Інші види електричних переходів

Крім електронно-діркового переходу, для виготовлення напівпрвідникових приладів використовують електричні переходи, які виникають при утворенні контактів різних напівпровідників та напівпровідників і металів.

Eлектричний перехід, утворений між двома областями кристалу напівпровідника, виготовлених з різних напівпровідникових матеріалів (одна з них, наприклад, з кремнію, а інша - з германію) називають гетеропереходом. Ці області можуть мати різний тип електропровідності (n і p) та однаковий (n або p). Останні переходи виготовляють несиметричними.

Оскільки гетеропереходи виготовляють з різних напівпровідників, то його області характеризуватимуться різними ширинами заборонених зон. Одна з областей таких переходів має більшу ширшу заборонену зону, інша – меншу. В результаті їх енергетична діаграма, сусідні області якого мають з різний тип електропровідності (рис 15, a), в якого ширина забороненої зони p-області вужча, ніж ширина забороненої зони n-області (рис. 15, б), характеризуватиметься розривами енергетичних рівнів у валентній зоні та зоні провідності та різними висотами потенціальних бар’єрів для електронів та дірок. Потенціальний бар’єр для електронів в зоні првідності DW_кп є менший, ніж для дірок DW_кр у валентній зоні. При поданні на такий перехід прямої напруги потенціальний бар”єр для електронів зменшиться і електрони з n-області будуть інжектуватися в p-область. Потенціальній бар”єр для дірок також зменшиться, однак залишиться достатньо великим, щоб інтекції дірок з p-області в n-область практично не було. Цприводить до того, що інтекція носіїв зарядів проходить тільки в одну з областей pn-переходу і, відповідно дифузійна ємність такого переходу буде значно меншою, ніж для звичайного p-n-переходу.

Рис. 15. Структура (а) та енергетична діаграма (б) гетеропереходу

В гетеропереходах, виготовлених лише з напівпровідників однакової електропровідності (n-n чи p-p) інжектовані носії заряду в сусідніх областях будуть також основними і накопичення неосновних носіїв заряду в таких переходах відсутнє. В результаті ємність такого переходу при прямому вмиканні визначатиметься лише бар”єрною ємністю. А при раптових перимиканнях такого переходу з прямого вмикання на зворотнє відносно повільне роземонтування накопичених неосновних носіїв зарядів, як це має місце в звичайних pn-переходах, і час перемикання буде суттєво зменшений.

Електричний перехід, утворений між металом і напівпровідником називається перехід метал-напівпровідник або бар”єр Шоткі. Утворення таких переходів залежить від співвідношення робіт виходу електродів з металу і напівпрвідника.

Утворення таких переходів залежить від співвідношення робіт виходу електронів з металу і напівпровідника. Нагадаємо, що під роботою виходу електронів з твердрго тіла розуміють енергію, яку необхідно надати електрону, щоб він покинув тверде тіло. Значення цієїї енергії відраховують від енергетичного рівня Фермі Wf. В результаті, чим вище знаходиться рівень Фермі в твердих тілах, тим менша робота виходу електронів і вони легше покидають тверде тіло. Якщо рівень Фермі в металі є вищім, ніж напівпровіднику, то робота виходу електронів з металу є меншою, ніж з напівпровідника, і при утворенні контакту електрони з металу переходитимуть в напівпровідник. Якщо рівень Фермі в напівпровіднику вищий ніж в металі, то процеси переходу електронів відбуватимуться навпаки.

При утворені контакту металу з напівпровідником n-типу (рис.3.14,а), рівень Фермі в якому є вищим ніж в металі, частина електронів з приграничного шару напівпровідника перейде в метал. В результаті метал зарядиться від”ємно, а в приграничній зоні напівпровідника утвориться шар додатніх нескомпенсованих іонів і між ними подібно як у звичайному pn-переході, виникне контактна різниця потенціалів (утвориться потенціальний бар”єр), тобто утвориться електричний перехід з властивостями, подібними до властивостей звичайного pn-переходу.

Якщо ж рівень Фермі металу буде вищим ніж рівень Фермі напівпровідника n-типу, то, внаслідок того, що робота виходу з металу є меншою, електрони переходитимутьз металу в нвпівпрвідник (рис.3.14, б).В результаті приграничний шар напівпровідника збагачуватиметься основнми носіями зарядів, концентрація електронів в ньому зростатиме, а опір зменшуватися. Такий контакт не матиме властивостей вище розглянутих переходів і використовується для утворення звичайних контактів між напівпровідниками та їх металічними виводами.

Рис. 16. Контакт метал-напівпровідника (а-рівень Фермі металу менший від рівняння Фермі напівпровідника; б- рівень Фермі металу більший ніж в напівпровіднику)

При контактуванні металу з напівпровідником p-типу бар”єр Шоткі утворюватиметься, якщо рівень Фермі металу є більший від рівня Фермі напівпрвідника, а звичайний контакт - при умові, коли співвідношення між рівнями Фермі буде навпаки.

Важливою особливістю бар”єрів Шоткі в порівнянні із звичайними pn-переходами є те, що в них значно менші прямі напруги та відсутня інтекція неосновних носіїв зарядів. Наприклад, при прямому вмиканні переходу метал-напівпровідників n-типу інтектовані електрони з металу n-область (рис.3.14, а) стають в цій області основними. Тому в таких переходах відсутня дифузійна ємність, пов”язана з накопиченням та розсмоктуванням неосновних носіїв заряду, а, отже, суттєво зменшується час перемикання переходу з прямого напряму на зворотній та кращі частотні властивості.