Министерство образования Республики Беларусь УО «Брестский государственный политехнический колледж»

Основы электроники и микроэлектроники

Раздел 1. Физические основы полупроводников

Тема 1.3. Контактные явления в полупроводниках. Электронно-дырочный переход при наличии и отсутствии напряжения

г. Брест

1 Физические основы полупроводников

1.3 Контактные явления в полупроводниках. Электронно-дырочный переход при наличии и отсутствии напряжения

Область на границе двух полупро­водников с различными типами электро­проводности называется электронно-ды­рочным или n–p переходом.

Переход между двумя областями с одним типом электропроводности (n- или p-типом), отличающийся концентрацией примесей и соответственно значением удельной проводимости, называют электронно-электронными (n⁺ - n - переход) или дырочно-дырочными (p⁺ - p - переход). Причем знак «+» в обозначении одного из слоев показывает, что концентрация носителей заряда одного типа в этом слое значительно выше, чем во втором, и поэтому слой имеет меньшее удельное электрическое сопротивление.

Если одна из областей, образующих переход, является металлом, то такой переход называют переходом металл-полупроводник.

Переходы между двумя полупроводниковыми материалами, имеющими различную ширину запрещенной зоны, называют гетеропереходами.

Электрические переходы нельзя создать путем механического контакта двух областей с разными физическими свойствами, хотя при рассмотрении физических процессов такая абстракция обычно используется. Это объясняется тем, что поверхности кристаллов обычно загрязнены оксидами и атомами других веществ. Существенную роль играет воздушный зазор, устранить который при механическом контакте практически невозможно.

Для уяснения процессов, в результате которых между областями с различными физическими свойствами возникают слои со свойствами, отличающимися от свойств каждой из областей, участвующих в контакте, рассмотрим процессы, происходящие при технологическом соединении разнородных материалов.

1.3.1 Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего

напряжения

Пусть внешнее напряжение на переходе отсутствует (рисунок 1.15). Так

как носители заряда в каждом полупровод­нике совершают беспорядочное тепло­вое движение, т. е. имеют собственные скорости, то происходит их диффузия из одного полупроводника в другой. Как и при любой другой диффузии, например в газах и жидкостях, носители перемещаются оттуда, где их концентра­ция больше, туда, где их концентрация меньше. Таким образом, из полупро­водника n-типа в полупроводник р-типа диффундируют электроны, а в об­ратном направлении из полупроводни­ка р-типа в полупроводник n-типа диф­фундируют дырки. Это диффузионное перемещение электронов и дырок пока­зано на рисунке 1.15, а стрелками. Кружки с плюсом и минусом изображают атомы донорной и акцепторной примеси, заря­женные соответственно положительно и отрицательно.

Рисунок 1.15 – Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего

напряжения

В результате диффузии носителей по обе стороны границы раздела двух полупроводников с различным типом электропроводности создаются объем­ные заряды различных знаков. В об­ласти n возникает положительный объем­ный заряд. Он образован главным об­разом положительно заряженными ато­мами донорной примеси и в неболь­шой степени – пришедшими в эту об­ласть дырками. Подобно этому в области р возникает отрицательный объемный заряд, образованный отрицательно заря­женными атомами акцепторной примеси и, отчасти, пришедшими сюда электро­нами. На рисунке 1.15, а для упрощения носители и атомы примесей показаны только в области перехода.

Между образовавшимися объемными зарядами возникают так называемая контактная разность потенциалов u_k = φ_k = _n – _p и электрическое поле (вектор напряженности Е_к). На рисунке 1.15,б изобра­жена потенциальная диаграмма n–p перехода для рассматриваемого случая, когда внешнее напряжение к переходу не приложено. На этой диаграмме, показывающей распределение потенциа­ла вдоль оси х, перпендикулярной плоскости раздела двух полупроводни­ков, за нулевой потенциал принят потенциал граничного слоя.

Как видно, в n – р-переходе возни­кает потенциальный барьер, препятствую­щий диффузионному переходу носите­лей. На рисунке 1.15,б изображен барьер для электронов, стремящихся за счет диффузии перемещаться слева направо (из области n в область р). Если отложить вверх положительный потенциал, то получили бы изображе­ние такого же потенциального барьера для дырок, которые стремятся диффунди­ровать справа налево (из области р в область n).

Высота барьера равна контактной разности потенциалов и обычно состав­ляет десятые доли вольта. Чем больше концентрация примесей, тем выше кон­центрация основных носителей и тем большее число их диффундирует через границу. Плотность объемных зарядов возрастает и увеличивается контактная разность потенциалов φ_k, т. е. высота потенциального барьера. При этом тол­щина n – р-перехода d уменьшается, так как соответствующие объемные заряды образуются в приграничных слоях мень­шей толщины.

Можно показать [2], что контактная разность потенциалов φ_k определяется из выражения

φ_k = |_n – _p| = = φ_t , (1.21)

где N_А(Д) – концентрации ионизированных акцепторной и донорной примесей;

n_i = p_i – концентрация электронно – дырочных пар за счет ионизации основных атомов полупроводникового материала;

φ_t – температурный потенциал.

Для германия, например, при средней концентрации примесей см, а при больших концентрациях, создавае­мых в некоторых приборах, см.

Одновременно с диффузионным пере­мещением основных носителей через гра­ницу происходит и обратное переме­щение носителей под действием электри­ческого поля контактной разности по­тенциалов. Это поле перемещает дырки из n-области обратно в р-область и электроны из р-области обратно в n-область. На рисунке 1.15, а такое перемещение неосновных носителей (дрейф) показано также стрелками. При постоянной темпе­ратуре n–р-переход находится в состоя­нии динамического равновесия. Каждую секунду через границу в противополож­ных направлениях диффундирует опре­деленное число электронов и дырок, а под действием поля столько же их дрейфует в обратном направлении.

Нетрудно представить себе механи­ческую аналогию этого процесса, если считать, что диаграмма на рисунке 1.15,б изображает горку, на которую вка­тываются шарики (электроны) с различ­ной начальной скоростью. За счет началь­ных скоростей шарики будут поднимать­ся на ту или иную высоту, останавли­ваться и скатываться обратно под дей­ствием поля тяготения. Эта аналогия пригодна также и для дырок.

Перемещение носите­лей за счет диффузии – это диффузион­ный ток (i_диф), а движение носителей под действием поля – ток дрейфа (i_др). В установившемся режиме, т. е. при дина­мическом равновесии перехода, эти токи равны и противоположны по направле­нию. Поэтому полный ток через переход равен нулю, что и должно быть при отсутствии внешнего напряжения. Каж­дый из токов i_диф и i_др имеет электрон­ную и дырочную составляющие. Значе­ния этих составляющих различны, так как зависят от концентрации и под­вижности носителей.

Высота потенциаль­ного барьера всегда устанавливается именно такой, чтобы наступило равно­весие, т. е. диффузионный ток и ток дрейфа компенсируют друг друга. Дей­ствительно, пусть по какой-то причине, например от повышения температуры, диффузия усилилась. Ток диффузии возрастает, через переход будет диф­фундировать больше носителей. Это вызовет увеличение объемных зарядов и потенциала по обе стороны границы. Значение u_к возрастет, т. е. усилится электрическое поле в переходе и повы­сится потенциальный барьер. Но усиле­ние поля вызовет соответствующее уве­личение тока дрейфа, т. е. обратного перемещения носителей. Пока i_диф > i_др, высота барьера растет, но в конце концов за счет увеличения i_др наступит равенство i_диф = i_др и дальнейшее повы­шение u_к прекратится.

На рисунке 1.15,в показано распределение концентрации носителей в n– р-переходе. Взяты значения концентраций, характер­ные для германия. Так как концентра­ции основных и неосновных носителей отличаются друг от друга в миллионы раз, то по вертикальной оси они отло­жены в логарифмическом масштабе. Концентрации примесей в областях n и р обычно бывают различными. Именно такой случай показан на рисунке 1.15, в. В полупроводнике n-типа концентрации основных и неосновных носителей взяты соответственно и см^–3, а в полупроводнике р-типа концентра­ция примесей меньше, и поэтому и см^–3.

Электронно-дырочный переход, у которого называют симметричным. Если концентрации основных носителей заряда в областях различны и отличаются в 100-1000 раз ,то такие p-n переходы называют несимметричными. Несимметричные p-n переходы распространены шире.

Как видно, в n-р-переходе кон­центрация электронов плавно меняется от 10¹⁸ до 10¹⁰ см ^–3, а концентрация дырок – от 10¹⁶ до 10⁸ см ^–3. В резуль­тате этого в средней части перехода образуется слой с малой концентра­цией носителей (так называемый обеднен­ный носителями слой). Например, на самой границе концентрация электронов составляет 10¹⁴ см ^–3, т.е. она в 10000 раз меньше, чем в области п, а концентра­ция дырок равна 10¹² см"³, и она тоже в 10000 раз меньше, чем в об­ласти р. Соответственно и удельная электрическая проводимость n – р-перехода будет во много раз меньше, чем в остальных частях областей n и р. Можно также рассматривать слой, обед­ненный подвижными носителями, как результат действия электрического поля контактной разности потенциалов. Это поле «выталкивает» из пограничных слоев подвижные носители: электроны перемещаются в область n, а дырки — в область р.

Таким образом в n – р-переходе воз­никает слой, называемый запирающим и обладающий большим сопротивле­нием по сравнению с сопротивлением остальных объемов n- и р-полупроводников.

На рисунке 1.16, показано объемное изображение n-p перехода. Линейные размеры а и б определяют площадь n-p перехода

Рисунок 1.16 – Объемное изображение p-n перехода