9.7. Емкостные свойства n-p перехода

При изменении внешнего напряжения, приложенного к n-p переходу, изменяется величина заряда, накопленного в ОПЗ, которую можно рассматривать как конденсатор. Таким образом, n-p переход, в котором существует область пространственного заряда, обладает емкостью, которую принято называть барьерной:

где ε0 - диэлектрическая постоянная, ε - диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала, d - ширина обедненной области, S - площадь поперечного сечения перехода.

Барьерная емкость увеличивается с ростом концентрации примесей, а также с уменьшением приложенного напряжения. Она может принимать значения от сотых долей пикофарады до сотен пикофарад.

Помимо барьерной емкости p-n переход обладает емкостными свойствами и при прямом смещении. При протекании прямого тока через p-n переход носители диффундируют через барьер и накапливаются в соседней области. Количество инжектированного в соседнюю область заряда зависит от величины приложенного к переходу напряжения, т.е. изменение

инжектированного заряда при изменении приложенного напряжения может характеризоваться емкостью, которую принято называть диффузионной.

Диффузионная емкость зависит от величины прямого тока через n- p переход и времени жизни носителей заряда, т.е. от глубины проникновения носителей заряда в соседнюю область.

9.8. Контакт металл-полупроводник

Контакты металлов с полупроводником делятся на выпрямляющие и невыпрямляющие (омические). Основное значение в контактах данного типа

имеет соотношение термодинамических работ выхода электронов из металла и полупроводника. Термодинамическая работа выхода (А) представляет

собой энергетическое расстояние между уровнем Ферми металла или полупроводника и нулевым энергетическим уровнем (уровнем вакуума). В

170

общем случае, в зависимости от типа электропроводности полупроводника, можно выделить четыре вида контакта, которые изображены на рис. 9.6.

В первые моменты времени после создания контакта будет наблюдаться самопроизвольный переход электронов из области с меньшей работой выхода в область с большей работой выхода.

Рис. 9.6. Образование обедненных и обогащенных слоев на границе контакта металл-полупроводник

Выпрямляющий контакт металл-полупроводник реализуется в том случае, если в области контакта образуется обедненный слой. Рассмотрим контакт, образованный металлом и полупроводником n-типа, причем работа выхода электронов из полупроводника меньше, чем из металла. Электроны в этом случае из полупроводника переходят в металл, а в приповерхностном слое полупроводника появляется область положительного заряда, локализованного на ионах доноров, т.е. создается обедненный электронами слой. Электрическое поле такого перехода сосредоточено практически только в полупроводнике, потому что из-за большой концентрации электронов в металле их перераспределение происходит в очень тонком слое, сравнимым с межатомным расстоянием. Потенциальный барьер на границе металл-полупроводник представляет собой разность работ выхода электронов из металла и полупроводника (рис. 9.7).

В реальном полупроводнике n-типа существует отрицательный поверхностный заряд, выталкивающий электроны из приповерхностного слоя и соответствующий образованию обедненной области. Поэтому

величина потенциального барьера определяется не только разностью работ выхода, но и плотностью поверхностного заряда и при достаточно большой величине последней (например, для арсенида галлия) потенциальный барьер не зависит от природы металла.

171

Отметим, что прямой ток в диоде Шотки обусловлен движением основных носителей, а инжекция неосновных носителей, характерная для n- р перехода, отсутствует, поэтому они особенно перспективны в качестве сверхбыстродействующих импульсных и СВЧ приборов.

Кроме перехода Шотки, на практике широко применяется омический переход металл-полупроводник. Омический контакт должен иметь близкую к линейной ВАХ и малое сопротивление. Из рис. 9.6 видно, что в случаях б) и в) в области полупроводника у границы перехода образуются слои, обогащенные основными носителями заряда. Удельное сопротивление такого

слоя будет иметь промежуточное значение между удельными сопротивлениями нейтральных областей полупроводника и металла и, следовательно, изменение электрических свойств всей структуры по ее длине можно считать относительно равномерным. Такие контакты имеют

омическую ВАХ и находят применение при создании электрических выводов в дискретных электронных приборах и межэлементных соединений в интегральных структурах.

Наиболее сложно создать омические контакты к относительно слаболегированным полупроводникам. Например, с кремнием n-типа практически все металлы образуют выпрямляющий переход. В этом случае

на поверхности полупроводника создают слой вырожденного полупроводника с повышенной концентрацией примеси, и омический контакт возникает благодаря туннельному эффекту.

9.9. Гетеропереходы

Гетеропереходы образуются при контакте между двумя полупроводниками с различной шириной запрещенной зоны, но с близкой кристаллической структурой. В зависимости от типа электропроводности

контактирующих полупроводников в общем случае возможны четыре типа гетеропереходов: n1-n2 и p1-p2 (изотипные гетеропереходы), p1-n2 и p2-n1 (анизотипные гетеропереходы). Наиболее распространенными являются гетероструктуры AlGaAs-GaAs, Ge-GaAs, Ge-Si, GaAs-GaP, GaAs-InAs).

На рис. 9.8 показана энергетическая диаграмма анизотипного p1-n2 гетероперехода, который образован полупроводником р-типа с узкой запрещенной зоной (Egp) и полупроводником n-типа с широкой запрещенной зоной (Egn). За начало отсчета принята энергия электрона в вакууме. Величина χ – это истинная работа выхода электрона из полупроводника в вакуум, величина А – термодинамическая работа выхода. При создании

контакта между двумя полупроводниками положение уровней Ферми в них выравнивается, а величина изгиба энергетического уровня электрона в вакууме составляет eϕk, как и в случае обычного n-p перехода.

173