7.11.Туннельный эффект в электронно-дырочном переходе.

При подаче на электронно-дырочный переход достаточно высокого обратного смещения U = U_пр возникает электрический пробой, при котором протекает большой обратный ток. Состояние, при котором происходит электрический пробой p-n- перехода, является нормальным режимом работы некоторых полупроводниковых приборов, например, стабилитронов.

В зависимости от физических процессов, обуславливающих резкое возрастание обратного тока, различают три основных механизма пробоя p-n-перехода: туннельный, лавинный, тепловой.

Туннельный (зинеровский) пробой, возникает при туннелировании носителей сквозь барьер, когда происходит, например, туннельное просачивание электронов из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области полупроводника. Туннелирование электронов происходит в том месте p-n-перехода, в котором в результате его неоднородности возникает наиболее высокая напряженность поля. Напряжение туннельного пробоя p-n-перехода зависит не только от концентрации легирующей примеси и критической напряженности поля, при которой происходит возрастание туннельного тока через p-n-переход, но и от толщины p-n- перехода. С увеличением толщины p-n-перехода вероятность туннельного просачивания электронов уменьшается, и более вероятным становится лавинный пробой.

При лавинном пробое p-n-перехода на длине свободного пробега в области объемного заряда носитель заряда приобретает энергию, достаточную для ионизации кристаллической решетки, то есть в его основе лежит ударная ионизация. С ростом напряженности электрического поля интенсивность ударной ионизации сильно увеличивается и процесс размножения свободных носителей заряда (электронов и дырок) приобретает лавинный характер. В результате ток в p-n- переходе неограниченно возрастает до теплового пробоя.

Тепловой пробой, связанный с недостаточностью теплоотвода, как правило, локализуется в отдельных областях, где наблюдается неоднородность структуры p-n-перехода, а, следовательно, и неоднородность протекающего через него обратного тока. Повышение температуры вызывает дальнейшее увеличение обратного тока, что в свою очередь, вызывает увеличение температуры. Тепловой пробой — необратимый процесс, преобладающий в полупроводниках с относительно узкой запрещенной зоной.

В p-n-переходах может также наблюдаться поверхностный пробой. Напряжение поверхностного пробоя определяется величиной заряда, локализованного на поверхности полупроводника в месте выхода p-n-перехода наружу. По своей природе поверхностный пробой может быть туннельным, лавинным или тепловым.

Помимо использования нелинейности вольтамперной характеристики и зависимости емкости от напряжения, p-n- переходы находят многообразные применения, основанные на зависимости контактной разности потенциалов и тока насыщения от концентрации неосновных носителей. Концентрация неосновных носителей существенно изменяется при различных внешних воздействиях — тепловых, механических, оптических и др. На этом основан принцип работы различного рода датчиков: температуры, давления, ионизирующих излучений и т. д. p-n-переходы используются также для преобразования световой энергии в электрическую в солнечных батареях.

Электронно-дырочные переходы являются не только основой разного рода полупроводниковых диодов, но также входят в качестве составных элементов в более сложные полупроводниковые приборы — транзисторы, тиристоры и т. д. Инжекция и последующая рекомбинация неосновных носителей в p-n-переходах используются в светоизлучающих диодах и инжекционных лазерах.

Электронно-дырочный переход обладает емкостными свойствами. Различают два типа емкостей р-n перехода – барьерную (зарядную) и диффузионную.

Барьерной емкостью называют емкость, образованную разноимёнными объемными зарядами примесных атомов доноров и акцепторов. При изменении приложенного к р-n переходу напряжения, изменяется ширина р-n перехода и его объемный заряд. Изменение величин заряда на переходе при изменении напряжения происходит не мгновенно, а постепенно, что характерно для емкостного эффекта.

.

По своей природе и физическим свойствам эта емкость сходна с емкостью плоского конденсатора, поэтому ее можно определить по следующей формуле (плоского конденсатора).

. (7.16)

Из этой формулы следует, что барьерная емкость зависит от концентрации примесей, толщины и площади р-n перехода, а также величины и полярности приложенного напряжения. Чем выше концентрация примесей, тем меньше ширина р-n перехода и больше барьерная емкость.

При воздействии на р-n переход обратного напряжения (-U) переход расширяется, а барьерная емкость уменьшается. Прямое напряжение (U_пр) сужает р-n переход, что ведет к увеличению С_бар.. Примерный вид зависимости С_бар.от приложенного напряжения имеет вид, приведённый на рис.2.13. Изменение С_бар. от внешнего напряжения используется в специальных полупроводниковых приборах – варикапах и параметрических диодах, которые применяются для генерирования, усиления сигналов, автоматической подстройки, умножения частоты и т.д. В интегральных микросхемах С_бар используется в качестве конденсаторов.

Рис. 7.11

При прямом включении р-n перехода к барьерной емкости добавляется диффузионная С_диф . она характеризует накопление подвижных носителей заряда в р и n областях. Предположим , что р-n переход включен в прямом направлении. Подвижные носители зарядов инжектируют через понизившийся потенциальный барьер, и не успев рекомбинировать, накапливаются, образуя С_диф.

Величина диффузионной емкости может быть определена по следующее формуле:

. (7.17)

Отсюда видно, что С_диф тем больше, чем больше прямой ток через р-n переход и время жизни неосновных носителей (чем больше прямой ток, тем больше число носителей накапливаются по обе стороны от перехода, а чем больше время жизни, тем дольше будут существовать накопленные заряды не рекомбинируя).

Полная емкость р-n перехода определяется как сумма емкостей.

С_П = С_бар + С_диф.

При включении р-n переход в прямом направлении, преобладает С_диф и С_П С_диф, а в обратном направлении – барьерная (С_диф 0, С_П С_бар).

Эквивалентная схема р-n перехода

Для анализа работы полупроводниковых приборов (диодов), а также для выявления их особых параметров и характеристик удобно пользоваться эквивалентной схемой р-n перехода (диода) по переменному току, показанной на рис.7.12 где r₁ = r_Б + r_Э - объемное (распределенное) сопротивление р и n областей, имеющие величину 1…10 Ом; L_ВВ - индуктивность вводов, величина которой составляет 1…10 наногенри; С_ВВ - емкость между вводами, обычно не превышающая десятые доли пикофарады.

Рис. 7.12

L_ВВ и С_ВВ - ввиду их малости, учитываются только при работе на сверхвысоких частотах (СВЧ). При работе на более низких частотах этими величинами можно пренебречь и тогда эквивалентная схема упростится.

7.12.Гетеропереходы: энергетическая диаграмма, особенности физических процессов и ВАХ.

Гетеропереходом называют переходный слой с существующим там диффузионным электрическим полем между двумя различными по химическому составу полупроводниками, обладающие различной шириной запрещенной зоны.

Для получения гетеропереходов хорошего качества необходимо, чтобы у материалов образующих переход с высокой точностью совпадали два параметра: температурный коэффициент расширения и постоянная кристаллической решетки, что ограничивает выбор материалов для гетеропереходов. В настоящее время наиболее исследованными являются пары: германий – арсенид галлия , арсенид галлия – фосфид индия , арсенид галлия – арсенид индия , германий – кремний .

Каждый из полупроводников, образующих гетеропереход может иметь

Рис.7.13

различный тип электропроводности. Поэтому для каждой пары полупроводников в принципе возможно осуществить четыре типа гетероструктур: ;; и .,

При образовании гетероперехода из-за разных работ выхода электронов из разных полупроводников происходит перераспределение носителей заряда в приконтактной области и выравнивание уровней Ферми в результате установления термодинамического равновесия (рис. 7.136).

Остальные энергетические уровни и зоны должны соответственно изогнуться, т. е. в гетеропереходе возникают диффузионное поле и контактная разность потенциалов.

При этом энергетический потолок верхней свободной зоны должен быть непрерывным. Энергетический уровень потолка верхней свободной зоны является энергетическим уровнем потолка зоны проводимости, т. к. свободные энергетические зоны перекрывают друг друга.

Ширина энергетических зон различных полупроводников различна. Поэтому на границе раздела двух полупроводников получается обычно разрыв дна проводимости. Разрыв дна зоны проводимости определяется различием энергий сродства к электрону двух контактирующих полупроводников

(энергия сродства к электрону – разница энергий потолка верхней свободной зоны и дна проводимости).

В результате разрывов дна зоны проводимости и потолка валентной зоны высота потенциальных барьеров для электронов и дырок в гетеропереходе оказывается различной. Это является особенностью гетеропереходов, обусловливающей специфические свойства гетеропереходов в отличие p-n-переходов, которые формируются в монокристалле одного полупроводника.

Если вблизи границы раздела двух полупроводников, образующих гетеропереход, возникают обедненные основными носителями слои, то основная часть внешнего напряжения, приложенного к структуре с гетеропереходом, будет падать на обедненных слоях.

Высота потенциального барьера для основных носителей заряда будет изменяться: уменьшается при полярности внешнего напряжения, противоположной полярности контактной разности потенциалов, и увеличивается при совпадении полярностей внешнего напряжения и контактной разности потенциалов. Таким образом, гетеропереходы могут обладать выпрямляющим свойством.

Из-за различия по высоте потенциальных барьеров для электронов (ПБЭ) и дырок (ПБД) прямой ток через гетеропереход связан в основном с движением носителей заряда только одного знака. Поэтому гетеропереходы могут быть как инжектирующими неосновные носителя заряда (рис. 7.13, а), так и неинжектирущими (рис. 7.13, б). Инжекция неосновных носителей заряда происходит всегда из широкозонного в узкозонный полупроводник. В гетеропереходах, образованных полупроводниками одного типа электропроводности, выпрямление происходит без инжекции неосновных носителей заряда.

7.13.Структура металл-диэлектрик-полупроводник. Вольт-фарадные характеристики.

Металл - диэлектрик - полупроводник - структура, образованная пластиной полупроводника П, слоем диэлектрика Д на одной из её поверхностей и металлич. электродом (затвором M, рис. 7.14).

Рис 7.14

При подаче на МДП-с. напряжения V в полупроводнике вблизи границы с диэлектриком возникает электрическое поле. Оно перераспределяет заряды в полупроводнике, изменяя концентрацию носителей заряда вблизи поверхности, и, следовательно, изменяет электропроводность приповерхностного слоя полупроводниковой пластины. Свойства МДП-с. впервые исследовали амер. физики У. Шокли (W. Shockley) и Дж. Л. Пирсон (G. L. Pearson).

Энергетич. диаграмма МДП-структуры изображена на рис.7.15 с полупроводником n-типа. . Заштрихованы состояния, занимаемые электронами при T= 0 K; F - работа выхода металла; - энергия электрона в вакууме; - потолок валентной зоны;- дно зоны проводимости; - уровень Ферми;- ширина запрещённой зоны полупроводника

При зоны не изогнуты. Если , то возникает изгиб зон; здесь возможны три случая. Если то изгиб зон "вверх" (рис. 7.15,а) приводит к увеличению числа дырок у поверхности полупроводника, т. к. их концентрация (T - температуpa). Вблизи поверхности полупроводника формируется слой, обогащённый осн. носителями (см. Контактные явления в полупроводниках). При зоны изгибаются "вниз" (рис. 7.15, б )и в приповерхностной области уменьшается число основных носителей (обеднённый слой). При дальнейшем увеличении положит, напряжения зоны изгибаются столь сильно, что середина запрещённой зоны вблизи поверхности опускается ниже (рис. 7.15, в). С этого момента концентрация электронов превышает концентрацию дырок

Рис. 7.15. Энергетическая диаграмма МДП-структуры на основе полупроводника n-типа при V< 0 (а), V> 0 (б), V >0 и ( в).

Слой пространственного заряда в МДП-структуре. Характеристикой изгиба зон служит электростатпч. потенциал , который изменяется от 0 в объёме полупроводника до значения на его поверхности . При высоких температурах и слабой инверсии концентрация электронов и дырок в слое экспоненциально зависит от :

(7.18)

где - равновесные концентрации электронов и дырок в объёме полупроводника. При сильной инверсии и понижении температуры в инверсионном слое возникает вырождение газа электронов (или дырок).

Ёмкость МДП-структуры. Из условия электронейтральности МДП-с. следует, что заряд на металлическом затворе Q равен сумме заряда в инверсионном слое и заряда ионизованных акцепторов и доноров в обеднённом слое полупроводника

(7.19)

Здесь W - толщина обеднённого слоя, N_a и N' _д - концентрации соответственно акцепторов и доноров в объёме полупроводника, е- элементарный заряд.

Полное напряжение V, приложенное к МДП-с., распределяется между слоем диэлектрика и слоем пространственного заряда в полупроводнике; МДП-с. можно рассматривать как последовательное соединение 2 конденсаторов. Дифференциальная ёмкость на единицу площади определяется соотношением

где -ёмкость диэлектрика, - дифференциальная ёмкость полупроводника.