Зависимость граничной концентрации неосновных носителей заряда от напряжения

Чтобы подвести итог, построим в полулогарифмическом масштабе зависимость граничной концентрации неосновных носителей от напряжения на p-n-переходе (рис. 2.2). При малых токах эта

зависимость экспоненциальна, а в выбранном масштабе — прямая, проходящая через значение равновесной концентрации неосновных носителей заряда при u = 0. При больших прямых токах, т. е. при напряжениях на р-п-переходе, стремящихся к контактной разности потенциалов, изображать зависимость не имеет смысла. При больших обратных токах граничная концен­трация неосновных носителей заряда стремится к значению

J_p/(qυ_pmax).

$ 2.4. МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННО- ДЫРОЧНЫХ ПЕРЕХОДОВ

Среди разнообразных методов формирования р-n-переходов наи­большее значение имеют два: метод вплавления и метод диффу­зии примесей. Электронно-дырочный переход, полученный мето­дом вплавления в полупроводник (с последующей рекристалли-

§ 2.10. Выпрямляющие и омические переходы на контакте металла с полупроводником

При идеальном контакте металла с полупроводником (т. е. при отсутствии каких-либо промежуточных слоев, отличающихся химическим составом, и без учета поверхностных состояний на границе раздела) происходит диффузия электронов преимуще­ственно из материала с меньшей работой выхода электронов в материал с большей работой выхода. Под работой выхода элек­тронов будем понимать энергию, необходимую для перевода электрона с уровня Ферми на потолок верхней свободной зоны (без удаления электрона в вакуум на бесконечное расстояние от поверхности полупроводника).

В результате диффузии электронов и перераспределения заря­дов нарушается электрическая нейтральность прилегающих к границе раздела областей, возникает контактное электрическое поле и контактная разность потенциалов

где А_м и А_n — соответственно работа выхода электронов из ме­талла и из полупроводника.

Переходный слой, в котором существует контактное (или диффузионное) электрическое поле и который образован в ре­зультате контакта между металлом и полупроводником, называ­ют переходом Шотки, по имени немецкого ученого В. Шотки, который первым получил основные математические соотношения для электрических характеристик переходов.

Контактное электрическое поле на переходе Шотки сосредо­точено практически только в полупроводнике, так как концентра­ция носителей заряда в металле значительно больше концентра­ции носителей заряда в полупроводнике. Перераспределение электронов в металле происходит в очень тонком слое, сравнимом с межатомным расстоянием.

В зависимости от типа электропроводности полупроводника и от соотношения работ выхода в полупроводнике может возникать обедненный, инверсный или обогащенный слой (рис. 2.15). Если работа выхода в металле меньше работы выхода в полупровод-

нике (A_м<A_n), то электроны с большей вероятностью будут пере­ходить из металла в полупроводник. Это приводит к образованию в полупроводнике обедненного слоя, если полупроводник р-типа (рис. 2.15, а), или даже инверсного слоя, если A_м<<A_n (рис. 2.15, б). Если полупроводник n-типа, то образуется обогащенный слой (рис. 2.15, в).

При противоположном соотношении работ выхода (A_м>A_n) в полупроводнике n-типа получается обедненный или инверсный слой, а в дырочном — обогащенный.

В обедненных слоях пространственный заряд формируется в результате нарушения компенсации заряда ионизированных при­месей основными носителями, а в обогащенных — из-за накопле­ния основных носителей заряда. Обогащенный слой обусловли­вает малое сопротивление приконтактной области полупроводни­ка по сравнению с сопротивлением объема полупроводника. Поэтому такой переход не обладает выпрямляющими свойствами. При наличии обедненного или инверсного слоя переход Шотки обладает выпрямляющими свойствами, так как внешнее напря­жение, падая в основном на высокоомном переходе, будет изме­нять высоту его потенциального барьера, изменяя условия про­хождения носителей заряда через переход.

Характерной особенностью выпрямляющего перехода Шотки в отличие от р-n-перехода является разная высота потенциаль­ных барьеров для электронов и дырок. В результате через пере­ход Шотки может не происходить инжекции неосновных носите­лей заряда в полупроводник. Рассмотрим рис. 2.16. При включе­нии такого перехода в прямом направлении (рис. 2.16, б) высота потенциального барьера для дырок (ПБД) в приконтактной области полу­проводника понижается, дырки будут переходить из полупроводника в ме­талл. Чем больше прямое напряжение, сем больше вероятность такого пере­хода дырок. Однако при этом высота потенциального барьера для электро­нов (ПБЭ), которые могут двигаться из металла в полупроводник, остается еще относительно большой. Поэтому поток электронов из металла в полу­проводник будет относительно малым, т. е. практически не будет инжекции неосновных носителей заряда в полу­проводник.

При другой полярности внешнего напряжения (при обратном напряже­нии) потенциальный барьер для дырок повышается (рис. 2.16, в) и их движе­ние через переход прекращается. Для неосновных носителей заряда (для электронов в данном примере) поле в переходе оказывается ускоряющим. Поэтому, проходя через переход, неосновные носи­тели заряда образуют обратный ток, который будет мал из- за малой концентрации неосновных носителей в полупровод­нике.

Если разница в работах выхода велика, то в приконтактной области полупроводника образуется инверсный слой (см. рис. 2.15, б). В этом случае при малых прямых напряжениях через такой переход будет происходить инжекция неосновных носителей заряда из инверсного слоя в прилегающий объем полу­проводника. При больших прямых напряжениях инверсный слой может исчезнуть.

В омических переходах, образованных в результате контакта между металлом и полупроводником, может происходить накопление неосновных носителей заряда из-за образования потенциальной ямы для неосновных носителей в приконтакной области полупроводника (рис. 2.17).

Такое явление, как отмечалось в § 2.9, может влиять на быст­родействие полупроводниковых приборов. Для устранения этого явления необходимо устранить потенциальный барьер на контак­те металл—полупроводник путем подбора контактирующих пар материалов с одинаковыми работами выхода. Однако практиче­ски это неосуществимо из-за ограниченного набора металлов и необходимости подбирать металл заново для каждой кон­центрации примесей в полупроводнике и для каждой темпе­ратуры.

Для исключения эффекта накопления неосновных носителей заряда в полупроводнике около контакта можно провести допол­нительное легирование приконтактной области полупроводника. Потенциальный барьер при этом остается, но его толщина будет очень малой из-за сильного легирования приконтактной области полупроводника. Малая толщина потенциального барьера обес­печит возможность туннелирования неосновных носителей заряда в металл из потенциальной ямы в полупроводнике.