- •ПРЕДИСЛОВИЕ
- •ЧАСТЬ I. ВАКУУМНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
- •Глава 1. Эмиссионная электроника
- •1.2. Эмиссионная электроника
- •1.2.1. Термоэлектронная эмиссия
- •1.2.2. Термоэлектронная эмиссия с поверхности полупроводников
- •1.2.3. Термокатоды
- •1.2.4. Фотоэлектронная эмиссия
- •1.2.5. Вторичная электронная эмиссия
- •1.2.6. Автоэлектронная эмиссия
- •Контрольные вопросы
- •Глава 2. Движение электронов в вакууме в режиме объемного заряда. Электровакуумные приборы
- •2.1. Диоды
- •2.2. Триоды
- •2.3. Многоэлектродные лампы
- •2.4. Особенности многоэлектродных ламп различного назначения
- •2.5. Генераторные и модуляторные лампы
- •2.6. Электровакуумные приборы диапазона сверхвысоких частот
- •2.6.1. Особенности движения электронов в СВЧ полях
- •2.6.2. Клистроны – приборы с динамическим управлением электронным потоком и резонансными системами
- •2.6.3. Лампы бегущей и обратной волны (ЛБВ и ЛОВ)
- •2.6.4. Лампы со скрещенными полями
- •2.6.5. Усилитель на ЛБВ типа М
- •2.6.6. Генератор на ЛОВ типа М замкнутой конструкции (карсинотрон)
- •2.6.7. Магнетроны
- •2.6.8. Статический режим работы магнетрона
- •2.6.9. Динамический режим работы магнетрона
- •Контрольные вопросы
- •Глава 3. Электронная оптика. Электронно-лучевые приборы
- •3.1. Электронные линзы
- •3.2. Электростатические линзы
- •3.2.1. Диафрагма с круглым отверстием
- •3.2.2. Иммерсионная линза
- •3.2.3. Одиночная линза
- •3.2.4. Иммерсионный объектив
- •3.3. Магнитные линзы
- •3.4. Аберрации электронных линз
- •3.5. Электронно-оптические системы (ЭОС) электронно-лучевых приборов
- •3.6. Отклоняющие системы
- •3.6.1. Электростатическое отклонение электронных пучков
- •3.6.2. Магнитное отклонение электронных пучков
- •3.7. Некоторые особенности электронной оптики интенсивных пучков
- •3.8. Приемные электронно-лучевые трубки
- •3.9. Проекционные ЭЛТ и системы
- •3.10. Запоминающие электронно-лучевые трубки
- •3.11. Передающие электронно-лучевые трубки
- •Контрольные вопросы
- •ЧАСТЬ II. ГАЗОРАЗРЯДНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
- •Глава 4. Элементарные процессы в плазме
- •4.1. Введение
- •4.2. Упругие соударения электронов с атомами и молекулами газа
- •4.3. Неупругие соударения электронов с атомами и молекулами
- •4.3.1. Возбуждение
- •4.3.2. Ионизация
- •4.3.3. Ступенчатые процессы при возбуждении и ионизации молекул электронным ударом
- •4.3.4. Образование и разрушение отрицательных ионов
- •4.3.5. Диссоциация молекул
- •4.3.6. Рекомбинация
- •4.4. Движение электронов и ионов в газе
- •4.4.1. Дрейфовое движение электронов и ионов
- •4.4.2. Диффузия заряженных частиц в условиях разряда
- •Контрольные вопросы
- •Глава 5. Основные виды электрического разряда в газе
- •5.1. Классификация разрядов
- •5.2. Несамостоятельный газовый разряд
- •5.3. Условие развития самостоятельного разряда. Пробой разрядного промежутка
- •5.3.1. Тлеющий разряд
- •5.3.2. Количественная теория катодной области тлеющего разряда
- •5.3.3. Дуговой разряд
- •5.3.4. Искровой разряд
- •5.3.5. Коронный разряд
- •5.3.6. Высокочастотные разряды
- •5.3.7. Разряды на сверхвысоких частотах
- •Контрольные вопросы
- •Глава 6. Газоразрядная плазма
- •6.1. Основные понятия
- •6.2. Диагностика плазмы
- •6.2.1. Метод зондов Лангмюра
- •6.2.2. Оптические методы исследования плазмы
- •6.2.3. Сверхвысокочастотные методы диагностики плазмы
- •6.3. Теории газоразрядной плазмы
- •Контрольные вопросы
- •Глава 7. Газоразрядные приборы
- •7.1. Приборы тлеющего разряда
- •7.1.1. Световые индикаторы
- •7.1.2. Стабилитроны тлеющего разряда
- •7.1.3. Вентили (газотроны) тлеющего разряда
- •7.1.4. Тиратроны тлеющего разряда
- •7.1.5. Переключаемые световые индикаторы
- •7.2.1. Газоразрядные источники света
- •7.3. Ионизационные камеры и счетчики излучений
- •7.3.1. Ионизационные камеры
- •7.3.2. Пропорциональные счетчики
- •7.3.3. Счетчики Гейгера
- •7.4. Разрядники антенных переключателей
- •7.5. Газоразрядные индикаторные панели
- •7.6. Газоразрядные знаковые индикаторы (монодисплеи)
- •7.6.1. ГИП постоянного тока
- •7.6.2. ГИП переменного тока
- •7.6.3. Получение полутоновых изображений на ГИП
- •Контрольные вопросы
- •ЧАСТЬ III. ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
- •8.1. Концентрация носителей заряда в полупроводниках
- •8.2. Электропроводность полупроводников
- •8.3. Диффузионное движение носителей заряда в полупроводниках
- •8.4. Неравновесные носители заряда в полупроводниках
- •8.5. Поверхностные явления в полупроводниках
- •Контрольные вопросы
- •Глава 9. Электрические переходы
- •9.1. Структура и основные параметры n-p перехода
- •9.2. Равновесное состояние n-p перехода
- •9.3. Неравновесное состояние n-p перехода. Явления инжекции и экстракции носителей заряда
- •9.4. ВАХ идеализированного перехода
- •9.5. ВАХ реального n-p перехода
- •9.7. Емкостные свойства n-p перехода
- •9.8. Контакт металл-полупроводник
- •9.9. Гетеропереходы
- •Контрольные вопросы
- •Глава 10. Полупроводниковые диоды
- •10.1. Выпрямительные диоды
- •10.2. Высокочастотные и сверхвысокочастотные диоды
- •10.3. Импульсные диоды
- •10.4. Стабилитроны
- •10.5. Полупроводниковые управляемые емкости (варикапы)
- •10.6. Туннельные и обращенные диоды
- •10.7. Диоды Шотки
- •10.8. Диоды Ганна
- •10.9. Лавинно-пролетные диоды
- •Контрольные вопросы
- •Глава 11. Биполярные транзисторы
- •11.1. Классификация биполярных транзисторов
- •11.2. Физические процессы в транзисторе
- •11.3. Распределение токов в транзисторе
- •11.4. Эффект модуляции ширины базы
- •11.5. Статические вольтамперные характеристики биполярного транзистора
- •11.6. Частотные характеристики биполярного транзистора
- •Контрольные вопросы
- •Глава 12. Тиристоры
- •12.1. Классификация тиристоров
- •12.2. Распределение токов в тиристоре
- •12.3. Особенности работы управляемых тиристоров
- •12.4. Тиристор с симметричной ВАХ
- •Контрольные вопросы
- •Глава 13. Униполярные полупроводниковые приборы
- •13.1. Классификация и основные особенности
- •13.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)
- •13.4. Дифференциальные параметры МДП-транзистора
- •13.5. Принцип работы полевого транзистора с управляющим n-p переходом
- •13.6. Частотные характеристики МДП-танзисторов
- •13.7. Сравнительная характеристика МДП и биполярного транзистора
- •13.8. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)
- •Контрольные вопросы
- •Глава 14. Светоизлучающие и фотоэлектронные полупроводниковые приборы
- •14.1. Светоизлучающие полупроводниковые приборы
- •14.1.1. Светодиоды
- •14.2. Фотоэлектронные полупроводниковые приборы
- •14.2.1. Поглощение оптического излучения полупроводниками
- •14.2.2. Фоторезистивный эффект и приборы на его основе
- •14.2.3. Фотоэлектрический эффект в n-р переходе
- •14.2.4. Фототранзисторы и фототиристоры
- •14.2.5. Оптоэлектронные пары
- •Контрольные вопросы
- •Глава 15. Полупроводниковые датчики
- •15.1. Датчики температуры
- •15.2. Датчики деформации
- •15.3. Датчики магнитного поля
- •Контрольные вопросы
- •Глава 16. Основы квантовой электроники
- •16.2. Физические основы взаимодействия излучения с веществом
- •16.2.1. Форма и ширина спектральной линии
- •16.3. Устройство и принципы работы лазеров
- •16.3.1. Рабочее вещество
- •16.3.2. Создание инверсии
- •16.3.3. Условия создания инверсной населенности
- •16.3.4. Двухуровневая система
- •16.3.5. Трехуровневые системы
- •16.3.6. Четырехуровневая система
- •16.3.7. Оптические резонаторы
- •16.3.8. Условия самовозбуждения и насыщения усиления
- •16.4. Свойства лазерного излучения
- •16.4.1. Монохроматичность
- •16.4.2. Когерентность
- •16.4.3. Поляризация излучения
- •16.4.4. Направленность и возможность фокусирования излучения
- •16.4.5. Яркость и мощность излучения
- •16.5. Типы лазеров
- •16.5.1. Твердотельные лазеры
- •16.5.2. Рубиновый лазер
- •16.5.3. Неодимовый стеклянный лазер
- •16.5.4. Nd – ИАГ – лазеры
- •16.5.5. Газовые лазеры
- •16.5.6. Атомные лазеры
- •16.5.7. Лазеры на парах металлов
- •16.5.8. Ионные лазеры
- •16.5.9. Молекулярные лазеры
- •16.5.10. Эксимерные лазеры
- •16.5.11. Газовые лазеры в инфракрасной области спектра
- •16.5.12. Химические лазеры
- •16.5.13. Газодинамические лазеры
- •16.5.14. Электроионизационные лазеры
- •16.5.15. Полупроводниковые лазеры
- •16.5.16. Жидкостные лазеры
- •Контрольные вопросы
- •Глава 17. Основы оптоэлектроники
- •17.1. Этапы и перспективы развития оптической электроники
- •17.2. Источники излучения для оптоэлектроники
- •17.3. Фотоэлектронные приемники излучения
- •17.4. Модуляция лазерного излучения
- •17.4.1. Физические основы модуляции лазерного излучения
- •17.4.2. Оптические модуляторы
- •17.4.3. Дефлекторы
- •17.5.1. Элементная база ВОЛС
- •17.5.2. Классификация ВОЛС
- •17.6. Оптические методы запоминания и хранения информации. Оптические (лазерные) диски
- •17.7. Голографические системы хранения и обработки информации
- •17.7.1. Принцип голографии
- •17.7.2. Голографическое запоминающее устройство
- •17.7.3. Голографические схемы записи и считывания информации
- •17.8. Системы отображения информации
- •17.8.1. Особенности зрительного восприятия информации
- •17.8.2. Физические эффекты, используемые для отображения информации
- •17.8.3. Жидкокристаллические индикаторы
- •17.8.4. Жидкокристаллические индикаторные панели
- •17.9. Электролюминесцентные индикаторы
- •17.10. Дисплеи с полевой (автоэлектронной) эмиссией
- •17.11. Отражающие дисплеи (электронная бумага)
- •17.12. Системы отображения информации на основе полупроводниковых светодиодов
- •Контрольные вопросы
- •ЧАСТЬ V. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ, МИКРО И НАНОЭЛЕКТРОНИКА
- •Глава 18. Предмет микроэлектроники
- •18.1. Основные термины и определения
- •18.2. Классификация ИМС
- •18.2.1. Плёночные ИМС
- •18.2.2. Гибридные ИС
- •18.2.3. Полупроводниковые ИМС
- •18.2.4. Совмещенные ИМС
- •18.3. Система обозначений ИМС
- •Контрольные вопросы
- •Глава 19. Биполярные структуры в микроэлектронике
- •19.1. Транзисторы с изоляцией на основе n-p перехода
- •19.2. Транзисторы с диэлектрической изоляцией
- •19.3. Транзисторы с комбинированной изоляцией
- •19.4. Транзисторы типа p–n–p
- •19.5. Многоэмиттерные транзисторы
- •19.6. Многоколлекторные транзисторы
- •19.7. Транзисторы с диодом Шотки
- •19.8. Интегральные диоды и стабилитроны
- •Контрольные вопросы
- •Глава 20. Униполярные структуры в микроэлектронике
- •20.1.1. МДП–транзистор с алюминиевым затвором
- •20.1.3. Конструкция Д–МДП–транзисторов
- •20.1.4. Комплементарные микроэлектронные структуры
- •20.2.1. Пороговое напряжение
- •20.2.2. Вольт-амперные характеристики
- •20.4. Принцип действия МЕП-транзистора
- •20.5. Элементы полупроводниковых постоянных запоминающих устройств (ПЗУ)
- •20.5.1. МНОП-транзистор
- •20.5.3. Двухзатворный МДП–транзистор
- •Контрольные вопросы
- •Глава 21. Микроэлектроника субмикронных СБИС
- •21.2. Методы улучшения характеристик субмикронных МДП-транзисторов
- •21.2.1. Ореол
- •21.2.2. Ретроградное распределение
- •21.2.3. Подзатворный диэлектрик
- •21.2.4. Области стока и истока
- •21.2.5. Напряженный кремний
- •21.3. Субмикронные МДП-транзисторы на диэлектрических подложках
- •21.3.1. Структуры «кремний на изоляторе»
- •21.3.2. Cтруктура «кремний ни на чём»
- •21.4.1. Транзисторы с двойным и с окольцовывающим затвором
- •21.4.2. Транзисторы с вертикальным каналом
- •21.5. Особенности субмикронных транзисторов для аналоговых применений
- •Контрольные вопросы
- •Глава 22. Гетероструктуры в микроэлектронике
- •22.1. Основные свойства гетероперехода
- •22.1.1. Сверхинжекция неравновесных носителей заряда в гетеропереходе
- •22.1.2. Понятие о двухмерном электронном газе
- •22.2. Гетероструктурные полевые транзисторы
- •22.2.1. Транзистор с высокой подвижностью электронов (НЕМТ)
- •22.2.2. Псевдоморфные и метаморфные структуры (р-НЕМТ и m-НЕМТ)
- •22.2.3. НЕМТ на подложках из GaN
- •22.3. Гетеропереходные биполярные транзисторы
- •22.4. Интегральные микросхемы на гетеропереходных полевых транзисторах
- •Контрольные вопросы
- •Глава 23. Пассивные элементы ИМС
- •23.1. Полупроводниковые резисторы
- •23.2. Плёночные резисторы
- •23.3. Конденсаторы и индуктивные элементы
- •23.4. Коммутационные соединения
- •23.4.1. Задержка распространения сигнала
- •23.4.2. Электороимграция
- •Контрольные вопросы
- •Глава 24. Функциональная электроника
- •24.1. Пьезоэлектроника
- •24.2. Оптоэлектроника
- •24.3. Акустоэлектроника
- •24.4. Магнитоэлектроника
- •24.5. Криоэлектроника
- •24.6. Хемотроника
- •24.7. Молекулярная и биоэлектроника
- •24.8. Приборы с зарядовой связью
- •24.9. Диэлектрическя электроника
- •24.10. Приборы на основе аморфных материалов
- •Глава 25. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
- •25.1. Квантовые основы наноэлектроники
- •25.1.1. Квантовое ограничение
- •25.1.2. Интерференционные эффекты
- •25.1.3. Туннелирование
- •25.3. Квантовые транзисторы
- •25.4. Нанотрубки в электронике
- •25.5. Графеновые транзисторы (спинтроника)
- •25.6. Молекулярная электроника
- •25.6.1. Квантовые компьютеры
- •25.7. Заключение
- •Список рекомендуемой литературы
- •CПРАВОЧНЫЙ РАЗДЕЛ
- •Содержание
Глава 9. Электрические переходы
В принципах действия большинства активных твердотельных электронных приборов заложены эффекты, происходящие при протекании электрического тока через границу раздела (контакта) двух кристаллических веществ. Такая структура получила название электрического перехода, а ее
электрические и физические свойства определяются свойствами переходного слоя, который образуется в области контакта. В зависимости от типа и
химической природы контактирующих веществ различают следующие виды электрических переходов:
1.Переход между двумя полупроводниками одинаковой химической природы, но с различными типами проводимости контактирующих областей (электронно-дырочный или n-p переход).
2.Переход между двумя полупроводниками одинаковой химической
природы и одинакового типа электропроводности, но с различными уровнями легирования контактирующих областей (n+-n и p+-p переходы). Индекс «+» означает повышенную концентрацию примеси в одной из областей.
3.Переходы металл – полупроводник.
4.Переходы между полупроводниками различной химической природы, отличающимися шириной запрещенной зоны. Иначе такие переходы называют гетеропереходами.
5.Переходы металл – диэлектрик – полупроводник.
Основной характеристикой переходов является ВАХ (вольт-амперная характеристика), которая представляет собой зависимость полного тока I (или плотности тока j), текущего через переход от величины и полярности приложенного внешнего напряжения U. Вид и характер ВАХ определяют
области применения и режимы работы конкретных электронных приборов на основе данного перехода. В общем случае различают две основных разновидности ВАХ – омические и неомические.
В первом случае зависимость I = f(U) является линейной (подчиняется закону Ома), причем это свойство сохраняется при любой полярности приложенного напряжения. Во втором случае ВАХ является нелинейной, а ее
конкретный вид определяется физическими свойствами переходного слоя в области контакта.
9.1. Структура и основные параметры n-p перехода
Параметры и характеристики n-р перехода зависят от уровней легирования и геометрических размеров n и p областей полупроводника, а
также от характера распределения примесей в переходном слое в области контакта. По соотношению уровней легирования n и p областей полупроводника n-р переходы подразделяются на два вида – симметричные и несимметричные.
157
В симметричных переходах (рис. 9.1, а) уровни легирования контактирующих областей одинаковы (ND = NA), что обеспечивает равенство концентраций основных носителей заряда в n и p областях (nn = pp). Здесь и далее нижние индексы «n» и «p» указывают на область перехода, к которой относятся концентрации носителей. Из рис. 9.1 видно, что в пределах переходного слоя (d) существует точка (x0), в которой концентрации электронов и дырок одинаковы. Эта точка называется металлургической
границей перехода и для симметричной структуры она совпадает с физической границей контакта двух кристаллов (рис. 9.1, а).
|
ND = NA |
|
ND > NA |
|
||
nn |
n |
p |
pp |
n+ |
p |
|
|
|
nn |
d |
pp |
||
|
|
|
|
|
p |
|
|
dn |
dp |
|
dn |
|
|
pn |
|
|
np |
pn |
x0 |
np |
d |
|
d |
|
|||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
x = 0 |
|
x = 0 |
|
||
|
а) |
|
|
б) |
|
|
Рис. 9.1. Структура и распределение примесей в резком симметричном (а) и |
||||||
|
|
несимметричном (б) n+-p переходе |
|
|
Несимметричные переходы (рис. 9.1, б) характеризуются различными уровнями легирования областей и обозначаются как n+-p, если ND > NA или p+-n, если ND < NA. Для несимметричной структуры характерно несовпадение концентраций основных носителей заряда в n и p областях (nn >> pp для n+-p перехода и nn << pp для p+-n перехода), а также точек, соответствующих металлургической и физической границам.
По характеру структуры n-p переходы подразделяются на резкие и плавные. В резких переходах концентрация донорной и акцепторной
примеси скачкообразно изменяется на границе слоев с различным типом проводимости. Резкие переходы представляют собой предельный случай более широкого класса плавных переходов, в которых градиент концентраций примеси изменяется в широком диапазоне.
9.2. Равновесное состояние n-p перехода
Рассмотрим n-p переход, в котором концентрации доноров и акцепторов изменяются скачком на границе раздела. Пусть концентрация атомов доноров ND в n-области равна концентрации атомов акцепторов NА в p-
158
области. Все примесные атомы оказываются ионизированными. Равновесная концентрация дырок в p-области (рр0) значительно превышает их концентрацию в n-области (рn0). Аналогично для электронов выполняется условие nn0 >> np0
Наличие контакта между полупроводниками n- и p-типа немедленно приведет к возникновению диффузии электронов из n-области в p-область и обратной диффузии дырок вследствие наличия градиента концентраций.
Такое движение зарядов создает диффузионный ток электронов и дырок (электронов в n-области (jnдиф, направление n→p) и дырок в р области (jpдиф, p→n).
|
|
диф |
|
диф |
æ |
|
dp |
|
dn ö |
|
|
j |
= j |
|
+ j |
|
= eç D |
|
|
+ D |
|
÷ . |
(9.1) |
|
|
p dx |
|
||||||||
диф |
|
p |
|
n |
è |
n dx ø |
|
Рис. 9.2. Диаграмма, поясняющая возникновение области пространственного заряда (двойного заряженного слоя) в n-p переходе
Уход основных носителей заряда из соответствующих областей приводит к тому, что по обе стороны от физической границы перехода образуются слои dn и dp, обедненные основными носителями, в которых
образуется нескомпенсированный неподвижный заряд ионизированных донорных и акцепторных примесей. Таким образом, в слое dn со стороны n-
159
области перехода сосредоточен избыточный положительный заряд, а в слое dp со стороны р области – избыточный отрицательный.
Между n и р областями в пределах обедненных слоев создается
контактная разность потенциалов или потенциальный барьер перехода (ϕк)
и внутреннее электрическое поле, которое получило название поля объемного заряда (Еопз) (рис. 9.2). При этом положительный заряд в p-области равен отрицательному заряду в n-области, так что образец в целом остается электронейтральным.
Образование потенциального барьера с точки зрения зонной структуры связано с различным значением энергии Ферми в полупроводниках n и р типа, не взаимодействующих друг с другом (рис. 9.3, а).
Рис. 9.3. Образование n-p перехода при контакте двух полупроводников: изолированные p и n области (а), n-p переход (б)
Образование нескомпенсированных объемных зарядов вызывает понижение энергетических уровней в n-области и повышение в р-области. Смещение энергетических уровней прекратится, когда уровни Ферми в n- и р-областях совпадут, так как в неоднородных системах, находящихся в равновесии уровень Ферми (химический потенциал) один и тот же для всех частей системы.
160
На границе раздела областей разного типа проводимости уровень Ферми проходит через середину запрещенной зоны (рис. 9.3, б). Это означает, что в
этой плоскости полупроводник характеризуется собственной электропроводностью и обладает повышенным сопротивлением по сравнению с остальным объемом.
Поле объемного заряда является тормозящим по отношению к диффузионным токам основных носителей заряда и создает потенциальный барьер на пути их движения через границу перехода. Для неосновных носителей (np и pn) потенциального барьера нет, поскольку направление сил
их электростатического взаимодействия с контактным полем совпадает с направлением их перехода в соседнюю область. Поэтому поток неосновных
носителей зависит только от их концентрации в приконтактной области и не зависит от высоты барьера. Все неосновные носители, попавшие в область пространственного заряда n-p перехода, будут подхвачены электрическим полем и переброшены в соседнюю область. Такое направленное перемещение зарядов создает ток дрейфа n-p перехода. Он протекает навстречу току диффузии jдиф.
j |
= jдр + jдр = eE |
(μ |
p |
p |
n |
+ μ |
n |
p |
). |
(9.2) |
||
др |
n |
p |
оз |
|
|
n |
|
|
|
В условиях термодинамического равновесия при отсутствии внешнего напряжения величина Еопз достигает такого значения, при котором диффузионный ток равен току проводимости, а поскольку они текут навстречу друг другу, то результирующий ток через n-p переход отсутствует.
jдиф + jдр = 0. |
(9.3) |
Таким образом, область n-p перехода обеднена свободными носителями. В ней существует внутреннее электрическое поле и потенциальный барьер. Проводимость обедненной области во много раз ниже, чем соседних нейтральных областей. Потенциальный барьер n-p перехода определяет его важнейшее свойство, которое заключается в резко выраженном эффекте односторонней проводимости. Поэтому монокристалл с n-p переходом является, по существу, полупроводниковым диодом. Величина потенциального барьера n-p перехода обычно бывает порядка десятых долей вольта. Например, в монокристалле германия ϕк = 0,3–0,4 В.
Как видно из диаграмм на рис. 9.3, величина контактной разности потенциалов равна разности энергий Ферми:
eϕk = EFn − EFp . |
(9.4) |
Для рабочего диапазона температур большинства твердотельных электронных приборов, когда выполняется условие T > Ts (Ts – температура истощения примеси), справедливо считать, что все атомы примеси ионизованы. В этих условиях можно полагать, что nn ≈ ND, pp ≈ NA, а
уравнение для контактной разности потенциалов можно переписать в следующем виде:
161
j |
|
= j ln NA ND = |
Eg |
- j ln |
NC NV |
. |
(9.5) |
||||
|
e |
|
|||||||||
|
k |
T |
n2 |
T |
N |
A |
N |
D |
|
||
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
Таким образом, потенциальный барьер в n-p переходе тем выше, чем сильнее легированы p и n области.
Другим важным параметром перехода является ширина обедненной области n-p перехода или области пространственного заряда (ОПЗ). Толщина ОПЗ резкого перехода (d) и распределение обедненного слоя по областям
могут быть найдены следующим образом: |
|
|
|
|
|
|||
d = dn + d p = |
2 ee0jk × |
NA + ND |
, |
(9.6) |
||||
|
|
|||||||
|
|
|
e |
|
NA ND |
|
|
|
dn = d |
NA |
|
, d p = d |
|
ND |
. |
(9.7) |
|
NA + ND |
|
|
NA + ND |
|||||
|
|
|
|
|
|
Как следует из данного выражения, ОПЗ расширяется в основном в область с меньшей концентрацией легирующей примеси.
Для симметричного плавного n-р перехода с линейным распределением примесей толщина ОПЗ может быть найдена как:
d = dn + d p = 3 |
12 ee0jk × |
1 |
|
, |
(9.8) |
|
dNэф |
dx |
|||||
|
e |
|
|
|||
где величина Nэф = (NA+ND)/NAND получила |
название |
эффективной |
||||
концентрации носителей заряда. |
|
|
|
|
|
На ширину n-p перехода и величину его потенциального барьера существенное влияние оказывает температура монокристалла. При низкой температуре (порядка – 60°С) проводимость обеих областей n-p перехода будет обусловлена только избыточными носителями зарядов, созданными за счет атомов доноров и акцепторов.
С повышением температуры монокристалла примесная проводимость остается неизменной, но к ней добавляется возрастающая собственная проводимость. При высокой температуре прибора (порядка +100°С в германии и порядка +150°С в кремнии) проводимость обеих областей монокристалла становится в основном собственной. Концентрация
собственных носителей оказывается значительно больше концентрации избыточных носителей. В этом случае из р-области в n-область переходит такое количество электронов (а в обратном направлении – дырок), которое достаточно для полной компенсации зарядов ионов примесей. В результате происходит исчезновение n-p перехода, и монокристалл становится обычным омическим сопротивлением.
162