Удельная проводимость полупроводника определяется:

 = 1/ = j_др/E = g(n_n+p_p),

где  – удельное сопротивление полупроводника.

Результирующая плотность тока равна:

j_др = j_{n др}+j_{p др} = (gn_n+gp_p)E.

Движение и ток носителей заряда в полупроводнике, вызванное приложенным электрическим полем называют дрейфовым.

2.3. Диффузионные процессы в полупроводниках

Движение свободных носителей, вызванное их неравномерным распределением в объеме полупроводника, называют диффузионным движением. Диффузия не связана с электрическим зарядом, а определяется только градиентом концентрации носителей. Теоретически диффузия описывается законом Фика по которому плотность потока носителей П (см^-2/ом^-1) пропорциональна градиенту концентрации, взятому с обратным знаком, поскольку диффузионный ток направлен в сторону меньшей концентрации. То есть:

П = - D_n(dn/dx),

где dn/dx – градиент, D_n – коэффициент диффузии электронов (см²/с), n – концентрация электронов.

Плотность диффузионного тока электронов и дырок получим, умножив плотность потока носителей П на заряд электрона (отрицательный) и дырки (положительный):

j_{n дф} = qD_n(dn/dx) и j_{g дф} = -qD_p(dp/dx),

где D_p – коэффициент диффузии дырок, p – концентрация дырок.

2.4. ПРИМЕСНАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Электропроводность полупроводников в значительной степени определяется содержанием в них примесей: донорных и акцепторных.

Донорные примеси имеют валентные электроны, слабо связанные со своим ядром, которые могут легко перейти в ЗП основного материала.

Если в собственный полупроводник ввести донорную примесь, то число свободных электронов будет превышать число дырок. Такой полупроводник обладает преимущественно электронной проводимостью

j_n > j_g и его называют электронным или n-типа.

Рис. 2.2

Донорные атомы образуют в ЗЗ разрешенные уровни Wg, расположенные вблизи дна ЗП. При ионизации донорного атома электрон (1) переходит с донорного уровня Wg в ЗП. Wg = Wп-Wg – энергия ионизации донора.

Акцепторные примеси способны принимать извне один или несколько электронов, превращаясь в отрицательный ион.

Если в полупроводник ввести акцепторную примесь, то возникают дополнительные дырки при ионизации акцепторных атомов – электроны присоединяются к примесным атомам, отрываясь от атомов полупроводника.

Энергетический уровень акцепторных примесей расположен вблизи потолка ВЗ, и электроны из ВЗ (2) переходят на акцепторный уровень Wa. В результате образуются дырки в ВЗ. Разность Wа-Wв = Wа энергия ионизации акцепторов.

В этом случае, при приложении к полупроводнику электрического поля будет преобладать дырочная составляющая тока j_n > j_p, то есть будет преобладать дырочная проводимость. Такой полупроводник называют дырочным или p-типа. Носители зарядов, концентрация которых преобладает в полупроводниках, называют основными носителями заряда, а носители зарядов, концентрация которых в полупроводниках меньше, чем основных – неосновными носителями.

При значительном увеличении концентрации примесей уровни акцепторных или донорных примесей могут расщепляться, образуя зоны, которые могут сливаться либо с зоной валентной, либо ЗП. В обоих случаях полупроводники называют вырожденными. В таком полупроводнике концентрация носителей собственной электропроводности значительно меньше примесной.

В примесных полупроводниках при низких температурах преобладает примесная электропроводность. Но с увеличением температуры повышается собственная электропроводность, в то время как примесная имеет предел увеличения, соответствующий ионизации всех атомов примесей. Поэтому при достаточно высоких температурах проводимость полупроводников всегда собственная.

2.5. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ЗОНАХ ПОЛУПРОВОДНИКА

В собственном полупроводнике при Т = 0⁰ К все электроны находятся в ВЗ. При повышении температуры часть электронов из ВЗ переходит в ЗП. Вероятность нахождения электрона или дырки на том или ином энергетическом уровне при заданной температуре можно оценить с помощью распределения Ферми-Дирака

₁

F_n =

EXP [-(W-W_F)/(kT)], где W – энергия данного уровня (дж),

k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, W_F – энергия соответствующая энергетическому уровню, вероятность заполнения которой при Т  0⁰ К равна ½ и называется уровнем Ферми.

При Т = 0⁰ К F_n изменяется скачкообразно. Для всех энергетических уровней лежащих ниже уровня Ферми (W<W_F) функция F_n = 1, то есть вероятность заполнения электронами валентной зоны (2) равна 1; для всех уровней выше W_F функция F_n = 0 то есть электроны в ЗП отсутствуют. При Т  0⁰ К кривая F_n имеет плавный вид.

Рис. 2.3

В примесных полупроводниках n-типа уровень Ферми смещается к ЗП тем выше, чем выше концентрация донорной примеси.

В полупроводниках p-типа уровень Ферми смещается от середины ЗЗ к ВЗ и находится тем ближе к валентной зоне, чем выше концентрация акцепторных примесей. Уменьшение температуры смещает уровень Ферми аналогично примесям (в n-типа к ЗП; p-типа к ВЗ).

Рис. 2.4

3. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

3.1.ПОЛУПРОВОДНИКИ ВО ВНЕШНЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Рассмотрим систему проводник-диэлектрик-полупроводник. Пусть проводник подключен к отрицательному полюсу, а полупроводник – к положительному полюсу источника напряжения. Тогда на поверхности проводника и полупроводника образуются поверхностные заряды- отрицательный на поверхности проводника и положительный на поверхности полупроводника. Эти заряды создают электрическое поле напряженностью Е и уравнове- шивают друг друга. Аналогичная картина наблюдается на обкладках электрического конденсатора.

Однако, если в проводнике вследствие чрезвычайно высокой концентрации свободных электро- нов, нейтрализация положитель- ного заряда полупроводника про- исходит в чрезвычайно тонком

Рис. 3.1 слое, и поле Е практически не

проникает в толщу проводника, то в полупроводник область приповерхностного положительного заряда простирается на значительную глубину ().

Обычно ее принимают равной дебаевской длине экранирования L_D.

Для собственного полупроводника:

,

где ε, ε₀ – относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника и диэлектрика, n_i – концентрация свободных носителей заряда в собственном полупроводнике, q – заряд электрона, - температурный потенциал,n_i = N – концентрация примесей для примесных полупроводников.

На рис. 3.1 изображено распределение потенциала пола φ(х) вдоль оси Х. Длина экранирования определяет расстояние, на протяжении которого потенциал поля в веществе уменьшается в е =2,72 раз. Считается, что поле Е проникает в приповерхностный слой для примесных полупроводников на расстояние L_D.

Величина L_D для чистого кремния равна 14 мкм, а для кремния n-типа L_D может достигать 0,04мкм при Т=300⁰К.

Появление положительного заряда в приповерхностном слое полупроводника свидетельствует об избыточной концентрации положительных носителей заряда. В этом случае приповерхностный слой обогащается дырками. С другой стороны, в приповерхностном слое полупроводника L_D под действием поля Е происходит выталкивание электронов вглубь полупроводника. Поэтому приповерхностный слой обедняется электронами.

Обратная картина наблюдается при изменении полярности U.

3.2.ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СОСТОЯНИЯ

Все энергетические уровни, разрешенные в полупроводниковом кристалле бесконечных размеров, разрешены и в ограниченном кристалле. Однако, обрыв регулярной структуры решетки на поверхности кристалла приводит к тому, что вблизи поверхности появляются дополнительные разрешенные дискретные энергетические уровни или зоны, которые запрещены в толще кристалла. Такие уровни энергии называются поверхностными или уровнями Тамма. Поверхностные уровни могут служить донорами (вблизи Wg), акцепторами (вблизи Wa), или центрами прилипания (вблизи середины ΔWз). Заполнение акцепторных поверхностных уровней означает локализацию электронов вблизи поверхности, удаление электронов с донорных уровней локализует дырки вблизи поверхности кристалла. Локализация на поверхности дырок или электронов приводит к образованию поверхностного заряда.

В соответствии с условием электронейтральности полупроводников поверхностный заряд уравновешивается приповерхностным зарядом. Уравновешивание происходит вследствие притяжения свободных носителей противоположного знака и отталкиванием свободных носителей с совпадающим знаком.

Заряд на поверхности полупроводника вызывает возникновение разности потенциалов между его поверхностью и объемом. Вследствие этого искривляются и энергетические зоны у поверхности.

Изгиб простирается вглубь полупроводника на длину экранирования L_D.

Вследствие изгиба энергетических зон в приповерхностном слое может наблюдаться три процесса:

1. При малой плотности отрицательных поверхностных зарядов на поверхности полупроводника n-типа образуется обедненный слой, т.к. основные носители электроны отталкиваются отрицательным поверхностным зарядом вглубь (1).

Рис. 3.2

Снижается концентрация основных носителей в приповерхностном слое. Аналогичный процесс происходит на поверхности полупроводника p-типа, но при другом знаке поверхностного заряда (2).

2. При большой плотности отрицательных поверхностных зарядов у поверхности полупроводника n-типа образуется слой с противоположным типом электропроводности – инверсный слой (3). Граница инверсного слоя в глубине полупроводника расположена там, где уровень Ферми W_F пересекает середину ЗЗ W_i. Под инверсным слоем в полупроводнике находится обедненный слой.

Рис. 3.3

Пример (4) аналогичен для полупроводника p-типа и положительных поверхностных зарядов.

3. Если на поверхности полупроводника n-типа преобладают положительные поверхностные заряды, то поверхность полупроводника обогащается электронами - основными носителями заряда, т.е. образуется обогащенный слой (5). Граница этого слоя определяется глубиной проникновения электростатического поля L_D.

Рис. 3.4

Пример (6) аналогичен для полупроводника p-типа и отрицательных поверхностных зарядов.

4. КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПЕРЕХОДОВ

Большинство изделий полупроводниковых технологий представляют собой неоднородные структуры, основными активными элементами которых являются контакты между двумя областями с различными типами и величинами электропроводности или электрические переходы.

Различают:

- электронно-дырочный или p-n переход, образованный контактом двух полупроводников с различным типом проводимости,

- электронно-электронный (n⁺-n) и дырочно-дырочный (p⁺-p) переходы, образованные полупроводниками одного типа, но с различными удельными электропроводностями,

- частный случай – n-n_i и p-p_i , где n_i , p_i – собственные полупроводники,

- переход проводник - полупроводник, образованный контактом проводника и полупроводника,

- гетеропереходы – переходы, образованные разнородными полупроводниками с различной шириной ЗЗ – Ge – AsGa.

Электрические переходы нельзя получить при простом механическом соединении кристаллов полупроводника, т.к. их поверхности загрязнены.

Для получения переходов используются специальные технологические приемы. Наибольшее распространение получили: метод вплавления и метод диффузии примесей.

В первом случае – переход сплавной (нагрев и вплавление), во втором переход диффузионный (диффузия примесей и газа).

Наиболее распространенный метод диффузии – планарный, в этом случае происходит формирование на поверхности полупроводника областей с различным типом электропроводности через шаблоны.

Также широко используется метод эпитаксиального наращивания – наращивание монокристаллов полупроводника на поверхности подложки того же полупроводника. В зависимости от примесей можно получить эпитаксиальный слой с тем же типом электропроводности, что и исходный полупроводник, но с другим удельным сопротивлением, а можно получить эпитаксиальный слой с другим типом электропроводности – эпитаксиальный p-n переход.

Перспективным методом является метод ионной имплантации – бомбардировка полупроводника ионами примесей, ускоренных в электрическом поле. Основным в этом методе является проведение управляемого легирования поверхностных и приповерхностных слоев полупроводника точно дозированным количеством примесей.

По характеру распределения концентрации примесей различают резкие и плавные p-n переходы. Переход, в котором концентрация легирующих примесей N_a и N_д в области контакта меняется скачком, называется резким. Резкий переход получается обычно методом вплавления примеси. В плавных переходах концентрации N_a и N_д изменяются плавно (метод диффузии).

P-n переходы могут быть симметричными, когда концентрации основных носителей заряда в прилегающих к переходу p и n областях приблизительно равны (p_p ≈ n_n). Для несимметричных p-n переходов p_p и n_n не равны. Эти переходы обычно используются в полупроводниковой технике.

Если концентрации основных носителей отличаются более чем на порядок, то переход односторонний.

4.2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ В P-N ПЕРЕХОДАХ

4.2.1. КОНТАКТ ДВУХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ P- И N- ТИПА

При идеальном контакте двух полупроводников с различным типом электропроводности и различной концентрацией основных носителей (несимметричный переход) из-за градиента концентрации носителей заряда возникает их диффузия в область с противоположным типом электропроводности через плоскость контакта (плоскость, где изменяются типы примесей). В результате диффузии носителей заряда нарушается электрическая нейтральность контактируемых частей полупроводников. В p-области вблизи контакта после диффузии из нее дырок остаются нескомпенсированные ионизированные акцепторы (отрицательные неподвижные заряды), а в области n-типа – нескомпенсированные ионизированные доноры (положительный неподвижные заряды). Образуется область пространственного заряда, состоящая из двух разноименно заряженных слоев. Между нескомпенсированными разноименными зарядами ионизированных примесей возникает электрическое поле, направленное от n-области к p-области, которое называется диффузионным электрическим полем (рис. 4.1, а). Это поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей через контакт – устанавливается равновесное состояние. Между n- и p-областями при этом существует разность потенциалов – контактная разность потенциалов.

Область образовавшихся неподвижных пространственных зарядов (ионов) и есть область p-n перехода. В ней понижена концентрация основных носителей заряда, и, следовательно, выше сопротивление.

Наличие диффузионного электрического поля не препятствует движению через переход неосновных носителей заряда, имеющихся в p- и n-областях. Это носители заряда собственной электропроводности.

Переход неосновных носителей заряда приводит к уменьшению объемного заряда и электрического поля в переходе, что вызывает дополнительную диффузию основных носителей, в результате электрическое поле принимает исходное значение.

Таким образом, через p-n переход в равновесном состоянии движутся два встречных потока зарядов, находящихся в динамическом равновесии и взаимно компенсирующих друг друга.

Суммарная плотность токов равна 0.

Контактная разность потенциалов или потенциальный барьер (qU_K) определяется выражением:

qU_K=φ_Тln(Nn₀Pp₀/n_i²),

где Nn₀ и Pp₀ – концентрация основных носителей в равновесном состоянии в областях n и p, n_i – собственная концентрация.

Для германиевых полупроводниковых приборов U_K = 0,3-0,4В для нормальной температуры.

Для кремниевых – U_K = 0,7-0,8В. Энергетическая диаграмма p-n пере хода имеет вид (рис. 4.1, б).

Так как напряженность диффузион-ного электрического поля в p-n переходе направлена от n полупроводника к p полупроводнику, энергетические зоны для n-области расположены ниже чем для p-области. Сдвиг зон определяется тем, что в равновесном состоянии уровень Ферми Wf должен быть расположен на одной высоте энергетической диаграммы всей системы.

Рис. 4.1

4.2.2. ПРЯМОЕ СМЕЩЕНИЕ P-N ПЕРЕХОДА

Если нарушить равновесие в p-n переходе внешним электрическим полем, т.е. приложить напряжение U плюсом к p-области, а минусом к n-области (напряженность поля Е противоположна диффузионной напряженности E_диф), то суммарная напряженность уменьшится, контактная разность уменьшится U₁ = U_K - U_пр (рис. 4.2, б).

Уменьшится и ширина p-n перехода. В цепи потечет электрический ток. Однако до тех пор пока |U_K| > |U_пр|, обедненный носителями заряда p-n переход имеет высокое сопротивление и ток мал.

Этот ток вызван дополнительным диффузионным движением носителей, перемещение которых стало возможным в связи с уменьшением потенциального барьера (рис. 4.2, г). Часть основных носителей с наибольшим значением энергии может преодолевать пониженный потенциальный барьер.

При |U_K| = |U_пр| через p-n переход протекает большой ток, толщина p-n перехода стремится к нулю (уменьшается глубина проникновения поля в область полупроводника). Напряжение такой полярности (+ к p, а – к n) называют прямым, и протекающий ток называют также прямым.

Преодолевшие потенциальный барьер основные носители становятся в соседней области неосновными. Такой процесс называется инжекцией неосновных носителей. Область, в которую ин-

Рис. 4.2 жектируются неосновные носители,

называют базой, а инжектирующую область называют эмиттером.

4.2.3. ОБРАТНОЕ СМЕЩЕНИЕ P-N ПЕРЕХОДА

Если к p-n переходу приложено обратное напряжение (+ к n-области, а – к p-области), то напряженность электрического поля будет совпадать по направлению с диффузионным электрическим полем (рис. 4.3, д) и высота потенциального барьера увеличивается (рис. 4.3, е).

Однако для неосновных носителей, т.е. для дырок в n-области и для электронов в p-области, потенциальный барьер в p-n переходе вообще отсутствует. Неосновные носители втягиваются электрическим полем в p-n переход и проходят через него в соседнюю область – происходит так называемая экстракция. При этом через p-n переход течет обратный ток, который относительно мал из-за малой концентрации неосновных носителей.

Математически ток через p-n переход определяется выражением:

,

для J_пр – U имеет знак (+), для J_обр – U имеет знак (-).

J₀ – обратный ток насыщения, ток всех неосновных носителей, генерируемых в объеме, ограничен- ном диффузионной длиной и площадью p-n перехода.

Идеальный p-n переход обладает вентильными свойствами, т.е. при приложении к нему прямого напряжения протекает ток, который при увеличении U_пр, увеличивается по экспоненциаль- ному закону.

Если приложить обратное напряжение, то сопротивление p-n перехода возрастает. В цепи протекает малый обратный (тепло- вой) ток, который практически не зависит от приложенного напря- жения и увеличивается по экспо- ненциальному закону при возраста-

нии температуры T^o.

Рис. 4.3 В реальных p-n переходах наб-

людается достаточно сильное увеличение обратного тока при увеличении приложенного напряжения. Такое явление объясняется термогенерацией носителей заряда непосредственно в областях p-n перехода и существованием канальных токов.

Канальные токи обусловлены наличием поверхностных состояний, искривляющих энергетические зоны вблизи поверхности и приводящих к появлению инверсных слоев. Эти слои называют каналами, а токи, протекающие через переход между инверсным слоем и соседней областью – канальными токами.

4.3. ЕМКОСТИ P-N ПЕРЕХОДА

Пространственный заряд p-n перехода изменяет свою величину при изменении приложенного напряжения. Поэтому плоскостной p-n переход можно рассматривать как систему из двух проводящих плоскостей, заряды которых численно равны, противоположны и разделены средой по свойствам близким к диэлектрику, т.е. как плоский конденсатор. Емкость такого конденсатора называется барьерной и определяется выражением:

,

где Q_П – величина пространственного заряда, U – приложенное напряжение.

Приблизительно С_бар можно определить:

,

где S – площадь сечения, l₀ – толщина p-n перехода.

Увеличение обратного напряжения расширяет область пространственного заряда. Это приводит к уменьшению С_бар. При прямом смещении толщина p-n перехода уменьшается и С_бар увеличивается.

Рис. 4.4

Приложенное к p-n переходу прямое напряжение приводит к росту прямого тока и увеличению концентрации подвижных носителей.

Емкость, определяющаяся отношением изменения величины инжектированного заряда в базе к изменению приложенного напряжения, носит название диффузионной емкости:

.

Приближенное выражение:

,

где τ_n – время жизни инжектированных носителей.

Диффузионная емкость учитывает эффект накопления носителей в базе и зависит от величины прямого тока.

С_диф тем больше, чем больше время жизни инжектированных носителей и чем больше ток через переход.

При обратных напряжениях на переходе вследствие насыщения +J = -J и С_диф ≈ 0. При прямом напряжении на переходе С_диф >> С_бар, поэтому при U < 0 С_пер ≈С_бар, а при U > 0 С_пер ≈ С_диф.

Как видно из рис. 4.4 С_диф > С_бар, но в реальных схемах использовать С_диф не удается т.к. она зашунтирована малым прямым сопротивлением p-n перехода.

4.4. ПРОБОЙ P-N ПЕРЕХОДА

Начиная с некоторого значения обратного напряжения, обратный ток реального p-n перехода быстро растет. Если этот ток не ограничить, то возникает пробой перехода. Выпрямляющее свойство перехода при пробое нарушается.

Под пробоем p-n перехода понимают явление резкого увеличения I_обр при достижении U_обр критического значения.

Рис. 4.5

а – электрический пробой, б – тепловой пробой.

В зависимости от удельного сопротивления полупроводника, типа p-n перехода и величины приложенного напряжения, окружающей температуры, состояния поверхности различают 4 разновидности пробоя: туннельный, лавинный, тепловой, и поверхностный.

Две первые разновидности связаны с наличием электрического поля и имеют название – электрический пробой. Третья обусловлена увеличением рассеиваемой мощности перехода, а четвертая связана с поверхностным зарядом.

В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект, т.е. просачивание электронов через потенциальный барьер, высота которого больше, чем энергия носителей.

Туннельный пробой наступает тогда, когда напряженность электрического поля увеличивается настолько, что становится возможным переход электронов из ВЗ полупроводника с электропроводностью одного типа в ЗП полупроводника с электропроводностью другого типа (см. рис. 4.6, туннельный эффект при сильном искривлении энергетических зон).

Туннельный пробой возникает у полупроводниковых приборов, имеющих узкий p-n переход при напряженности электрического поля выше 10⁵ В/см. Начало туннельного пробоя оценивается по 10-кратному превышению туннельного тока над

Рис. 4.6 обратным.

Лавинный пробой вызывается ударной ионизацией, когда напряженность электрического поля, вызванная U_обр, достаточно велика и неосновные носители, движущиеся через p-n переход, ускоряются настолько, что при соударении с атомами в зоне p-n перехода ионизируют их. Появляются новые пары электрон-дырка, которые ускоряются электрическим полем и тоже вызывают ионизацию атомов. При лавинной ионизации ток в цепи ограничен только внешним сопротивлением.

Лавинный пробой происходит в сравнительно широких переходах, в которых неосновные носители могут получить достаточную для ионизации энергию (разогнаться).

Тепловой пробой возникает в результате разогрева p-n перехода, когда количество теплоты, выделяемое током в p-n переходе, больше количества теплоты отводимой от него.

При разогреве перехода происходит интенсивная генерация пар носителей и увеличение I_обр. Это в свою очередь приводит к дальнейшему росту температуры и т.д. В итоге ток через переход лавинно увеличивается и наступает тепловой пробой.

Распределение напряженности электрического поля в переходе существенно влияет на поверхностные заряды полупроводника. В результате этого на поверхности перехода (полупроводника) может наступить пробой при напряженности поля значительно меньшей той, которая необходима для возникновения пробоя в объеме. Это явление называется поверхностным пробоем, он относится к электрическим пробоям.

Тепловой пробой – необратимый процесс, где p-n переход выходит из строя, неработоспособен. Электрические пробои не разрушают p-n переход, и после снятия напряжения p-n переход возвращается в исходное состояние (при определенных ограничениях, если электрический пробой не вызвал в дальнейшем тепловой).

4.5. ПЕРЕХОД ПРОВОДНИК - ПОЛУПРОВОДНИК

В современных полупроводниковых приборах применяются контакты между проводником и полупроводником. Процессы в таких переходах зависят от так называемой работы выхода электронов. Это энергия, которую должен затратить электрон, чтобы выйти из кристаллической решетки проводника или полупроводника, преодолев удерживающее электрическое поле решетки.

При контакте проводник-полупроводникn-типа, когда работа выхода из проводника X_м меньше, чем работа выхода из полупроводника X_п. В этом случае будет преобладать выход электронов из проводника в полупроводник (рис. 4.7, 1). В приконтактном слое полупроводника будут накапливаться основные носители электроны, при этом образуется обогащенный слой. Сопротивление этого слоя мало при любой полярности приложенного напряжения. Величина и полярность приложенного напряжения влияет только на степень обогащенности слоя. Данный переход не обладает выпрямляющими свойствами, его называют невыпрямляющим или омическим контактом.

Подобный же омический переход обра-

Рис. 4.7 зуется в контакте проводник - полупроводник p-типа, если X_п < X_м (рис. 4.7, 2).

В этом случае из полупроводника в проводник уходит больше электронов, чем в обратном направлении, и в приконтактном слое полупроводника образуется область, обогащенная основными носителями (дырками), имеющая низкое сопротивление.

Оба типа невыпрямляющих контактов используются в полупроводниковых приборах для реализации выводов от n- и p-областей.

Если в контакте проводник – полупроводник n-типа X_м > X_п, то электроны будут переходить главным образом из полупроводника в проводник и в приконтактном слое полупроводника образуется область, обедненная основными носителями (рис. 4.3, 3), имеющая, следовательно, высокое сопротивление. Создается сравнительно высокий потенциальный барьер, высота которого будет существенно изменяться в зависимости от полярности приложенного напряжения. Такой переход обладает выпрямляющими свойствами. Потенциальный барьер, возникающий в таких переходах, называется барьером Шоттки, а полупроводниковые приборы с этим эффектом - диоды Шоттки.

Аналогичные выпрямляющие свойства имеет контакт проводник – полупроводник p-типа при X_м < X_п.

Рис. 4.8

4.6. КОНТАКТЫ ПОЛУПРОВОДНИКА ОДНОГО ТИПА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ (n⁺-n, n-i, p⁺-p, p-i)

Под такими контактами подразумевают контакты однотипных полупроводников с различной степенью легирования. Знак + относиться к области с более высокой степенью легирования и, следовательно, с более высокой концентрацией основных носителей. Вследствие различия концентраций основных носителей такие полупроводники характеризуются различными уровнями Ферми. На рис. показаны энергетические диаграммы до и после установления равновесия.

При контакте однотипных полупроводников не образуется слоя с малой концентрацией свободных носителей. Поэтому сопротивление перехода не превышает сопротивления слаболегированной высокоомной области n. Такие переходы не обладают выпрямляющим эффектом. В них отсутствует инжекция неосновных носите-

Рис. 4.9 лей заряда, т.к. при подаче прямого смещения на

переход (- к n⁺, + к n) через него переходят носители, которые являются основными и для соседней области контакта.

4.7. ГЕТЕРОПЕРЕХОДЫ

Это переходы, образованные двумя полупроводниками с запрещенной зоной различной ширины. Получают гетеропереходы с помощью специальных технологических приемов, например, эпитаксии – ориентированного выращивания одного кристалла на поверхности другого, служащего подложкой.

Различие в ширине запрещенной зоны контактирующих полупроводников приводит к разрывам энергетических зон в области перехода. На рис. 4.10 показана энергетическая диаграмма гетероперехода (p – Ge) – (n – GaAs). В отличие от однородных полупроводниковых переходов в гетеропереходах высота потенциального барьера для электронов и для дырок различна. Особенностью перехода является также наличие пика на границе ЗП, который препятствует протеканию тока электронов в обоих направлениях.

Рис. 4.10 Рядом с пиком имеется потенциальная яма, заполненная электронами, которые могут туннелировать, если пик имеет малую ширину.

Ток через переход определяется током дырок. При этом движению дырок в одном направлении препятствует большой потенциальный барьер, в другом направлении дырки движутся свободно. Следовательно, этот переход обладает выпрямляющими свойствами.

ВАХ гетероперехода в соответствии с экспериментальными данными описывается формулой: (1),

где η – коэффициент, равный нескольким единицам.

То есть, ток через переход более слабо зависит от величины приложенного напряжения, чем в однородномp-n переходе. Это объясняется тем, что на границе контакта вследствие различия параметров кристаллических решеток возникает большее число дефектов, увеличивающих рассеяние и рекомбинацию свободных носителей. На основе гетеропереходов могут быть получены переходы типа n⁺-n и p⁺-p, имеющие резко несимметрическую ВАХ, которая также Рис. 4.11 описывается выражением (1).

Особенностью такого перехода является то, что прямой ток здесь образуется только носителями (для n⁺-n электронами), которые являются основными для обеих областей полупроводников. Поэтому в таких переходах отсутствует инжекция и накопление неосновных носителей заряда, С_диф = 0. Это позволяет создавать диоды с очень малым временем переключения из открытого в закрытое состояние. В зависимости от используемых материалов гетеропереходы могут обладать самыми разнообразными свойствами, превосходя однородные p-n переходы по быстродействию и возможностям управления. На основе гетеропереходов создаются быстродействующие транзисторы, туннельные диоды, полупроводниковые лазеры.

4.8. ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА P-N ПЕРЕХОДА

Статической вольт-амперной характеристикой (ВАХ) p-n перехода называется зависимость тока через p-n переход от приложенного внешнего напряжения. ВАХ идеального p-n перехода определяется следующим выражением:

_,

где i – плотность тока через переход, S – площадь перехода, I_S – обратный ток насыщения.

Это выражение не учитывает:

1. Сопротивления тел полу- проводников p и n типов.

2. Изменение толщины перехода d под действием напряжения U.

3. Изменение условий генера- ции и рекомбинации носителей под действием U.

4. Токи утечки через переход;

Эффекты разогрева p-n перехода при больших значениях I_пр, вызывающий теп-

Рис. 4.12 ловой пробой p-n перехода.

5. Эффект ударной ионизации при больших значениях U_обр, вызывающий лавинный пробой p-n перехода.

5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковым диодом называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами (p-n, проводник - полупроводник) и двумя выводами (полюсами).

5.1. ВОЛЬТ - АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЕАЛЬНОГО ДИОДА

Экспериментальное изучение ВАХ реальных диодов, использующих свойства однородного p-n перехода, показывает, что они существенно отличаются от теоретической, описываемой выражением:

.

В частности, в области обратных напряжений величина обратного тока существенно превышает величину I₀, а эффект насыщения тока выражен слабее.

Рис. 5.1

При прямом смещении, наблюдается более медленный рост прямого тока в сравнении с ожидаемым, причем, при прямых смещениях U  ₀, где ₀ - высота потенциального барьера, ВАХ становиться квазилинейной, то есть: ,

где r_б - омическое сопротивление полупроводниковых областей. Этот участок ВАХ называется омическим участком.

Рис. 5.2

Все эти отличия реальной ВАХ от теоретической определяются упрощениями, сделанными при выводе теоретической ВАХ. Для их объяснения следует рассмотреть токи генерации и рекомбинации в переходе, поверхностные токи утечки, а также сопротивление базы диода.

Отметим также особенности ВАХ германиевых и кремниевых диодов:

1. Обратный ток германиевых диодов на несколько порядков выше, чем обратный ток кремниевых диодов. Это отличие объясняется большей шириной ЗЗ кремниевого полупроводника (W_Ge  0,7эВ, W_Si  1,2эВ);

2. Прямое падение напряжения на германиевых диодах (0,35В) меньше, чем на кремниевых диодах. Это отличие можно объяснить, преобразуя выражение для теоретической ВАХ:

,

откуда следует, что между прямым напряжением и обратным током существует обратная зависимость, так как I_0Si  I_0Ge, _Б U_прSi  U_прGe.

Таким образом, ВАХ германиевых и кремниевых диодов имеют вид:

Рис. 5.3

5.2. ПОЛНЫЙ ОБРАТНЫЙ ТОК ДИОДА. ТОКИ ГЕНЕРАЦИИ И УТЕЧКИ

Полный обратный ток диода состоит из тока дрейфа неосновных носителей I₀, тока генерации носителей в p-n переходе, тока утечки по поверхности полупроводника:

I_ОБР =I₀ + I_Д + I_У.

Рассмотрим токи генерации (термогенерации) в p-n переходе.

Во всех частях диода, как в запирающем слое p-n перехода, так и в нейтральных p и n областях протекают процессы генерации и рекомбинации свободных носителей заряда.