Когда два полупроводника с различными ширинами запрещённых зон и разными электронными свойствами образуют контакт, на их границе возникает явление разрыва энергетических зон. В отличие от однородного p-n перехода, где носители заряда перераспределяются лишь за счёт различий в концентрациях примесей, в гетеропереходе ключевым фактором становится несовпадение зонных структур. Это приводит к формированию ступенчатого изменения потенциального рельефа и барьеров, влияющих на движение электронов и дырок через границу.
Энергетическая диаграмма гетероперехода определяется тремя основными параметрами:
Разрыв зон может происходить по-разному, что классифицируется тремя основными типами выравнивания:
Тип I (состыкованный разрыв, или straddling gap). Минимум зоны проводимости и максимум валентной зоны более широкозонного материала оказываются, соответственно, выше и ниже, чем соответствующие края узкозонного материала. В этом случае оба типа носителей (электроны и дырки) локализуются в одном и том же материале. Такой тип характерен для систем GaAs/AlGaAs.
Тип II (разнесённый разрыв, или staggered gap). Минимум зоны проводимости одного материала оказывается ниже максимума валентной зоны другого. В этом случае электроны и дырки разделяются по разным материалам: электроны преимущественно локализуются в одном полупроводнике, а дырки — в другом. Примером служит система GaAs/AlAs.
Тип III (сломанный разрыв, или broken gap). Край зоны проводимости одного материала оказывается ниже края валентной зоны другого. Такая ситуация приводит к перекрытию зон и созданию необычных транспортных свойств, вплоть до возможности туннельного протекания без барьера. Пример — система InAs/GaSb.
Разрыв зон на гетерогранице нельзя определить простым сопоставлением ширины запрещённых зон. Важную роль играют:
Электронные сродства (χ). Сродство к электрону определяет глубину зоны проводимости относительно вакуумного уровня. Разность электронных сродств материалов часто используется в простейшей модели Андерсона для оценки ΔE_c.
Энергии ионизации и положения валентной зоны. Через них определяется ΔE_v.
Химическая природа границы. Химические связи и межфазные состояния могут смещать уровни, изменяя реальный разрыв по сравнению с идеализированной моделью.
Поляризация и дефекты. На границе могут возникать локальные электрические поля, связанные с разницей в симметрии кристаллической решётки или наличием поверхностных состояний. Это приводит к дополнительному изгибу зон.
Разрыв зон играет определяющую роль в формировании электронных свойств гетеропереходов:
Барьер для электронов и дырок. Величины ΔE_c и ΔE_v определяют высоту энергетических барьеров при движении носителей через границу.
Конфайнмент носителей. В случае типа I образуются квантовые ямы, в которых электроны и дырки одновременно локализованы, что используется в лазерах на гетероструктурах.
Разделение носителей. Для типа II характерно пространственное разделение электронов и дырок, что ведёт к увеличению времени их жизни и используется в фотодетекторах.
Туннельные переходы. При типе III создаются условия для межзонного туннелирования, лежащего в основе работы туннельных транзисторов и инфракрасных детекторов.
Для определения реальных разрывов зон применяются различные методы:
Зонные разрывы лежат в основе работы большинства приборов на основе гетеропереходов: