Dwuwymiarowy gaz elektronowy w tranzystorze polowym.

 

Jakiś czas temu przewinął się w dziale Nauka temat elektronowego gazu dwuwymiarowego. W tej notce chciałbym pokazać, jak prosto (mając oczywiście odpowiedni sprzęt) można taki gaz dwuwymiarowy otrzymać i jak wykorzystuję się go w działaniu tranzystora polowego HEMT (ang. high electron mobility transistor).

Zacznijmy od jednej warstwy azotku galu GaN. Warstwę krystaliczną tego półprzewodnika można osadzić na podłożu np. z szafiru Al₂O₃, albo po prostu na podłożu z samego GaN. (Podłoża z GaN są około 10 krotnie droższe). Grubość takiej warstwy GaN ma najczęściej kilka mikronów grubości.

 

Taka warstwa GaN jest bardzo czysta, co z dużą przerwą energetyczną azotku galu (ok. 3,4 eV) powoduje, że jest nieprzewodząca. Czyli jeżeli przyłożymy do niej (powiedzmy na jej końcach) dwa przewody z różnicą potencjałów, to prąd nie popłynie.

Teraz nanieśmy (w technologii mówi się że osadzamy) na nią warstwę azotku glinowo-galowego AlGaN, o grubości ok. 0,2 mikrona.

 

AlGaN ma jeszcze większą przerwę energetyczną (w zależności od ilości Al od 3,4 – 6,2 eV), więc również nie będzie przewodził prądu.

Przyłóżmy teraz kontakty do boków takich dwóch warstw, tak aby stykały się z miejscem gdzie GaN i AlGaN się łączą. (Miejsce styku dwóch warstw nazywa się międzypowierzchnią, ang. interface).

 

Jeżeli teraz przyłożymy różnicę potencjałów do wstawionych kontaktów, okaże się, że przez nieprzewodzące wcześniej warstwy zaczyna płynąć prąd. Dodatkowo, tak złączone warstwy będą miały dość niski opór. Co się stało?

Okazuje się, że na międzypowierzchni obu tych warstw wytworzył się dwuwymiarowy gaz elektronowy.

Poniższy rysunek przedstawia układ pasm w takiej strukturze półprzewodnikowej.

(Na rysunku pojawiło się coś takiego jak <Si donors>, to dodatkowa domieszka krzemu w celu zwiększenia ilości nośników czyli elektronów)

Fizycy wytłumaczą takie powstanie gazu 2D zagięciem pasm energetycznych, a dokładnie zagięciem pasma przewodnictwa GaN na styku z AlGaN. Inni jeszcze wspomną coś o zjawisku piezoelektrycznym na takim złączu. Ja chcąc wytłumaczyć to jak nabardziej opisowo napiszę, że na złączu powstanie potencjał który uwolni elektrony z powłok walencyjnych w bardzo wąskiej warstwie. Te uwolnione elektrony stworzą właśnie dwuwymiarowy gaz elektronowy.

Podsumowując powyższą konstrukcję. Osadzenie jednego nieprzewodzącego półprzewodnika na drugim nieprzewodzącym półprzewodniku spowodowało, że powstał przewodzący gaz dwuwymiarowy.

No dobrze, ale miał być tranzystor, czyli mamy napięciem bramki sterować prąd między źródłem i drenem.

No to dołóżmy bramkę tak jak na rysunku poniżej.

Teraz jeżeli przyłożymy potencjał na tą bramkę, to zaczniemy wypychać elektrony z kanału powodując przerwanie gazu dwuwymiarowego elektronów i zamkniecie przewodzenia tranzystora.

 

rzech

 

PS.

Wszelkie wpisy będące "wycieczkami osobistymi" lub obrażające inne osoby będą usuwane.