Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Электроника.pdf
Скачиваний:
1069
Добавлен:
12.03.2015
Размер:
11.64 Mб
Скачать

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 np) и дырок в р области (jpдиф, pn).

 

 

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 к)

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