Контакт вырожденных полупроводников

Вырожденными полупроводниками называют полупроводники, уровень Ферми в которых находится либо за пределами запрещенной зоны, либо внутри ее на расстоянии, не превышающем (2–3) кТ, что имеет место при концентрации примеси порядка 10¹⁹–10²⁰ см^-3. При столь высокой концентрации примеси происходит расщепление примесных уровней и образование примесных зон, которые сливаются с зоной проводимости в электронном полупроводнике и с валентной зоной в дырочном полупроводнике. При осуществлении контакта вырожденных полупроводников с различным типом электропроводности возникают такие же процессы, что и при осуществлении контакта невырожденных полупроводников, приводящие к выравниванию уровней Ферми и образованию электронно-дырочного перехода, характеризующегося высоким энергетическим барьером и малой шириной перехода D₀, при этом напряженность поля в переходе превышает 10⁶ В/см. (рис.10.1,а.). Энергетическая диаграмма контакта вырожденных полупроводников отличается от энергетической диаграммы обычного p-n-перехода перекрытием зоны проводимости электронного полупроводника с валентной зоной дырочного полупроводника (Е_vp>Е_cn), что приводит к вероятности возникновения туннельных переходов.

_Рис.10.1

Туннельные переходы не связаны с преодолением энергетического барьера. Для их осуществления необходимо, чтобы занятым энергетическим уровням в одной зоне противостояли свободные энергетические уровни в другой. Если сделать допущение, что все энергетические уровни, расположенные ниже уровня Ферми, заняты электронами, а уровни, расположенные выше уровня Ферми, свободны, то при отсутствии внешнего напряжения туннельные переходы не происходят. Если к переходу приложить прямое напряжение, то правая часть энергетической диаграммы сместится вниз относительно левой, и занятым уровням зоны проводимости будут противостоять свободные уровни валентной зоны, в результате чего создадутся условия для туннельных переходов из n-области в p-область. По мере увеличения прямого напряжения будет возрастать поток 5 и, соответственно, прямой туннельный ток. Так будет продолжаться до тех пор, пока потолок валентной зоны E_vp дырочного полупроводника не совпадет с уровнем Ферми электронного полупроводника (E_vp =E_Fn). При этом поток 5 будет максимальным. Дальнейшее увеличение прямого напряжения будет смещать уровень E_vp ниже уровня E_Fn. При этом ширина области перекрытия зон, в пределах которой происходят туннельные переходы, будет уменьшаться. Поэтому будет уменьшаться поток 5 и прямой туннельный ток. Когда уровень E_vp окажется напротив уровня E_cn, туннельные переходы прекратятся. Наряду с туннельными переходами в структуре существуют обычные переходы через потенциальный барьер. По мере роста прямого напряжения барьер снижается, и потоки 1 и 3 возрастают. Прямой ток создается суммой потоков 1, 3 и 5, поэтому в области прямых напряжений вольтамперная характеристика имеет вид, показанный на рис. 10.1,б. На ней имеются пик и впадина. Чем больше концентрация примесей, тем больше отношение тока пика I_П к току впадины I_В. Практически это отношение лежит в пределах от 5 до 10. При подаче на p-n-переход обратного напряжения энергетический барьер в переходе возрастает, правая часть диаграммы сдвигается вверх относительно левой, и возникают обратные туннельные переходы (поток 6) с энергетических уровней валентной зоны на свободные уровни зоны проводимости, что ведет к возрастанию обратного тока.