร้างก๊าซอิเล็กตรอนสองมิติภายในบริเวณที่ปราศจากสารเจือปนซึ่งมีการกระเจิง น้อยมาก
- การเร่งปฏิกิริยา : การใช้เฮเทอโรจังก์ชันเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงแสดงให้เห็นว่ามีประสิทธิภาพที่ดีกว่าในการลด CO2 ด้วยแสง การผลิต H2 และการย่อยสลายสารมลพิษในน้ำด้วยแสงเมื่อเทียบกับออกไซด์โลหะเดี่ยว[ 8 ]ประสิทธิภาพของเฮเทอโรจังก์ชันสามารถปรับปรุงให้ดียิ่งขึ้นได้โดยการรวมช่องว่างออกซิเจน การปรับแต่งพื้นผิวผลึก หรือการรวมวัสดุคาร์บอน
การจัดเรียงแถบพลังงาน


พฤติกรรมของรอยต่อเซมิคอนดักเตอร์ขึ้นอยู่กับการจัดเรียงของแถบพลังงานที่ส่วนต่อประสานอย่างมาก ส่วนต่อประสานเซมิคอนดักเตอร์สามารถจัดเป็นเฮเทอโรจังก์ชันได้ 3 ประเภท ได้แก่ ช่องว่างคร่อม (ประเภท I) ช่องว่างสลับ (ประเภท II) หรือช่องว่างแตก (ประเภท III) ดังที่เห็นในรูป[ 9 ]ห่างจากรอยต่อการโค้งงอของแถบสามารถคำนวณได้โดยใช้ขั้นตอนปกติของการแก้สมการปัวซง
มีแบบจำลองหลายแบบที่ใช้ในการทำนายการเรียงตัวของแถบพลังงาน
- แบบจำลองที่ง่ายที่สุด (และมีความแม่นยำน้อยที่สุด) คือกฎของแอนเดอร์สันซึ่งทำนายการจัดเรียงแถบพลังงานโดยอาศัยคุณสมบัติของส่วนต่อประสานระหว่างสุญญากาศและสารกึ่งตัวนำ (โดยเฉพาะอย่างยิ่งค่าสัมพัทธ์ของอิเล็กตรอน ในสุญญากาศ ) ข้อจำกัดหลักคือการละเลยพันธะเคมี
- มีการเสนอ หลักการทั่วไปเกี่ยวกับแอนไอออนซึ่งคาดการณ์ว่าเนื่องจากแถบวาเลนซ์มีความสัมพันธ์กับสถานะของแอนไอออน วัสดุที่มีแอนไอออนชนิดเดียวกันจึงควรมีค่าชดเชยแถบวาเลนซ์น้อยมาก อย่างไรก็ตาม หลักการนี้ไม่ได้อธิบายข้อมูล แต่เกี่ยวข้องกับแนวโน้มที่ว่าวัสดุสองชนิดที่มีแอนไอออนต่างกันมักจะมี ค่าชดเชย แถบวาเลนซ์มากกว่าค่าชดเชยแถบนำ ไฟฟ้า
- Tersoff [ 10 ]เสนอ แบบ จำลองสถานะช่องว่างโดยอิงจากจุดเชื่อมต่อโลหะ-เซมิคอนดักเตอร์ ที่คุ้นเคยมากกว่า โดยที่ค่าชดเชยแถบนำไฟฟ้าจะกำหนดโดยความแตกต่างของ ความสูง ของสิ่งกีดขวาง Schottkyแบบจำลองนี้รวมถึง ชั้น ไดโพลที่ส่วนต่อประสานระหว่างเซมิคอนดักเตอร์ทั้งสอง ซึ่งเกิดขึ้นจากการอุโมงค์ของอิเล็กตรอนจากแถบนำไฟฟ้าของวัสดุหนึ่งเข้าไปในช่องว่างของอีกวัสดุหนึ่ง (คล้ายกับสถานะช่องว่างที่เกิดจากโลหะ ) แบบจำลองนี้สอดคล้องกับระบบที่วัสดุทั้งสองจับคู่แลตติซอย่างใกล้ชิด[ 11 ]เช่นGaAs / AlGaAs ได้ เป็น อย่างดี
- กฎ60:40เป็นหลักการเชิงอนุมานสำหรับกรณีเฉพาะของจุดเชื่อมต่อระหว่างสารกึ่งตัวนำ GaAs และสารกึ่งตัวนำโลหะผสม Al x Ga 1− x As เมื่อค่าxในด้าน Al x Ga 1− x As เปลี่ยนแปลงจาก 0 ถึง 1 อัตราส่วนมีแนวโน้มที่จะรักษาค่า 60/40 ไว้ สำหรับการเปรียบเทียบ กฎของ Anderson ทำนายสำหรับจุดเชื่อมต่อ GaAs/AlAs ( x =1) [ 12 ] [ 13 ]
วิธีการทั่วไปในการวัดค่าชดเชยแถบพลังงานคือการคำนวณจาก พลังงาน เอ็กซิตอนใน การวัด สเปกตรัมการเรืองแสง[ 13 ]
ความไม่ตรงกันของมวลที่มีประสิทธิภาพ
เมื่อเกิดเฮเทอโรจังก์ชันขึ้นจากสารกึ่ง ตัวนำสองชนิดที่แตกต่างกัน จะสามารถสร้าง ควอนตัมเวลล์ได้เนื่องจากความแตกต่างของโครงสร้างแถบพลังงานเพื่อที่จะคำนวณระดับพลังงาน สถิต ภายในควอนตัมเวลล์ที่ได้นั้น การทำความเข้าใจความแปรผันหรือความไม่ตรงกันของมวลยังผลในเฮเทอโรจังก์ชันจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง ควอนตัมเวลล์ที่กำหนดในเฮเทอโรจังก์ชันสามารถถือได้ว่าเป็นศักย์เวลล์จำกัดที่มีความกว้างนอกจากนี้ ในปี 1966 Conley et al. [ 14 ]และ BenDaniel และ Duke [ 15 ]ได้รายงานเงื่อนไขขอบเขตสำหรับฟังก์ชันซองในควอนตัมเวลล์ ซึ่งรู้จักกันในชื่อเงื่อนไขขอบเขต BenDaniel–Duke ตามที่พวกเขากล่าว ฟังก์ชันซองในควอนตัมเวลล์ที่สร้างขึ้นจะต้องเป็นไปตามเงื่อนไขขอบเขตที่ระบุว่าและมีความต่อเนื่องทั้งคู่ในบริเวณส่วนต่อประสาน
โดยใช้สมการชโรดิงเกอร์สำหรับบ่อศักย์จำกัดที่มีความกว้างและจุดศูนย์กลางอยู่ที่ 0 สมการสำหรับบ่อศักย์ควอนตัมที่ได้สามารถเขียนได้ดังนี้:
วิธีแก้ปัญหาสำหรับสมการข้างต้นเป็นที่รู้จักกันดีอยู่แล้ว เพียงแต่ใช้ k ที่แตกต่างกัน (ที่แก้ไขแล้ว) และ[ 16 ]
- .
ที่ค่า z = สมมาตรคู่ สามารถหาคำตอบได้จาก
- .
โดยการหาอนุพันธ์ของ (5) และคูณทั้งสองข้างด้วย
- .
เมื่อหาร (6) ด้วย (5) จะได้ฟังก์ชันคำตอบคู่
- .
ในทำนองเดียวกัน สำหรับคำตอบที่มีพาริตีคี่
- .
สำหรับการแก้ปัญหาเชิงตัวเลขการหาอนุพันธ์ของ (7) และ (8) จะได้
ความเท่าเทียมกัน:
ความเท่าเทียมกันแบบคี่:
ที่ไหน.
ความแตกต่างของมวลยังผลระหว่างวัสดุต่างๆ ส่งผลให้ความแตกต่างของพลังงาน สถานะพื้นฐาน มีมากขึ้น
เฮเทอโรจังก์ชันระดับนาโน
ในควอนตัมดอตพลังงานของแถบขึ้นอยู่กับขนาดของผลึกเนื่องจากผลกระทบของขนาดควอนตัมซึ่งทำให้สามารถออกแบบการชดเชยแถบในโครงสร้างเฮเทโรระดับนาโนได้ เป็นไปได้[ 17 ]ที่จะใช้วัสดุเดียวกัน แต่เปลี่ยนประเภทของรอยต่อ เช่น จากแบบคร่อม (ประเภท I) ไปเป็นแบบสลับ (ประเภท II) โดยการเปลี่ยนขนาดหรือความหนาของผลึกที่เกี่ยวข้อง ระบบโครงสร้างเฮเทโรระดับนาโนที่พบได้บ่อยที่สุดคือZnSบนCdSe (CdSe@ZnS) ซึ่งมีช่องว่างแบบคร่อม (ประเภท I) ในระบบนี้ZnS ที่มี ช่องว่างแถบ ที่ใหญ่กว่ามาก จะทำให้พื้นผิวของ แกน CdSe ที่เรืองแสงเสถียร ขึ้น จึงเพิ่มประสิทธิภาพควอนตัมของการเรืองแสง นอกจากนี้ ยังมีข้อดีเพิ่มเติมคือความเสถียรทางความร้อน ที่เพิ่มขึ้น เนื่องจากพันธะ ที่แข็งแรงกว่า ในเปลือก ZnS ดังที่แนะนำโดยช่องว่างแถบที่ใหญ่กว่า เนื่องจาก CdSe และ ZnS ต่างก็เติบโตใน เฟส ผลึกซิงค์เบลนด์และมีการจับคู่แลตติซอย่างใกล้ชิด การเติบโตแบบแกนเปลือกจึงเป็นที่ต้องการ ในระบบอื่นๆ หรือภายใต้สภาวะการเจริญเติบโตที่แตกต่างกัน อาจสามารถสร้าง โครงสร้าง ที่ไม่สมมาตร ได้ เช่นเดียวกับที่เห็นในภาพด้านขวา
แรงผลักดันสำหรับการถ่ายโอนประจุระหว่างแถบนำไฟฟ้าในโครงสร้างเหล่านี้คือการชดเชยแถบนำไฟฟ้า[ 18 ]โดยการลดขนาดของนาโนคริสตัล CdSe ที่ปลูกบนTiO 2 Robel et al. [ 18 ]พบว่าอิเล็กตรอนถ่ายโอนได้เร็วกว่าจากแถบนำไฟฟ้า CdSe ที่สูงกว่าไปยัง TiO 2ใน CdSe ผลกระทบของขนาดควอนตัมจะเด่นชัดกว่ามากในแถบนำไฟฟ้าเนื่องจากมวลประสิทธิผลที่เล็กกว่าในแถบวาเลนซ์ และนี่เป็นกรณีของสารกึ่งตัวนำส่วนใหญ่ ดังนั้น การออกแบบการชดเชยแถบนำไฟฟ้าจึงมักง่ายกว่ามากด้วยเฮเทอโรจังก์ชันระดับนาโน สำหรับเฮเทอโรจังก์ชันระดับนาโนแบบสลับ (ประเภท II) การแยกประจุที่เกิดจากแสงสามารถเกิดขึ้นได้ เนื่องจากสถานะพลังงานต่ำสุดสำหรับโฮลอาจอยู่ด้านหนึ่งของจังก์ชัน ในขณะที่พลังงานต่ำสุดสำหรับอิเล็กตรอนอยู่ด้านตรงข้าม มีการเสนอแนะ[ 18 ]ว่าเฮเทอโรจังก์ชันระดับนาโนแบบช่องว่างสลับกันแบบแอนไอโซโทรปิก (ประเภท II) อาจใช้สำหรับการเร่งปฏิกิริยาด้วยแสง โดย เฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการแยกน้ำด้วยพลังงานแสงอาทิตย์
ดูเพิ่มเติม
- โฮโมจังก์ชันหรือพี-เอ็น จังก์ชันคือ จังก์ชันที่เกี่ยวข้องกับสารกึ่งตัวนำชนิดเดียวกันสองชนิด
- รอยต่อโลหะ-สารกึ่งตัวนำ — รอยต่อระหว่างโลหะกับสารกึ่งตัวนำ
อ่านเพิ่มเติม
- Bastard, Gérald (1991). กลศาสตร์คลื่นประยุกต์ใช้กับโครงสร้างเฮเทอโรของสารกึ่งตัวนำ . Wiley-Interscience . ISBN 978-0-470-21708-5.
- Feucht, D. Lion; Milnes, AG (1970). รอยต่อเฮเทอโรจังก์ชันและรอยต่อโลหะ-สารกึ่งตัวนำนิวยอร์กซิตี้และลอนดอน : Academic Press, ISBN 0-12-498050-3ถึงแม้ว่าข้อมูลอ้างอิงด้านการใช้งานจะค่อนข้างล้าสมัยไปบ้าง แต่ก็ยังเป็นบทนำที่ดีเสมอสำหรับหลักการพื้นฐานของอุปกรณ์เฮเทอโรจังก์ชัน
- R. Tsu; F. Zypman (1990). "ข้อมูลเชิงลึกใหม่ในฟิสิกส์ของการอุโมงค์แบบเรโซแนนซ์" Surface Science . 228 ( 1– 3): 418. Bibcode : 1990SurSc.228..418T . doi : 10.1016/0039-6028(90)90341-5 .
- Kurhekar, Anil Sudhakar (2018). "การอบชุบด้วยความร้อนช่วยปรับปรุงคุณสมบัติทางไฟฟ้าของไดโอดเฮเทอโรจังก์ชัน" การประชุมวิจัยและศึกษาพลังงานหมุนเวียนนานาชาติ (Rere-2018) เอกสารการ ประชุมAIP เล่มที่ 1992 หน้า 040027 รหัสบรรณานุกรม : 2018AIPC.1992d0027K doi : 10.1063/1.5047992
ลิงก์ภายนอก
สรุปเนื้อหา
ข้อมูลสำคัญจากบทความ
ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ เฮเทอโรจังก์ชัน
เฮ เทอโรจังก์ชัน (Heterojunction) คือส่วนต่อประสานระหว่างสอง ชั้น หรือสองชั้นของ สารกึ่งตัวนำ ที่แตกต่างกัน วัสดุกึ่งตัวนำเหล่านี้มี ช่องว่างแถบพลังงาน ที่ไม่เท่ากัน...
การผลิตและการใช้งาน
โดยทั่วไป การผลิตเฮเทอโรจังก์ชันจำเป็นต้องใช้ เทคโนโลยี การปลูกผลึกด้วยลำแสงโมเลกุล (MBE) [ 1 ] หรือ การตกตะกอนด้วยไอสารเคมี (CVD) เพื่อควบคุมความหนาของการตกตะกอนอย่างแม่นยำและสร้างอินเทอร์เฟซที่คมชัดและเข้ากันได้กับแลตติสอย่างสมบูรณ์...
การจัดเรียงแถบพลังงาน
พฤติกรรมของรอยต่อเซมิคอนดักเตอร์ขึ้นอยู่กับการจัดเรียงของ แถบพลังงาน ที่ส่วนต่อประสานอย่างมาก ส่วนต่อประสานเซมิคอนดักเตอร์สามารถจัดเป็นเฮเทอโรจังก์ชันได้ 3 ประเภท ได้แก่ ช่องว่างคร่อม (ประเภท I) ช่องว่างสลับ (ประเภท II) หรือช่องว่างแตก (ประเภท III)...
ความไม่ตรงกันของมวลที่มีประสิทธิภาพ
เมื่อเกิดเฮเทอโรจังก์ชันขึ้นจาก สารกึ่ง ตัวนำสองชนิดที่แตกต่างกัน จะสามารถสร้าง ค วอนตัมเวลล์ ได้เนื่องจากความแตกต่างของ โครงสร้างแถบพลังงาน เพื่อที่จะคำนวณ ระดับพลังงาน สถิต ภายในควอนตัมเวลล์ที่ได้นั้น การทำความเข้าใจความแปรผันหรือความไม่ตรงกันของ มวลยังผล...