1.3.6 Температурные свойства электронно-дырочного перехода

Н

(1.36)

а электропроводность полупровод­ников значительное влияние оказывает температура. При повышении темпера­туры усиливается генерация пар носи­телей заряда, т. е. увеличивается кон­центрация носителей и проводимость растет. Поэтому свойства p-n переходов сильно зависят от температуры. Это наглядно показывают вольт-амперные характеристики, снятые при различной температуре (рисунке 1.25). Как видно, при повышении температуры прямой и обратный токи растут. Очень резко увеличивается обратный ток, что объясняется усилением генерации пар носителей. У германиевых p-n переходов обратный ток возрастает примерно в 2 раза при повышении температуры на каждый 10^оС. Это можно выразить следующей формулой:

i_{обр (t)} = i_{обр (20}^o_C) 2^{(t– 20) /10}.

Следовательно, если температура поднялась с 20 до 70°С, то ток i_обр, увеличивается в 2⁵, т. е. в 32 раза. Кроме того, с повышением температуры у германиевых p-n переходах снижается напряжение электрического пробоя.

У кремниевых p-n переходов при нагреве на каждые 10°С обратный ток увеличивается примерно в 2,5 раза, а напряжение электрического пробоя при повышении температуры сначала несколько возрастает, а затем уменьшается.

Прямой ток при нагреве p-n перехода растет не так сильно, как обратный. Это объясняется тем, что прямой ток возникает главным образом за счет примесной проводимости, а концентрация примесей не зависит от температуры.

Рисунок 1.25 – Влияние температуры на вольт-амперную характеристику

p-n перехода

С повышением температуры несколько возрастает барьерная емкость p-n перехода. Температурный коэффициент емкости (ТКЕ), показывающий изменение емкости при изменении температуры на один градус, равен 10^–4 – 10^–3 К^–1.

1.3.7 Физические явления в области контакта металл–полупроводник

В современных полупроводниковых приборах помимо контактов, образованных между полупроводниками с различным типом электропроводности применяют­ся также контакты между металлом и полупроводником. Процессы в таких переходах зависят от так называемой работы выхода электронов, т. е. от той энергии, которую должен затратить электрон, чтобы выйти из металла или полупроводника. Чем меньше работа выхода, тем больше электронов мо­жет выйти из данного тела.

Если в контакте металла с полу­проводником n-типа (рисунок 1.26, а) работа выхода электронов из металла А_м мень­ше, чем работа выхода из полупровод­ника А_n то будет преобладать выход электронов из металла в полупроводник. Поэтому в слое полупроводника около границы накапливаются основные но­сители (электроны), и этот слой стано­вится обогащенным, т. е. в нем увели­чивается концентрация электронов. Сопротивление этого слоя будет малым при любой полярности приложенного напря­жения, и, следовательно, такой переход не обладает выпрямляющими свойства­ми. Его называют невыпрямляющим (омическим) контактом. Подобный же невыпрямляющий переход получается в контакте металла с полупроводником р-типа (рис. 1.26,б), если работа выхода электронов из полупроводника меньше, чем из металла (А_p < А_м). В этом случае из полупроводника в металл уходит больше электронов, чем в обратном на­правлении, и в приграничном слое полу­проводника также образуется область, обогащенная основными носителями (дырками), имеющая малое сопротивле­ние. Оба типа невыпрямляющих контак­тов широко используются в полупровод­никовых приборах при устройстве вы­водов от n- и р-областей. Для этой цели подбираются соответствующие ме­таллы.

Рисунок 1.26 – Контакт металла (М) с полупроводником

Иные свойства имеет переход, пока­занный на рисунке 1.26, в. Если в контакте металла с полупроводником n-типа А_p < А_м, то электроны будут переходить главным образом из полупроводника в металл и в приграничном слое полу­проводника образуется область, обед­ненная основными носителями и поэто­му имеющая большое сопротивление. Здесь создается сравнительно высокий потенциальный барьер, высота которого будет существенно изменяться в зависи­мости от полярности приложенного напряжения. Такой переход обладает вы­прямляющими свойствами. Подобные переходы в свое время исследовал немец­кий ученый В. Шотки, и поэтому потен­циальный барьер, возникающий в данном случае, называют барьером Шотки, а диоды с этим барьером – диодами Шот­ки.

В диодах Шотки (в металле, куда приходят электроны из полупроводника) отсутствуют процессы накопления и рассасывания зарядов неосновных но­сителей, характерные для электронно-дырочных переходов. Поэтому диоды Шотки обладают значительно более вы­соким быстродействием, нежели обычные диоды, так как накопление и рассасы­вание зарядов – процессы инерционные, т. е. требуют времени.

Аналогичные выпрямляющие свойства имеет контакт металла с полупроводником типа р при А_м < А_p.

В таблице 1.1 показаны возможные сочетания полупроводника с металлом и свойства структур.

Таблица 1.1 – Свойства структур металл-полупроводник

Тип проводимости	Соотношения работ	Характер структуры
Дырочный		Выпрямляющий
Дырочный		Омический
Электронный		Выпрямляющий
Электронный		Омический

1.3.8 Переходы p-i-, n-i-, p⁺ -p, n⁺ -n типов

Кроме p-n-переходов встречаются и другие типы переходов. Это связано с наличием в некоторых полупроводниках областей, концентрации носителей заряда в которых существенно различны. Можно, например, получить полупроводник, в одной области которого электропроводность собственная (i), а в другой – примесная (p или n). Переход между этими двумя областями носит название p-i- или n-i- перехода. Если в одном из слоев концентрация основных носителей заряда намного выше (n⁺,p⁺), чем в другой области с однотипной электропроводностью, то возникают n⁺ -n- или p⁺ -p-переходы.

При контакте собственного и примесного полупроводников (p_p >p_i и n_n>n_i) из-за разности концентраций носителей заряда возникает диффузия дырок и электронов в собственный полупроводник i-типа. Появляется разность потенциалов, образованная областью с некомпенсированными отрицательно заряженными ионами акцепторных примесей и дырками в полупроводнике с собственной электропроводностью (переход p-i) и образованная область с нескомпенсированными положительно заряженными ионами донорных примесей и электронами в полупроводнике с собственной электропроводностью (переход n-i). Однако эта разность потенциалов значительно меньше, чем в p-n-переходе, и слой, обедненный носителями заряда, простирается большей частью в область собственного полупроводника.

Наличие высокоомной области в полупроводнике с собственной относительно малой электропроводностью приводит к тому, что на переходе падает только часть приложенного напряжения и вентильные свойства у p-i и n-i-переходов выражены значительно слабее, чем у p-n-перехода. При приложении к нему обратного напряжения обратный ток оказывается больше, чем в p-n-переходе. При прямом смещении p-i и n-i –переходов прямой ток меньше, чем в p-n –переходе, и меньше зависит от приложенного напряжения.

На основе p-i и n-i –переходов создают полупроводниковые приборы, допускающие высокие обратные напряжения. В обычном p-n -переходе подключение высокого напряжения может создать в нем настолько высокую напряженность электрического поля, что наступит электрический пробой последнего. Если p- и n-области разделить высокоомным слоем с собственной электропроводностью, то напряженность поля в переходе снизится при этом же значении потенциального барьера. Такой p-i-n- переход будет иметь как бы ступенчатое изменение контактной разности потенциалов и концентрации примесей.

При контакте двух полупроводников с электропроводностью одного типа, имеющих разную концентрацию примесей, высота потенциального барьера ниже, чем в p-i-переходе. Эти переходы практически не обладают вентильными свойствами. Соответственно в них практически отсутствует инжекция неосновных носителей заряда в высокоомную область.