1.3. Электронно-дырочный переход.

§1. Классификация. Методы изготовления.

В полупроводниковых приборах широко применяют электронные переходы.

Под электронным переходом понимают переходный слой в полупроводниковом

материале между двумя областями с различными типами электропроводности или

разными значениями удельной электрической проводимости. Наибольшее применение

имеет электронный переход (р-n-переход),

представляющий собой переходный слой

между областями полупроводника с электропроводностью р-типа и n-типа.

Если концентрация примесей в обеих областях примерно одинакова (рр=nn), то

такой р-n-переход называют симметричным. По площади р-n-переходы делятся на

плоскостные,

у которых линейные размеры,

определяющие площадь перехода,

значительно превышают его толщину, и точечные, у которых эти размеры меньше

толщины перехода.

Наиболее широко применяются плоскостные переходы.

Они являются рабочими

элементами диодов и большинства полупроводниковых диодов.

Получить р-n-переход

путём простого соприкосновения полупроводников р-типа и n-типа невозможно. Этому

препятствуют плёнки

окислов,

покрывающие поверхности полупроводников, а также

воздушная

прослойка.

Электронный переход образуется в единой пластинке

полупроводника с помощью той или иной технологии.

Наибольшее применение имеют

два метода изготовления р-n-переходов: сплавной и диффузионный.

Сущность сплавного метода состоит в следующем. К пластинке, например, N-Ge

прикрепляют

таблетку In

и нагревают в вакууме до

500°С .

При этом

таблетка In

расплавляется и растворяет прилегающую к ней поверхность пластинки Ge.

На границе

между пластинкой

Ge

и таблеткой In

образуется тонкий слой Ge с примесью In, т.е. P-Ge.

Между слоем

P-Ge

и пластинкой

N-Ge возникает р-n-переход (рис.1).

Таблетка

In служит омическим контактом. К

ней припаивают никелевую проволочку - один из

выводов.

На противоположную грань пластинки

N-Ge наносят слой олова,

к которому припаивают

второй вывод. Кремниевый сплавной р-n-переход

получают вплавлением алюминия в пластинку N-

Si при температуре

700°С.

При диффузионном методе изготовления

Ge

р-n-перехода

исходную

пластинку

N-Ge

нагревают

в

печи,

наполненной парами In,

до

900°С.

При

этом

происходит

интенсивная

Рис. 1.

Сплавной переход

диффузия

атомов

In

в

пластинку

N-Ge.

На

поверхности

последней

образуется

слой

P-Ge.

Толщина этого слоя регулируется

продолжительностью процесса диффузии. Затем путём травления удаляют слой P-Ge со

всех граней пластинки кроме одной, создают омические контакты, к которым припаивают

выводы.

Германиевый точечный р-n-переход получают следующим образом.

К хорошо

отполированной поверхности

пластинки

N-Ge

прижимают заострённую иглу из

бериллиевой бронзы. Затем полученный контакт подвергают формовке, заключающейся в

том, что через контакт пропускают мощные,

но кратковременные импульсы тока.

При этом происходит сильный местный разогрев контакта , в результате чего

атомы бериллия , являются акцептором по отношению к

Ge , диффундируют в пластинку

В момент образования р-n-перехода как р-область, так и n-область электрически

нейтральны. Но в р-области много дырок и мало свободных электронов, а в n-области

наоборот,

много свободных электронов и мало дырок.

Резкое различие концентраций одноименных носителей заряда в р- и n-областях

приводит к возникновению диффузии.

Дырки,

совершающие хаотическое тепловое

движение в р-области, начнут переходить в

n-область. В обратном направлении будут

перемещаться

свободные

электроны.

Таким

образом,

через границу раздела

областей

начнет протекать ток диффузии,

образованный основными носителями заряда и

содержащий дырочную и электронную составляющие:

Iдиф

= Iр диф + In диф

Поскольку за направление тока принято направление перемещения

положительных зарядов, ток диффузии будет протекать от р-области к n-области.

В результате диффузии нарушается электрическая нейтральность

р- и n-

областей.

В р-области вблизи границы раздела областей выступят нескомпенсированные

отрицательные заряды атомов акцепторной примеси т.к. часть ранее компенсировавших

их положительно заряженных дырок перейдет в n-область, а другая часть рекомбинирует

с пришедшими из n-области свободными электронами.

В приконтактной части n-области

появятся нескомпенсированные положительные заряды атомов донорной примеси,

поскольку компенсировавшие их ранее отрицательно заряженные свободные электроны

частично перейдут в p-область,

а частично рекомбинируют с диффундирующими n-

области дырками. Таким образом, по обе стороны от границы раздела областей появятся

заряды противоположных

знаков

(рис.2а).

Энергетическая диаграмма, т.е.

энергия,

которой будет обладать электрон,

находясь

в той или иной обаласти, изображена на

рис.2б.

Между ними образуется электрическое поле,

препятствующее диффузионному

перемещению

основных

носителей

заряда

и

называемое поэтому потенциальным

барьером.

Приконтактные

участки

p-

и

n-областей

с

появившимися

нескомпенсированными зарядами атомов акцепторной и донорной примесей являются p-

n-переходом. По мере перехода основных носителей заряда через границу раздела и роста

в результате этого потенциального барьера, ток диффузии будет уменьшаться, так как все

меньшее число основных носителей заряда будет иметь энергию,

достаточную для

преодоления потенциального барьера.

K диф

др

пр

пр

диф

др

пр

K

пр

Рис. 4. Электронно-дырочный

переход при прямом напряжении.

рис. 7 Распределение концентраций носителей

заряда в p-n переходу

Поскольку сопротивление р- и

n-областей мало, практически все напряжение

источника оказывается приложенным к р-n-переходу. Понижение потенциального барьера

приводит к увеличению тока диффузии, а на величину дрейфового тока не влияет.

Поэтому через р-n-переход и во внешней цепи будет протекать прямой ток, равный

разности токов диффузии и дрейфового:

Iпр=Iдиф-Iдр

При комнатной температуре даже при незначительном понижении потенциального

барьера имеет место соотношение Iдиф>>Iдр, и поэтому можно считать

Iпр=Iдиф, т.е.

прямой ток через р-n-переход

- это ток диффузии, образованный основными носителями

заряда.

На

рис.5

изображены примеры

ВАХ

Ge-го и

Si-го р-n-переходов

при

пр

прямом включении.

Начальные

криволинейные

участки

характеристик

соответствуют

наличию

потенциального барьера. При дальнейшем

повышении

прямого

напряжения,

когда

потенциальный

барьер

оказывается

полностью

скомпенсированным,

пр

зависимость

Iпр от

Uпр становится близкой

Рис. 5. ВАХ германиевого и кремниевого

к линейной.

При этом величина прямого

тока

определяется

объёмным

р-n-переходов при прямом включении

сопротивлением

р-

и п-областей.

Поскольку высота потенциального барьера у

германиевого р-п-перехода меньше,

чем

у

кремниевого,

криволинейный участок

характеристики у германиевого перехода заканчивается при меньшем напряжении, чем у

кремниевого,

т.е.

характеристика германиевого перехода сдвинута влево относительно

характеристики кремниевого перехода.

Процесс введения неосновных носителей заряда в данную область

полупроводника через пониженный потенциальный барьер из области, где эти носители

являются основными, называется инжекцией.

В n-область из р-области инжектируются дырки, а в р-область из n-области –

свободные электроны.

В результате инжекции в полупроводнике образуется избыточная

(по сравнению с равновесной)

концентрация неосновных носителей заряда.

Инжектированные неосновные носители заряда,

диффундируя в глубь данной области,

рекомбинируют с основными носителями этой области.

Поэтому избыточная

концентрация неосновных носителей заряда по мере увеличения расстояния от перехода

уменьшается.

Таким образом,

инжектированные носители заряда обладают лишь

определённым временем жизни

τ.

Расстояние,

на

котором

избыточная концентрация

неосновных носителей заряда уменьшается в е

раз,

называется диффузионной длиной (

е=2,718 – основание натурального логарифма).

Диффузионная длина выражается через коэффициент диффузии и время жизни

При наличии внешнего напряжения U ширина р-n-перехода