1.3.9 Гомогенные и гетерогенные переходы

Электронно-дырочные переходы от­носятся к так называемым гомогенным (гомопереходам), если они образованы между областями одного и того же полупроводника, имеющими примеси разного типа (доноры и акцеп­торы). Гетерогенными (гетероперехода­ми) называются переходы между раз­личными полупроводниковыми матери­алами, имеющими различную ширину запрещенной зоны.

Если имеются два различных полу­проводника, то возможны четыре типа гетеропереходов в зависимости от ха­рактера примесей в этих полупровод­никах: n₁ – n₂, p₁ – р₂, p₁ – n₂ и p₂ – n₁.Наиболее изучены следующие гетеро­переходы: германий – арсенид галлия (Ge – GaAs), германий – кремний (Ge – Si), арсенид галлия – фосфид галлия (GaAs – GaP), арсенид галлия – арсенид индия (GaAs – InAs).

В результате на границе раздела возникает диффузионное электрическое поле и потенциальный барьер. При приложении внешнего напряжения высота потенциального барьера для основных носителей заряда будет изменяться – уменьшаться при полярности внешнего напряжения, противоположной полярности контактной разности потенциалов, и увеличивается при совпадении полярности.

Таким образом, носители заряда в первом случае будут проходить через гетеропереход, а во втором – нет. Следовательно будет иметь место эффект выпрямления.

Различные полупроводниковые при­боры с гетеропереходами имеют ряд достоинств и весьма перспективны. Так, например, диоды с гетеропереходами типа n₁ – n₂, или p₁ – р₂ обладают высо­ким быстродействием и высокой пре­дельной частотой, так как в них отсутствует сравнительно медленный процесс накопления и рассасывания неосновных носителей, характерный для обычных n– р-переходов. Для гетеродиодов время переключения из открытого состояния в закрытое может быть меньше 1 нc. Представляют интерес мощные гетеро-диоды лазерного типа, в которых вы­деляющаяся мощность излучается, а не нагревает сам диод.

Основная проблема создания хоро­ших приборов с гетеропереходами со­стоит в том, что трудно устранить дефекты, возникающие на границе двух различных полупроводников. Требуется тщательный подбор материалов и совер­шенствование технологии производства.

10. Вопросы для самоконтроля

1.Что называют электронно-дырочным или n-p-переходом?

2. Какие переходы называют электронно-электронными (n⁺ - n переход) или дырочно-дырочными (p⁺ - p переход) и что показывает знак «+»?

3. Какие переходы называют переходами металл-полупроводник, гетеропереходами?

4. Каким образом происходит диффузия носителей заряда в полупроводниках n и p-типа?

5. Закончите предложение: В результате диффузии носителей по обе стороны границы раздела двух полупроводников с различным типом электропроводности создаются…

6. Какой объемный заряд возникает в области n и чем он образован?

7. Какой объемный заряд возникает в области р и чем он образован?

8. Запишите формулу для контактной разности потенциалов, возникшей между двумя образовавшимися объемными зарядами.

9. Чему равна высота потенциального барьера?

10. Объясните взаимосвязь высоты потенциального барьера и концентрации примесей в полупроводнике.

11.Что такое динамическое равновесие n-p перехода?

12. Объясните разницу между диффузионным током( I_диф)и током дрейфа (i_др).

13. Почему высота потенциального барьера всегда устанавливается такой, при которой диффузионный ток и ток дрейфа компенсируют друг друга?

14. Закончите предложение:Электронно-дырочный переход называют симметричным, если..

15. Как называется и образуется слой в n – р переходе с малой концентрацией носителей?

16. Какое напряжение называют прямым?

17. Дайте определение понятию «инжекция носителей заряда».

18. Какую область полупроводникового прибора называют эмиттером?

19. Какую область полупроводникового прибора называют базой?

20.Когда можно пренебречь инжекцией носителей заряда?

21. При каком прямом направлении можно уменьшить высоту потенциального барьера до нулевой?

22. Запишите выражение для прямого тока через электроннодырочный переход.

23. Чем определяется и чему равна величина сопротивления при прямом напряжении, равном напряжению контактной разности потенциалов?

24. Задача:

Пусть в некотором p-n переходе при прямом напряжении, близком к нулю, сопротивление слоя Ом, а сопротивления p и n - областей Ом. Определить полное сопротивление общей полупроводниковой структуры при прямом напряжении, близком к нулю, и при прямом напряжении равном десятые доли вольта.

25. Запишите и поясните уравнение для полного прямого тока в разных частях цепи, состоящей из p –n- структуры, к которой подключено переменное напряжение.

26. Поясните, процесс образования диффузионной емкости?

27. Какое напряжение называют обратным?

28.Объясните, в связи с чем при обратном напряжении диффузионный ток равен нулю?

29. Дайте определение понятию «Экстракция носителей заряда».

30. Что представляет собой обратный ток?

31. В связи с чем с увеличением обратного напряжения увеличивается не только высота потенциального барьера, но и толщина запирающего слоя?

32. Как влияет повышение температуры на величину обратного тока?

33. Объясните механизм образования барьерной емкости С_б?

34. Приведите условное изображение p-n перехода с подключением к нему источника питания при условии, что перемещаются по полупроводниковой структуре слева направо основные отрицательные носители заряда. Обозначьте на рисунке тип проводимости общих областей (p или n) и полярность источника питания, соответствующую заданному перемещению носителей заряда. Отметьте, в каком направлении включен p-n переход (в прямом или обратном).

35. Приведите условное изображение p-n перехода с подключением к нему источника питания при условии, что перемещаются по полупроводниковой структуре справа налево неосновные отрицательные носители заряда. Обозначьте на рисунке тип проводимости общих областей (p или n) и полярность источника питания, соответствующую заданному перемещению носителей заряда. Отметьте, в каком направлении включен p-n переход (в прямом или обратном).

36. Что показывает вольт-амперная характеристика электронно-дырочного перехода?

37. Почему характеристика для прямого тока вначале имеет значительную нелинейность, а затем с повышение прямого напряжения становится почти линейной?

38. Что происходит с обратным током при увеличении обратного напряжения?

39. Что собой представляет электрический пробой?

40. Чем объясняется лавинный пробой?

41.Чем объясняется туннельный пробой?

42.Что такое тепловой пробой и каковы его причины?

43. Как определяется пробивное напряжение при тепловом пробое?

44. Из каких емкостей состоит емкость n – р перехода ?

45. Как зависит барьерная емкость от площади и толщины n – р перехода, от величины обратного напряжения?

46. Почему барьерная емкость вредно влияет на выпрямление переменного тока?

47. В каких приборах и как используется?

48. От чего зависит диффузионная емкость, и что она характеризует?

49. Почему нельзя использовать диффузионную емкость?

50. Изобразите полную эквивалентную схему n – р перехода для переменного тока и поясните ее.

51. Как изменится полная эквивалентная схема n – р перехода на низких частотах и при постоянном токе, на высоких частотах?

52. Как определяется и называется сопротивление переменному и постоянному токам?

53. Как повышение температуры влияет на электропроводность полупроводников?

54. Объясните процессы, происходящие в них с повышением температуры.

55. Почему обратный ток при нагреве n – р перехода растет сильнее чем прямой?

56. Что понимается под работой выхода электронов?

57. Когда и почему возникают невыпрямляющие (омические) контакты металла с полупроводником?

58. Когда и почему возникают выпрямляющие контакты металла с полупроводником?

59. Почему диоды Шотки обладают значительно более высоким быстродействием, нежели обычные диоды?

60. Когда возникают n-n и n -i или p-p и p -i-переходы?

61. Какие переходы называют гомогенными, а какие гетерогенными (гетероперехода­ми)?

62. Какие типы гетеропереходов можно создать?

63. Каковы достоинства и недостатки гетеропереходов?