ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ

Электрический переход в полупроводнике – это граничный слой между двумя областями, физические характеристики которых существенно различаются.

Переходы между двумя областями полупроводника с различным типом электропроводностей называются электронно-дырочными или p-n переходами.

Переходы между двумя областями с одним типом электропроводности (p- или n-типом), отличающиеся концентрацией примесей и соответственно значением удельной проводимости, называют электронно-электронными (- переход) или дырочно-дырочными (- 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.

Переходы между двумя полупроводниковыми материалами, имеющими различную ширину запрещенной зоны, называют гетеропереходами. Если одна из областей, образующих переход, является металлом, то такой переход называют переходом металл-полупроводник.

 

Контакт металл-полупроводник.Пусть уровень Ферми в металле, который всегда расположен в зоне проводимости, лежит выше уровня Ферми полупроводника p-типа.

 

Рис. 1. Энергетическая зонная диаграмма контакта металл-полупроводник p-типа:

а – металл, б – полупроводник p-типа, в – контакт металл-полупроводник.

 

Так как энергия электрона металла больше энергии носителей заряда полупроводника, часть электронов перейдет из металла в полупроводник. Переход будет продолжаться до тех пор, пока уровни Ферми вблизи контакта не выровняются. В полупроводнике вблизи контакта окажется избыточный заряд электронов Δn которые начнут рекомбинировать с дырками. Уменьшение концентрации дырок приведет к нарушению электронейтральности на этом участке. На нем образуется слой неподвижных отрицательных заряженных ионов акцепторной примеси, соответственно область не зарядится положительно, следовательно образовался объемный заряд в области контакта.

В равновесной системе наблюдается динамическое равновесие встречно движущихся основных и неосновных носителей заряда.

В узком приконтактном участке, толщина которого характеризуется так называемой дебаевской , энергетические уровни искривлены (рис. 1, в).

Переход между металлом и полупроводником обладает вентильными свойствами. Его называют барьером Шоттки.

Аналогичные процессы имеют место при контакте Ме с полупроводником n-типа, у которого уровень Ферми выше, чем у Ме.

Рис. 2. Зонная диаграмма контакта металл-полупроводник, при котором возникает инверсный слой: а - металл, б - полупроводник n-типа, в - контакт металл-полупроводник

Контакт двух полупроводников p- и n- типов.Рассмотрим переход между двумя областями полупроводника, имеющими различный тип электропроводности. Концентрации основных носителей заряда в этих областях могут быть равны или существенно различаться.

Электронно-дырочный переход, у которого , называют симметричным. Если концентрация основных носителей заряда в областях различны (или ) и отличаются в 100…1000 раз, то такие p-n-переходы называют несимметричными.

В зависимости от характера распределения примесей, различают два типа переходов: резкий (ступенчатый) и плавный. В резком переходе концентрации примесей на границе раздела областей изменяются на расстоянии, соизмеримом с диффузионной длиной. В плавном переходе концентрации примесей на границе раздела областей изменяются на расстояние значительно большее диффузионной длины.

 

Свойства несимметричного p- n-перехода.Пусть концентрация дырок в области полупроводника p-типа намного выше концентрации электронов в области n-типа.

Так как концентрация дырок в области р выше, чем в области n, часть дырок в результате диффузии перейдет в n-область, следовательно вблизи границы окажутся избыточные дырки, которые будут рекомбиноровать с электронами. Следовательно в этой зоне уменьшится концентрация свободных электронов и образуется области нескомпенсированных положительных ионов донорных примесей. В p-области уход дырок из граничного слоя способствует образованию областей с некомпенсированными отрицательными зарядами акцепторных примесей, созданными ионами.

Подобным же образом происходит диффузионное перемещение электрона из n слоя в р слой. Перемещение происходит до тех пор, пока уровни Ферми не сравняются.

Переход неосновных носителей приводит к уменьшению объемного заряда и электрического поля в переходе. Как следствие, имеет место дополнительный диффузионный переход основных носителей, в результате чего электрическое поле принимает исходное значение. При равенстве потоков основных и неосновных носителей заряда и соответственно токов, наступает динамическое равновесие.

Таким образом, через в p-n- переход в равновесном состоянии движутся два встречно направленных потока зарядов, находящихся в динамическом равновесии и взаимно компенсирующих друг друга.

Ионы в р-n-переходе создают разность потенциалов U_k, называемую потенциальным барьером или контактной разностью потенциалов.

Напряженность электрического поля - дифференциал от U_k, взятый по координате:

E =

Значение контактной разности потенциалов определяется положениями уровней Ферми в областях n и р:

Ширину несимметричного ступенчатого перехода можно определить из выражения:

,

 

где - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; - диэлектрическая постоянная воздуха.

Переход, смещенный в прямом направлении.Уменьшится потенциальный барьер и станет равным: . Соответственно уменьшится ширина p- n-перехода: и его сопротивление. В цепи потечет электрический ток. Однако до тех пор, пока ||>|U|, обедненный носителями заряда p- n-переход имеет высокое сопротивление и ток имеет малое значение. Этот ток вызван дополнительным диффузионным движением носителей заряда, перемещение которых стало возможным в связи с уменьшением потенциального барьера.

При |=|U| толщина p- n-перехода стремится к нулю и при дальнейшем увеличении напряжения U переход как область, обедненная носителями заряда, исчезает вообще.

 

Рис. 1.Структура p- n-перехода, смещенного в прямом направлении(а); распределение потенциалов в p- n-переходе (б)

Введение носителей заряда через электронно-дырочный переход в область полупроводника, где они являются неосновными носителями за счет снижения потенциального барьера, называется инжекцией.

Инжектирующий слой с относительно малым удельным сопротивлением называют эммитером, слой в котором инжектриуются не основные для него носители, - базой.

Вблизи p- n-перехода концентрации дырок в области n и электронов в области p отличаются от равновесной: ; .

Дополнительные н.н.з. в течение времени (3…5)τ компенсируются основными носителями заряда, которые приходят из объема полупроводника. В результате на границе p-n- перехода появляется заряд, созданный основными носителями заряда. И выполняется следующее условие: ∆n_n∆p_n; ∆p_p∆n_p

Электронейтральность полупроводника восстанавливается. Такое перераспределение основных носителей заряда приводит к появлению электрического тока во внешней цепи, т.к. по ней поступают носители заряда взамен ушедших к р-n- переходу и исчезнувших в результате рекомбинации. При диффузии н.н.з. внутрь полупроводника, концентрация их непрерывно убывает за счет рекомбинации. Если размеры р- и n- областей превышают диффузионные длины L_n, L_p, то концентрации неосновных носителей заряда при удалении от перехода определяются как:

,

 

где х- расстояние от точки, где избыточная концентрация равна ∆p_n или ∆n_p.

На расстоянии х≈(3±5)L концентрация н.н.з. стремится p_n0 и n_p0. Вдали от p-n- перехода, где диффузионная составляющая тока стремится к нулю, последний имеет дрейфовый характер, и о.н.з. движутся в электрическом поле, созданном внешним напряжением на участке p- и n- областей, имеющих омическое сопротивление.

В равновесном состоянии через p-n-переход протекает ток, имеющий две составляющие. Одна обусловлена диффузией основных носителей зарядов в область, где они являются неосновными, другая - дрейфом н.н.з. теплового происхождения. Ток диффузии о.н.з. - I_T за счет снижения потенциального барьера увеличивается и является функцией приложенного напряжения.

Другая составляющая тока при приложении внешнего напряжения остается практически без изменений, что обусловлено генерацией вблизи p-n- перехода носителей, на расстоянии меньшем диффузионной длины.

Это уравнение идеализированного p-n- перехода, на основе которого определяют вольт-амперные характеристики полупроводниковых приборов. I_T - тепловой ток (обратный ток насыщения). Он зависит от температуры и не зависит от напряжения.

 

Переход, смещенный в обратном направлении.

 

Рис. 2. Структура p-n-перехода смещенного в обратном направлении (а) распределение потенциала в р-n- переходе (б)

 

Если к электронно-дырочному переходу приложено обратное напряжение, полярность которого совпадает с направлением контактной разности потенциалов («+» к n-области, «-» к р-области), то общий потенциальный барьер повышается.

Движение основных носителей через p-n- переход уменьшается и при некоторых значениях U вообще прекращается, т.е. начинается дефицит основных носителей в область p-n- перехода. При этом ток обусловлен движением н.н.з., которые, попав поле электронно-дырочного перехода, будут ими же захватываться и переноситься через p-n- переход. Это экстракция («отсос» н.н.з.). Уход н.н.з. приводит к тому, что концентрация p-n- перехода снизится до нуля. Убыль н.н.з. создает электрический ток. Для обратного смещения:

Таким образом, тепловой ток, вызванный движением н.н.з., остается неизменным, а ток, вызванный диффузией о.н.з., уменьшается по экспоненциальному закону. При напряжении 2-3φ_T током о.н.з. можно пренебречь. Значение обратного тока не зависит от обратного напряжения, приложенного к p-n- переходу. Поэтому тепловой ток I_T в этом случае называют обратным током насыщения. Это объясняется тем, что все н.н.з., генерируемые в объеме, ограниченном диффузионной длиной и площадью p-n- перехода, участвуют в движении через p-n-переход. Из этого следует, что идеализированный p-n- переход имеет вентильные свойства.