Контакт полупроводников с разным типом проводимости

1. Получение p-n перехода. Во второй половине ХХ века интенсивно развивалась твердотельная электроника. Громоздкие электровакуумные лампы заменились малогабаритными полупроводниковыми устройствами. Основным элементом полупроводниковых приборов является p-n – переход, обладающий уникальными свойствами. Он представляет собой тонкий слой на границе между двумя примесными полупроводниками.

Получить p-n – переход прямым соприкосновением двух полупроводников практически невозможно. Как бы тщательно ни были очищены их поверхности, они всегда содержат много примесей и загрязнений, ухудшающих свойства полупроводников. Поэтому задача решается путем введения в один и тот же кристалл с определенным типом проводимости противоположной примеси.

Например в монокристалл четырехвалентного германия с донорной примесью, создающей в кристалле германия Ge проводимость n – типа, в вакууме при температуре около 1000°С вплавляют кусочек трехвалентного индия In. Атомы индия диффундируют в германий на некоторую глубину. В той области кристалла, куда проникают атомы индия, проводимость становится дырочной (p – типа). На границе этой области возникает p-n – переход. По мере перемещения вглубь кристалла концентрация индия постепенно уменьшается. Тот слой, где концентрация акцепторной примеси индия сравняется с концентрацией донорной примеси в монокристалле, и есть собственно p-n – переход. Такие переходы называют плавными. Резкие p-n – переходы получают путем осаждения на кристалл полупроводника, допустим n – типа, полупроводника p – типа из газовой фазы. Для этого над кристаллом пропускают при температуре 1200^оС такую газовую смесь, чтобы на кристалл осаждался полупроводник с нужным типом проводимости.

2. Равновесные состояния p-n – перехода. Предположим мысленно, что сразу же после образования p- и n- областей мы их разделили, не допустив перетекания зарядов из одной области в другую. Возникает ситуация, показанная на рис.117. Обе области электрически нейтральны, их нулевые уровни совпадают. Уровень Ферми в p–области выше примесных уровней, а в n–области – ниже. В общем случае уровни Ферми не совпадают, в n–области уровень Ферми выше.

Однако в реальности после образования p-n – слоя начинается диффузия основных носителей из одной области в другую. Для n–области основными носителями являются электроны, для p–области – дырки. Основные носители возникают почти целиком вследствие ионизации донорных и акцепторных примесей. При температурах Т ³ 250 К эти примеси ионизированы практически полностью. Поэтому концентрация электронов в n–области равна концентрации донорных атомов, а концентрация дырок в p–области – концентрации акцепторных атомов.

Концентрация неосновных носителей примерно в 10⁶ раз меньше концентрации основных в обеих областях (). В результате в контактирующих областях полупроводника возникают диффузионные потоки электронов проводимости из п-области в р-область и дырок из p–области в n–область. Электроны перемещающиеся в p–область, рекомбинируют вблизи границы раздела с дырками, а дырки в n–области рекомбинируют с электронами проводимости. Поэтому в приконтактном слое n–области практически не остается свободных электронов и в нем формируется неподвижный положительный заряд ионизированных доноров.

В приконтактном слое p–области практически не остается дырок, и в нем формируется отрицательный заряд ионизированных акцепторов. Эти неподвижные электрические заряды создают в p-n – переходе контактное электрическое поле с разностью потенциалов j_к и практически не выходящее за его пределы.

Эта ситуация иллюстрируется рис.118, где наверху показаны объемные заряды в контактных областях, а внизу - энергетические зоны. Поскольку p–область зарядилась отрицательным зарядом, энергия электронов в ней увеличилась. В результате энергетическая диаграмма в p–области поднимается, в n–области опускается. В p-n слое она наклонена так, что уровни Ферми в разных областях совпадают.

Если в слой объемных зарядов влетает неосновной носитель (электрон из p–области или дырка из n–области), то контактное поле подхватывает его и перебрасывает через этот слой. В результате каждый неосновной носитель, налетающий на p-n – переход, проходит через него.

Наоборот, основные носители тока (электрон из n–области или дырка из p–области) могут перелетать через слой объемных зарядов лишь в том случае, если кинетическая энергия их движения вдоль оси Х достаточна для преодоления контактной разности потенциалов, то есть если она больше |ej_к|. Поэтому, как только образуются объемные заряды у границы областей, поток основных носителей, пересекающих эту границу, уменьшается. Когда поток основных носителей сравняется с потоком неосновных носителей, устанавливается динамическое равновесие.

3. Прямое включение p-n – перехода в электрическую цепь. Подключим к p-n – переходу источник тока, присоединив к p–области «плюс», а n–области – «минус» (рис.119 вверху). Полагаем, что источник тока способен создавать на омических шинах напряжение j ₀. Дополнительное электрическое поле, создаваемое источником тока, вызывает приток основных носителей в область объемного заряда p-n – перехода. В p–области в направлении от омической шины к p-n – переходу движутся дырки. Они рекомбинируют с электронами отрицательных ионов акцепторной примеси. В n–области в направлении к p-n – переходу движутся электроны проводимости, которые рекомбинируют с положительными ионами донорной примеси.

В результате объемный заряд на p-n – переходе уменьшается по сравнению с равновесным состоянием. Становится меньше и высота потенциального барьера. Этот процесс продолжается до тех пор, пока контактная разность потенциалов на p-n – переходе не уменьшится до значения j_к – j ₀.

На рис.119 внизу данная ситуация показана на энергетической зонной диаграмме. Штриховые линии соответствуют равновесному состоянию p-n – перехода.

Электроны в зоне проводимости полупроводника ведут себя как тяжелые предметы, скользящие по дну зоны проводимости. Уменьшение высоты потенциального барьера резко увеличивает долю тех электронов в n–области, кинетическая энергия которых в направлении движения к потенциальному барьеру достаточна для преодоления этого барьера.

Дырки в валентной зоне ведут себя как пузырьки воздуха подо льдом. Чем меньше высота барьера, тем большая доля дырок способна «поднырнуть» под него (на рис.119 внизу слева направо). В результате с уменьшением высоты потенциального барьера резко увеличивается диффузионный поток через p-n – переход электронов проводимости из n–области и дырок из p–области. Ток основных носителей i_осн подскакивает по сравнению с равновесным на несколько порядков.

4. Обратное включение p-n – перехода показано на рис.120 вверху. «Плюс» источника тока присоединяется к омической шине n–области, а «минус» присоединяется к омической шине p–области. Возникающий в электрическом поле источника тока дрейф основных носителей направлен от p-n – перехода к омическим шинам. При этом обнажаются новые слои ионизированных доноров и акцепторов, увеличивая тем самым область объемного связанного заряда.

Протекание электронов и дырок к омическим контактам происходит до тех пор, пока они практически полностью не скомпенсируют заряды, созданные внешним источником ЭДС. После этого все приложенное напряжение j ₀ падает на p-n – переходе, сопротивление которого на много порядков больше сопротивления p- и n-областей. Потенциальный барьер p-n – перехода возрастает практически до величины e(j_к + j ₀). Это резко снижает ток основных носителей i_осн, делая его меньше равновесного. Ток неосновных носителей i_неосн зависит лишь от их концентрации и потому меняется незначительно (рис.120 внизу).

Итак, p-n – переход можно рассматривать как нелинейный проводник, сопротивление которого зависит лишь от знака приложенного напряжения. Односторонняя проводимость p-n – перехода используется не только в полупроводниковых диодах. Свойства p-n – переходов оказались настолько плодотворными, что позволили создать на их основе серию электронных полупроводниковых приборов, в число которых помимо диодов входят транзисторы, тиристоры и др. Во второй половине XX века происходит быстрый переход от ламповой к твердотельной электронике.

5. Полупроводниковые диоды – нелинейные проводники. Их два электрода называют анод (+) и катод (-). Диоды имеют резко несимметричную вольтамперную характеристику (рис.121). Это позволяет использовать их для выпрямления переменных токов.

Если к первичной обмотке трансформатора приложено переменное синусоидальное напряжение, то во вторичной обмотке, замкнутой на омический резистор R, протекает синусоидальный переменный ток той же частоты, , где j ₀ – сдвиг по фазе (рис.122-а). Если в разрыв вторичной цепи включить полупроводниковый диод, то через резистор R в течение одной половины периода будет протекать пульсирующий однонаправленный ток. Получается схема однополупериодного выпрямителя (рис.122-б).

Для двухполупериодного выпрямления нужно как минимум два диода и вывод средней точки вторичной обмотки трансформатора (рис.122-в). Соединив четыре диода по схеме выпрямительного моста, можно обойтись без средней точки (рис.122-г).

6. Транзисторы. С помощью p-n – переходов можно не только выпрямлять, но и усиливать электрические токи. Для этой цели служат транзисторы – полупроводниковые устройства, имеющие три электрода (эмиттер, коллектор, база). Рассмотрим принцип действия транзистора на примере его включения по схеме с общей базой (рис.123).

Левый на рисунке p-n – переход 1 работает в прямом направлении. Правый p-n – переход 2 работает в запорном направлении. Расстояние в транзисторе между переходами 1 и 2 (ширина базы) не превышает нескольких десятков мкм. Ток в цепи база-коллектор определяется неосновными носителями и сильно зависит от концентрации этих носителей. В n–области неосновными носителями являются дырки.

Если в цепи эмиттер-база идет ток, то дырки из p–области, где они являются основными носителями, в большом количестве движутся через переход 1 в область базы. В результате концентрация дырок в n–области базы резко возрастает. Говорят, происходит инжекция дырок. Т.к. ширина базы очень мала, то диффундирующие через переход 1 дырки в большом количестве доходят до перехода 2. Концентрация неосновных носителей в n–области возле перехода 2 существенно увеличивается, поэтому и увеличивается ток в цепи коллектора.

Напряжение U₂ в цепи коллектора много больше напряжения U₁ в цепи эмиттера U₂>>U₁. Поэтому выделяющаяся на сопротивлении R мощность оказывается больше мощности, расходуемой в цепи эмиттера. Усиление по мощности в современных транзисторах колеблется от нескольких десятков до десятков тысяч раз.

7. Термоэлектрические эффекты Зеебека и Пельтье выражены в полупроводниках много сильнее чем в металлах (см. §14). Особенно, если контакты образуют полупроводники с разным типом проводимости. Дифференциальная термо-ЭДС в полупроводниках примерно в 1000 раз больше, чем в металлах. Это позволяет создавать полупроводниковые термоэлектрические генераторы и холодильники.

Теорию термоэлектрогенераторов разработал в начале 40-х годов XX века Абрам Иоффе. Первые термогенераторы в СССР были построены в начале Великой Отечественной войны и использовались для питания радиостанций в партизанских отрядах. В середине 70-х годов появились термогенераторы мощностью 150–200 Вт для питания аппаратуры метеорологических станций и космических аппаратов. Источником энергии в них был радиоактивный изотоп церия ¹⁴⁴Се.

Максимальный КПД термоэлектрогенераторов, достигнутый к настоящему времени, составляет 15% и вряд ли превысит 20%. Полупроводниковые термоэлектрогенераторы дороги, поэтому промышленное получение на их основе электрической энергии в ближайшем будущем маловероятно, если не будут созданы дешёвые материалы, сочетающие высокую электропроводность с низкой теплопроводностью.

Полупроводниковые холодильники, построенные на основе эффекта Пельтье, используются чаще всего для охлаждения элементов радиоэлектронных цепей.

8. Фотогальванический эффект. При освещении p-n – перехода и прилегающих к нему областей светом, способным вызвать генерацию электронно-дырочных пар, через p-n – переход возникает ток зарядов, изменяющий его состояние по сравнению с равновесным.

Допустим, на p–область падает свет, как показано на рис.124 вверху. Чтобы фотоны поглощались вблизи p-n – перехода, толщина р–области должна быть малой и не превышать 1–2 мкм. Если энергия фотонов hn больше ширины запрещенной зоны, hn ³ E_g, то при поглощении фотона электроном в валентной зоне любой области электрон переходит в зону проводимости. (Полагаем, что акцепторные и донорные примесные уровни в p- и n-областях уже полностью ионизированы). Появляется пара носителей – электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне.

Увеличение числа основных носителей (дырки в p–области и электроны в n–области) по существу ничего не меняет, поскольку их относительный прирост мал. А увеличение числа неосновных носителей (дырки в n–областии электроны в p–области) очень существенно. Поскольку ток через p-n – переход неосновных носителей зависит лишь от их концентрации, то при освещении p-n – перехода светом возникает фотогальванический эффект – появление тока неосновных носителей, приблизительно пропорционального световому потоку Ф.

Неосновные носители захватываются контактным полем и уходят из p- и n-областей. Основные носители остаются. В результате по разные стороны p-n – перехода постепенно накапливаются заряды свободных носителей – дырок в p – области и электронов в n – области, p – область заряжается положительно, n – область – отрицательно.

Поле этих свободных зарядов противоположно контактному полю и ослабляет его. Связанный в области p-n – перехода заряд ионизированной примеси уменьшается, высота потенциального барьера становится меньше (рис.124 внизу). В результате диффузия основных носителей растет. Постепенно устанавливается такое динамическое равновесие, когда при данном световом потоке Ф пропорциональный ему ток неосновных носителей i_неосн станет равным противоположному току основных носителей, i_неосн = i_осн. Высота потенциального барьера принимает значение e(j_к + j_ф), где j_Ф – фото-ЭДС p-n – перехода.

Фотогальванический эффект может использоваться в режиме фотоэлемента или в режиме фотодиода.

а. Фотоэлемент. Для использования p-n – перехода в режиме фотоэлемента (в вентильном режиме) достаточно соединить p- и n–области омической перемычкой с нагрузочным сопротивлением R. При освещении фотоэлемента по сопротивлению R потечет фототок свободных электрических зарядов. Поэтому в режиме фотоэлемента p-n – переход позволяет напрямую превращать энергию света в электрическую. Схема устройства фотоэлемента показана на рис.125. На тонкую p–область (»1 мкм) напыляется еще более тонкий металлический слой из серебра или золота, играющий роль омической шины. Чтобы эта металлическая пленка достаточно хорошо пропускала свет, ее толщина должна быть много меньше длины волны света l. Обычно это несколько десятков атомных слоев.

Второй омической шиной является металлическая пластина, играющая одновременно роль механической несущей основы всей конструкции фотоэлемента. Из отдельных фотоэлементов собирают солнечные батареи, использующиеся для питания космической аппаратуры и в наземных энергетических установках.

В настоящее время солнечные батареи делают в основном из кремния Si и арсенида галлия GaAs. Достигнутый КПД h » 20% близок к теоретически возможному.

б. Фотодиод. Чтобы использовать p-n – переход в режиме фотодиода, на него подается напряжение j ₀ от источника тока в запорном направлении (рис.126 слева). Если фотодиод не освещен, то по нему протекает очень малый темновой ток неосновных носителей. Напряжение U на резисторе R практически равно нулю. Когда на фотодиод направляется световой поток Ф, концентрация неосновных носителей и их ток возрастает пропорционально потоку Ф. На резисторе R возникает напряжение U (рис.126 справа), которое можно использовать как сигнал в цепях связи или управления.

9. Светодиод. При пропускании прямого тока концентрация неосновных носителей в области p-n – перехода повышается. К инжектированным неосновным носителям подтягиваются основные носители. В результате в области p-n – перехода развивается процесс рекомбинации избыточных над равновесным состоянием носителей.

Если часть актов рекомбинации происходит с излучением света и если этот свет может выйти наружу, то получается светоизлучающий диод – светодиод.

Эти два условия при конструировании светодиодов являются определяющими. Первая задача - увеличение роли светоизлучающих актов рекомбинации – решается путем уменьшения доли безизлучательных переходов. Для этого полупроводник должен быть до высокой степени очищен от безизлучательных примесных центров, что является довольно трудным делом. Второе условие - выход излучения наружу также представляет собой сложную задачу. Дело в том, что показатель преломления света у полупроводников велик, у арсенида галлия, например, n =3,45. Поэтому угол полного внутреннего отраженияу полупроводников очень мал, . Лишь »2% испускаемого излучения падает на плоскую поверхность полупроводника под углами, меньшими b_пред, испытав лишь частичное отражение от границы раздела проводник-воздух.

Средняя мощность излучения светодиодов в непрерывном режиме составляет 3¸5 мВт. Увеличить ее за счет повышения прямого тока не удается из-за нагрева p-n – перехода, резко снижающего внутреннюю эффективность.

Светодиоды широко применяются в современной электронике. В сочетании с фотоприемниками они образуют оптронные пары, используемые для развязки и усиления сигналов в оптронных логических элементах. Быстродействие светодиодов достигает »10^-9 с. Используются светодиоды и в качестве малогабаритных световых индикаторов. Выбирая полупроводники с различной шириной запрещенной зоны, удается делать светодиоды с различными цветами свечения.

10. Полупроводниковые лазеры. Наиболее широко применяются сейчас полупроводниковые инжекторные лазеры на арсениде галлия GaAs. Инверсия населенности уровней в них достигается инжекцией основных носителей через p-n – переход.

На рис.127-а показан равновесный p-n – переход между двумя вырожденными областями полупроводника. Вырожденными называются области с совпадающими энергетическими уровнями. В результате одному значению энергии могут соответствовать два и более электронов. Уровень Ферми Е_Ф в p–области находится ниже потолка валентной зоны Е_в, а в n–области – выше дна зоны проводимости Е_п. В результате потолок валентной зоны до отказа заполнен дырками в p–области, а дно зоны проводимости в n–области – электронами (рис.127-в).

Если к такому p-n – переходу приложить прямое напряжение j (к p – области «плюс», к n – области «минус»), резко снижающее потенциальный барьер, то в нем появляется область А с инверсным заполнением зон (рис.127-б). Над насыщенным дырками потолком валентной зоны располагается до отказа заполненное электронами дно зоны проводимости. Спонтанная излучательная рекомбинация электронно-дырочных пар вызывает в этих условиях индуцированное излучение.

Схема устройства полупроводникового лазера показана на рис.128 слева. Монокристалл с p-n – переходом имеет форму пирамиды. Две противоположные ее грани делают строго параллельными друг другу и перпендикулярными плоскости p-n – перехода. Эти грани выполняют роль оптического резонатора, заставляющего стимулированное излучение, возникающее в плоскости p-n – перехода, проходить через него многократно. Две другие грани остаются грубо обработанными и непрозрачными для света.

Коэффициент отражения света от граней кристалла при n = 3,45 составляет от 30 до 35% при углах падения, близких к нормальному. Кроме того, световая волна, распространяясь вдоль p-n – перехода, поглощается пассивными областями диода. Поэтому для возникновения генерации надо создать такую инверсию заселенности зон, которая бы перекрывала все потери света.

Ток I_пор, при котором выполняется это условие и возникает генерация, называют пороговым. До порогового тока лазер работает как обычный светодиод. Он испускает спонтанное излучение с равномерной плотностью по всем направлениям. Поэтому из светодиода выходит около 2% света, возникающего в результате излучательной рекомбинации.

При переходе к режиму генерации почти все излучения концентрируются в плоскости p-n – перехода, распространяясь перпендикулярно оптическим окнам кристалла. Отношение вероятности излучательной рекомбинации к вероятности безизлучательной увеличивается. В результате при I > I_пор происходит резкий рост светового потока Ф (рис.128 справа).

Важным недостатком полупроводниковых лазеров является сильная зависимость их параметров от температуры. Из-за значительного прямого тока светодиод разогревается, ширина запрещенной зоны, как правило, уменьшается, поэтому максимум излучения смещается в сторону длинных волн. Это ухудшает условия оптического резонанса.

Более того, с ростом температуры быстро растет пороговый ток I_пор, так как при неизменном токе инжекции распределение носителей тока по энергиям с ростом температуры становится более размытым. Заполнение электронами и дырками энергетических состояний становится более рыхлыми. В результате мощность излучения с ростом температуры лазера падает. Поэтому проблема отвода тепла от p-n – перехода для полупроводниковых лазеров имеет первостепенное значение.

11. Микроэлектроника. Развитие технологии полупроводниковых приборов – диодов, транзисторов и др. – шло не только в направлении улучшения их функциональных характеристик, но и в направлении уменьшения их размеров. На одном кристалле удавалось разместить вначале десятки, а затем сотни и тысячи полупроводниковых устройств. Одновременно развивалась технология формирования в таких блоках и классических элементов – конденсаторов, резисторов, катушек индуктивности. В результате в конце 60-х годов ХХ в. появляется микроэлектроника.

Основная практическая продукция микроэлектроники – интегральные схемы (ИС), которые служат элементами ЭВМ, средств автоматизации управления и связи. Все приборы и линии связи между ними формируются в едином технологическом процессе на общей подложке. Для обобщенной характеристики интегральных схем используются три величины. Степень интеграции N равна числу элементов в микросхеме. При N < 10 схема называется малой интегральной схемой (МИС), при 10 ≤ N < 100 – средней (СИС), при 100 ≤ N < 1000 – большой (БИС) и при N > 1000 – сверхбольшой (СБИС). Степень интеграции N постоянно растет и в настоящее время приближается к 10⁸. Вторая величина - средние линейные размеры элементов микросхем - в настоящее время составляет величину порядка 0,1 мкм и имеет тенденцию к дальнейшему уменьшению. Третья величина - рабочие частоты импульсных схем. Они составляют несколько миллиардов герц.

Разрабатывают и изготовляют интегральные схемы ЭВТ с помощью ЭВМ. В целом, технология производства современных интегральных схем достаточно сложная и дорогая, требующая высокой культуры производства. При изготовлении ИС используют 3 технологии. В полупроводниковой делают активные элементы (p-n-переходы) в объёме монокристалла. В плёночной делают пассивные элементы – резисторы, конденсаторы, напыляя на подложку в вакууме слои металла (Cr) и диэлектрика (SiO₂). В гибридной сочетаются полупроводниковая и пленочная технологии.

глава 3. Физика атомного ядра