На тему: «Электрические переходы». Содержание

Московский Авиационный Институт

(национальный исследовательский университет)

Филиал «Стрела»

Реферат по электронике

На тему: «Электрические переходы»

Работу выполнила: Гречушникова Е.С.

Группа СО-205С

Работу принял: Соколов Л.В.

Содержание

	Введение………………………………………………………………………
1.	Электронно-дырочный переход……………………………………………..
	1.1.	Образование электронно-дырочного перехода…………………….
		1.1.1.	Основные и неосновные носители………………………….
		1.1.2.	Потенциальный барьер………………………………….......
	1.2.	Вентильные свойства p-n-перехода…………………………………
		1.2.1.	Инжекция носителей…………………………………………
		1.2.2.	Экстракция……………………………………………………
	1.3.	Вольт-амперная характеристика p-n-перехода……………………..
	1.4.	Виды пробоев p-n-перехода…………………………………………
		1.4.1.	Лавинный пробой…………………………………………….
		1.4.2.	Туннельный пробой………………………………………….
		1.4.3.	Тепловой пробой……………………………………………..
		1.4.4.	Поверхностный пробой……………………………………...
	1.5.	Емкость р-n-перехода………………………………………………..
		1.5.1.	Барьерная (зарядная) емкость……………………………….
		1.5.2.	Диффузионная емкость……………………………………...
2.	Контакт «металл – полупроводник»………………………………………...
	2.1.	Переход Шоттки……………………………………………………..
	2.2.	Типы электропроводности…………………………………………..
	2.3.	Особенность контакта «металл – полупроводник»………………..
3.	Контакт между полупроводниками одного типа проводимости………….
4.	Гетеропереходы………………………………………………………………
	Вывод…………………………..……………………………………………...
	Используемые ссылки………………………………………………………..

Электрические переходы

Электрическим переходом в полупроводнике называется переходный слой между областями твердого тела с различными типами электропроводности (n-полупроводник, р-полупроводник, металл, диэлектрик) или обла­стей с одинаковым типом электропроводности, но с различными значениями удельной проводимости.

Различают следующие виды электрических переходов:

1. электронно-дырочный или p-n-переход – переход между двумя областями полупроводника, имеющие разный тип электропроводности;

2. переходы между двумя областями, если одна из них является металлом, а другая полупроводником p- или n-типа (переход металл – полупроводник);

3. переходы между двумя областями с одним типом электропроводности, отличающиеся значением концентрации примесей;

4. переходы между двумя полупроводниковыми материалами с различной шириной запрещенной зоны (гетеропереходы).

1. Электронно-дырочный переход

Работа целого ряда полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, тиристоров и др.) основана на явлениях, возникающих в контакте между полупроводниками с разными типами проводимости, либо в точечном контакте полупроводника с металлом. Граница между двумя областями монокристалла полупроводника, одна из которых имеет электропроводность типа p, а другая – типа n называется электронно-дырочным переходом. Концентрации основных носителей заряда в областях p и n могут быть равными или существенно отличаться.

p-n-переход, у которого концентрации дырок и электронов практически равны ≈ , называют симметричным. Если концентрации основных носителей заряда различны ( >> или << ) и отличаются в 100...1000 раз, то такие переходы называют несимметричными.

1.1. Образование электронно-дырочного перехода

1.1.1. Основные и неосновные носители

На рис. 1.1 представлен монокристалл полупроводника в котором с одной стороны введена акцепторная примесь, обусловившая возникновение электропроводности типа p, а с другой стороны введена донорная примесь, в которой возникла электропроводность типа n. Каждому подвижному положительному носителю заряда в области p (дырке) соответствует отрицательно заряженный ион акцепторной примеси, но неподвижный, находящийся в узле кристаллической решетки, а в области n каждому свободному электрону соответствует положительно заряженный ион донорной примеси, в результате чего весь монокристалл остается электрически нейтральным.

Рис. 1.1. Начальный момент образования p-n -перехода

Свободные носители электрических зарядов под действием градиента концентрации начинают перемещаться из мест с большой концентрацией в места с меньшей концентрацией. Так дырки будут диффундировать из области p в область n, а электроны – из области n в область p. Это направленное навстречу друг другу перемещение электрических зарядов образует диффузионный ток p-n-перехода. Но как только дырка из области p перейдет в область n, она оказывается в окружении электронов, являющихся основными носителями электрических зарядов в области n. Поэтому, если какой-либо электрон заполнит свободный уровень в дырке, то произойдет явление рекомбинации, в результате чего останется электрически нейтральный атом полупроводника. Но так как положительный электрический заряд каждой дырки компенсировался отрицательным зарядом иона акцепторной примеси в области p, а заряд электрона – положительным зарядом иона донорной примеси в области n, то после рекомбинации дырки и электрона электрические заряды неподвижных ионов примесей остались не скомпенсированными. И не скомпенсированные заряды ионов примесей проявляют себя вблизи границы раздела (рис. 1.2), где образуется слой пространственных зарядов, разделенных узким промежутком δ. Между этими зарядами возникает электрическое поле, которое называется полем потенциального барьера, а разность потенциалов на границе раздела двух зон - контактная разность потенциалов Δ .

Рис. 1.2. p-n -переход при отсутствии внешнего напряжения

Поле потенциального барьера начинает действовать на подвижные носители электрических зарядов. Так дырки в области p – основные носители, попадая в зону действия этого поля, испытывают со стороны него тормозящее, отталкивающее действие и, перемещаясь вдоль силовых линий этого поля, будут вытолкнуты вглубь области p. Аналогично, электроны из области n, попадая в зону действия поля потенциального барьера, будут вытолкнуты им вглубь области n. Таким образом, в узкой области δ, где действует поле потенциального барьера, образуется слой (запирающий слой), который обладает высоким сопротивлением, так как в нем практически отсутствуют свободные носители электрических зарядов.

Если в области p вблизи границы раздела окажется свободный электрон, являющийся неосновным носителем для этой области, то он со стороны электрического поля потенциального барьера будет испытывать ускоряющее воздействие, поэтому будет переброшен через границу раздела в область n, где он будет являться основным носителем. Аналогично, если в области n появится неосновной носитель – дырка, то под действием поля потенциального барьера она будет переброшена в область p, где она будет уже основным носителем. Движение неосновных носителей через p-n-переход под действием электрического поля потенциального барьера является составляющей дрейфового тока.

При отсутствии внешнего электрического поля устанавливается динамическое равновесие между потоками основных и неосновных носителей электрических зарядов, так как эти составляющие направлены навстречу друг другу.

1.1.2. Потенциальный барьер

На рис. 1.2 изображена потенциальная диаграмма p-n-перехода, на которой за нулевой потенциал принят потенциал на границе раздела областей. Контактная разность потенциалов образует на границе раздела потенциальный барьер с высотой Δ . На рисунке показан потенциальный барьер для электронов, стремящихся за счет диффузии перемещаться из области n в область p. Если отложить вверх положительный потенциал, то получиться изображение потенциального барьера для дырок, диффундирующих из области p в область n.

При отсутствии внешнего электрического поля и при условии динамического равновесия в кристалле полупроводника устанавливается единый уровень Ферми для обеих областей проводимости.

Но, так как в полупроводниках p-типа уровень Ферми смещается к потолку валентной зоны ., а в полупроводниках n-типа – ко дну зоны проводимости , то на ширине p-n-перехода δ диаграмма энергетических зон (рис. 1.4) искривляется и образуется потенциальный барьер:

(1.1)

где – энергетический барьер.

Высота потенциального барьера зависит от концентрации примесей, так как при ее изменении изменяется уровень Ферми, смещаясь от середины запрещенной зоны к верхней или нижней ее границе.

Рис. 1.3. Зонная диаграмма p-n -перехода, иллюстрирующая баланс токов в равновесном состоянии

1.2. Вентильные свойства p-n-перехода

p-n-переход, обладает свойством изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от направления, протекающего через него тока. Это свойство называется вентильным, а прибор, обладающий таким свойством, называется электрическим вентилем.

На рис. 1.4 показан p-n-переход, к которому подключен внешний источник напряжения с полярностью «+» к области p-типа и «–» к области n-типа. Такое подключение называют прямым включением p-n-перехода (или прямым смещением p-n-перехода). Тогда напряженность электрического поля внешнего источника будет направлена навстречу напряженности поля потенциального барьера и приведет к снижению результирующей напряженности

(1.2)

Это приведет к снижению высоты потенциального барьера и увеличению количества основных носителей, диффундирующих через границу раздела в соседнюю область, которые образуют прямой ток p-n-перехода. Вследствие уменьшения тормозящего, отталкивающего действия поля потенциального барьера на основные носители, ширина запирающего слоя уменьшается и соответственно уменьшается его сопротивление.

Рис. 1.4. Прямое смещение p-n -перехода

По мере увеличения внешнего напряжения прямой ток p-n-перехода возрастает. Основные носители после перехода границы раздела становятся неосновными в противоположной области полупроводника. Углубившись в область, неосновные носители рекомбинируют с основными носителями этой области, но, пока подключен внешний источник, ток через переход поддерживается непрерывным поступлением электронов из внешней цепи в n-область и уходом их из p-области во внешнюю цепь, благодаря чему восстанавливается концентрация дырок в p-области.

1.2.1. Инжекция носителей

Введение носителей заряда через p-n-переход при понижении высоты потенциального барьера в область полупроводника, где эти носители являются неосновными, называют инжекцией носителей заряда.

При протекании прямого тока из дырочной области р в электронную область n инжектируются дырки, а из электронной области, в дырочную – электроны.

Инжектирующий слой с относительно малым удельным сопротивлением называют эмиттером, слой в который происходит инжекция неосновных для него носителей заряда – базой.

На рис. 1.5 изображена зонная энергетическая диаграмма, соответствующая прямому смещению p-n-перехода.

Рис. 1.5. Зонная диаграмма прямого смещения p-n -перехода, иллюстрирующая дисбаланс токов

Если к р-n-переходу подключить внешний источник с противоположной полярностью «–» к области p-типа, «+» к области n-типа (рис. 1.6), то такое подключение называют обратным включением p-n-перехода (или обратным смещением p-n-перехода).

Рис. 1.6. Обратное смещение p-n -перехода

В данном случае напряженность электрического поля этого источника будет направлена в ту же сторону, что и напряженность электрического поля потенциального барьера; высота потенциального барьера возрастает, а ток диффузии основных носителей практически становится равным нулю. Из-за усиления тормозящего, отталкивающего действия суммарного электрического поля на основные носители заряда ширина запирающего слоя увеличивается , а его сопротивление резко возрастает.

1.2.2. Экстракция

Теперь через р-n-переход будет протекать очень маленький ток, обусловленный перебросом суммарным электрическим полем на границе раздела, неосновных носителей, возникающих под действием различных ионизирующих факторов, в основном теплового характера. Процесс переброса неосновных носителей заряда называется экстракцией. Этот ток имеет дрейфовую природу и называется обратным током р-n-перехода.

На рис. 1.7 изображена зонная энергетическая диаграмма, соответствующая обратному смещению p-n-перехода.

Рис. 1.7. Зонная диаграмма обратного смещения p-n -перехода, иллюстрирующая дисбаланс токов

1.3. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода

Вольт-амперная характеристика p-n-перехода – это зависимость тока через p-n-переход от величины приложенного к нему напряжения. Ее рассчитывают исходя из того, что все напряжение приложено к p-n-переходу. Общий ток через p-n-переход определяется суммой четырех слагаемых:

(1.3)

где – электронный ток дрейфа;

– дырочный ток дрейфа;

– электронный ток диффузии;

– дырочный ток диффузии;

– концентрация электронов, инжектированных в p- область;

– концентрация дырок, инжектированных в n- область.

При этом концентрации неосновных носителей и зависят от концентрации примесей и следующим образом:

где , – собственные концентрации носителей зарядов (без примеси) электронов и дырок соответственно.

Скорость диффузии носителей заряда является близкой к их скорости дрейфа в слабом электрическом поле. Это происходит при небольших отклонениях от условий равновесия. В таком случае для условий равновесия выполняются следующие равенства:

Тогда выражение (1.3) можно записать в виде:

(1.4)

Обратный ток можно выразить следующим образом:

где – коэффициент диффузии дырок или электронов; – диффузионная длина дырок или электронов. Так как параметры , , , очень сильно зависят от температуры, обратный ток иначе называют тепловым током.

При прямом напряжении внешнего источника ( экспоненциальный член в выражении (1.4) быстро возрастает, что приводит к быстрому росту прямого тока, который в основном определяется диффузионной составляющей.

При обратном напряжении внешнего источника ( экспоненциальный член много меньше единицы и ток p-n-перехода практически равен обратному току . Вид данной зависимости представлен на рис. 1.8. Первый квадрант соответствует участку прямой ветви вольт-амперной характеристики, а третий квадрант – обратной ветви. При увеличении прямого напряжения ток p-n-перехода в прямом направлении вначале возрастает относительно медленно, а затем начинается участок быстрого нарастания прямого тока, что приводит к дополнительному нагреванию полупроводниковой структуры. Если количество выделяемого при этом тепла будет превышать количество тепла, отводимого от полупроводникового кристалла либо естественным путем, либо с помощью специальных устройств охлаждения, то могут произойти в полупроводниковой структуре необратимые изменения вплоть до разрушения кристаллической решетки. Поэтому прямой ток p-n-перехода необходимо ограничивать на безопасном уровне, исключающем перегрев полупроводниковой структуры. Для этого необходимо использовать ограничительное сопротивление последовательно подключенное с p-n-переходом.

Рис. 1.8. Вольт-амперная характеристика p-n -перехода

При увеличении обратного напряжения, приложенного к p-n-переходу, обратный ток изменяется незначительно, так как дрейфовая составляющая тока, являющаяся превалирующей при обратном включении, зависит в основном от температуры кристалла, а увеличение обратного напряжения приводит лишь к увеличению скорости дрейфа неосновных носителей без изменения их количества. Такое положение будет сохраняться до величины обратного напряжения, при котором начинается интенсивный рост обратного тока – так называемый пробой p-n-перехода.

1.4. Виды пробоев p-n-перехода

Возможны обратимые и необратимые пробои. Обратимый пробой – это пробой, после которого p-n-переход сохраняет работоспособность. Необратимый пробой ведет к разрушению структуры полупроводника.

Существуют четыре типа пробоя: лавинный, туннельный, тепловой и поверхностный. Лавинный и туннельный пробои объединятся под названием – электрический пробой, который является обратимым. К необратимым относят тепловой и поверхностный.

1.4.1. Лавинный пробой

Лавинный пробой свойственен полупроводникам, со значительной толщиной p-n-перехода, образованных слаболегированными полупроводниками. При этом ширина обедненного слоя гораздо больше диффузионной длины носителей. Пробой происходит под действием сильного электрического поля с напряженностью, E»(8...12)* В лавинном пробое основная роль принадлежит неосновным носителям, образующимся под действием тепла в p-n-переходе.

Эти носители, испытывают со стороны электрического поля p-n-перехода ускоряющее действие и начинают ускоренно двигаться вдоль силовых линий этого поля. При определенной величине напряженности неосновные носители заряда на длине свободного пробега l могут разогнаться до такой скорости, что их кинетической энергии может оказаться достаточной, для того чтобы при очередном соударении с атомом полупроводника ионизировать его. То есть «выбить» один из его валентных электронов и перебросить его в зону проводимости, образовав при этом пару «электрон – дырка» (рис. 1.9). Образовавшиеся носители тоже начнут разгоняться в электрическом поле, сталкиваться с другими нейтральными атомами и процесс будет лавинообразно нарастать. При этом происходит резкий рост обратного тока при практически неизменном обратном напряжении.

Рис. 1.9. Схема, иллюстрирующая лавинный пробой в p-n -переходе:
а – распределение токов; б – зонная диаграмма, иллюстрирующая лавинное умножение при обратном смещении перехода

Параметром, характеризующим лавинный пробой, является коэффициент лавинного умножения М, определяемый как количество актов лавинного умножения в области сильного электрического поля. Величина обратного тока после лавинного умножения будет равна:

(1.5.)

где – начальный ток; – приложенное напряжение; – напряжение лавинного пробоя; n – коэффициент, равный 3 для Ge, 5 для Si.

Если обратный ток при обоих видах электрического пробоя не превысит максимально допустимого значения, при котором произойдет перегрев и разрушение кристаллической структуры полупроводника, то они являются обратимыми и могут быть воспроизведены многократно.

1.4.2. Туннельный пробой

Туннельный пробой происходит в очень тонких p-n-переходах, что возможно при очень высокой концентрации примесей N» . Когда ширина перехода становится малой (порядка 0,01 мкм) и обратное напряжение имеет небольшие значения (несколько вольт), то возникает большой градиент электрического поля. Высокое значение напряженности электрического поля, воздействуя на атомы кристаллической решетки, повышает энергию валентных электронов и приводит к их туннельному «просачиванию» сквозь «тонкий» энергетический барьер (рис. 1.10) из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области. Причем «просачивание» происходит без изменения энергии носителей заряда. Для туннельного пробоя также характерен резкий рост обратного тока при практически неизменном обратном напряжении.

Рис. 1.10. Зонная диаграмма туннельного пробоя p-n -перехода при обратном смещении

Если обратный ток при обоих видах электрического пробоя не превысит максимально допустимого значения, при котором произойдет перегрев и разрушение кристаллической структуры полупроводника, то они являются обратимыми и могут быть воспроизведены многократно.

1.4.3. Тепловой пробой

Тепловым называется пробой p-n-перехода, обусловленный ростом количества носителей заряда при повышении температуры кристалла. С увеличением обратного напряжения и тока возрастает тепловая мощность, выделяющаяся в p-n-переходе и, соответственно, температура кристаллической структуры. Под действием тепла усиливаются колебания атомов кристалла, и ослабевает связь валентных электронов с ними, возрастает вероятность перехода их в зону проводимости и образования дополнительных пар носителей «электрон – дырка». Если электрическая мощность в p-n-переходе превысит максимально допустимое значение, то процесс термогенерации лавинообразно нарастает, в кристалле происходит необратимая перестройка структуры и p-n-переход разрушается.

Для предотвращения теплового пробоя необходимо выполнение условия

,

(1.6)

где – максимально допустимая мощность рассеяния p-n-перехода.

1.4.4. Поверхностный пробой

Распределение напряженности электрического поля в p-n-переходе может существенно изменить заряды, имеющиеся на поверхности полупроводника. Поверхностный заряд может привести к увеличению или уменьшению толщины перехода, в результате чего на поверхности перехода может наступить пробой при напряженности поля, меньшей той, которая необходима для возникновения пробоя в толще полупроводника. Это явление называют поверхностным пробоем. Большую роль при возникновении поверхностного пробоя играют диэлектрические свойства среды, граничащей с поверхностью полупроводника. Для снижения вероятности поверхностного пробоя применяют специальные защитные покрытия с высокой диэлектрической постоянной.

1.5. Емкость р-n-перехода

Изменение внешнего напряжения на p-n-переходе приводит к изменению ширины обедненного слоя, и соответственно, накопленного в нем электрического заряда (это также обусловлено изменением концентрации инжектированных носителей заряда вблизи перехода). Исходя их этого, p-n-переход ведет себя подобно конденсатору, емкость которого определяется как отношение изменения накопленного в p-n-переходе заряда к обусловившему это изменение приложенного внешнего напряжения.

Различают барьерную (или зарядную) и диффузионную емкость р-n-перехода.

1.5.1. Барьерная (зарядная) емкость р-n-перехода

Барьерная емкость соответствует обратновключенному p-n-переходу, который рассматривается как обычный конденсатор, где пластинами являются границы обедненного слоя, а сам обедненный слой служит несовершенным диэлектриком с увеличенными диэлектрическими потерями

,

(1.7)

где – относительная диэлектрическая проницаемость; – электрическая постоянная (; S – площадь запирающего слоя; δ – толщина запирающего слоя.

Барьерная емкость возрастает при увеличении площади p-n-перехода и диэлектрической проницаемости полупроводника и уменьшении толщины запирающего слоя. В зависимости от площади перехода может быть от единиц до сотен пикофарад. Особенностью барьерной емкости является то, что она является нелинейной емкостью. При возрастании обратного напряжения толщина перехода увеличивается и емкость уменьшается. Характер зависимости показывает график на рис. 1.11. Как видно, под влиянием емкость изменяется в несколько раз.

Рис. 1.11. Зависимость барьерной емкости от обратного напряжения

1.5.2. Диффузионная емкость р-n-перехода

Диффузионная емкость характеризует накопление подвижных носителей заряда в n- и p-областях при прямом напряжении на переходе. Она практически существует только при прямом напряжении, когда носители заряда диффундируют (инжектируют) в большом количестве через пониженный потенциальный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в n- и p-областях. Каждому значению прямого напряжения соответствуют определенные значения двух разноименных зарядов и , накопленных в n- и p-областях за счет диффузии носителей через переход. Емкость представляет собой отношение зарядов к разности потенциалов:

.

(1.8)

С увеличением прямой ток растет быстрее, чем напряжение, т. к. вольт-амперная характеристика для прямого тока имеет нелинейный вид, поэтому растет быстрее, чем и увеличивается.

Диффузионная емкость значительно больше барьерной, но использовать ее не удается, т. к. она шунтируется малым прямым сопротивлением p-n-перехода. Численные оценки величины диффузионной емкости показывают, что ее значение составляет несколько единиц микрофарад.

Таким образом, р-n-переход можно использовать в качестве конденсатора переменной емкости, управляемого величиной и знаком приложенного напряжения.

2. Контакт «металл – полупроводник»

В современных полупроводниковых приборах помимо контактов с p-n-переходом применяются контакты «металл – полупроводник».

Контакт «металл – полупроводник» возникает в месте соприкосновения полупроводникового кристалла n или р-типа проводимости с металлами. Происходящие при этом процессы определяются соотношением работ выхода электрона из металла и из полупроводника . Под работой выхода электрона понимают энергию, необходимую для переноса электрона с уровня Ферми на энергетический уровень свободного электрона. Чем меньше работа выхода, тем больше электронов может выйти из данного тела.

В результате диффузии электронов и перераспределением зарядов нарушается электрическая нейтральность прилегающих к границе раздела областей, возникает контактное электрическое поле и контактная разность потенциалов

.	(2.1)
2.1.Переход Шоттки

Переходный слой, в котором существует контактное электрическое поле при контакте «металл – полупроводник», называется переходом Шоттки, по имени немецкого ученого В. Шоттки, который первый получил основные математические соотношения для электрических характеристик переходов.

Контактное электрическое поле на переходе Шоттки сосредоточено практически в полупроводнике, так как концентрация носителей заряда в металле значительно больше концентрации носителей заряда в полупроводнике. Перераспределение электронов в металле происходит в очень тонком слое, сравнимом с межатомным расстоянием.

2.2. Типы электропроводности

В зависимости от типа электропроводности полупроводника и соотношения работ выхода в кристалле может возникать обедненный, инверсный или обогащенный слой носителями электрических зарядов.

1) , полупроводник n-типа (рис. 2.1, а). В данном случае будет преобладать выход электронов из металла (М) в полупроводник, поэтому в слое полупроводника около границы раздела накапливаются основные носители (электроны), и этот слой становится обогащенным, т. е. имеющий повышенную концентрацию электронов. Сопротивление этого слоя будет малым при любой полярности приложенного напряжения, и такой переход не обладает выпрямляющими свойствами. Его иначе называют невыпрямляющим переходом.

2) , полупроводник p-типа (рис. 2.1, б). В этом случае будет преобладать выход электронов из полупроводника в металл, при этом в приграничном слое также образуется область, обогащенная основными носителями заряда (дырками), имеющая малое сопротивление. Такой переход также не обладает выпрямляющим свойством.

Рис. 2.1. Контакт «металл – полупроводник», не обладающий выпрямляющим свойством

3) , полупроводник n-типа (рис. 2.2, а). При таких условиях электроны будут переходить главным образом из полупроводника в металл и в приграничном слое полупроводника образуется область, обедненная основными носителями заряда и имеющая большое сопротивление. В этой области создается сравнительно высокий потенциальный барьер, высота которого будет существенно зависеть от полярности приложенного напряжения Если , то возможно образование инверсного слоя (p-типа). Такой контакт обладает выпрямляющим свойством.

Рис. 2.2. Контакт «металл – полупроводник», обладающий выпрямляющим свойством

4) , полупроводник p-типа (рис. 2.2, б). Контакт образованный при таких условиях обладает выпрямляющим свойством, как и предыдущий.

2.3. Особенность контакта «металл – полупроводник»

Отличительной особенностью контакта «металл – полупроводник» является то, что в отличие от обычного p-n-перехода здесь высота потенциального барьера для электронов и дырок разная. В результате такие контакты могут быть при определенных условиях неинжектирующими, т. е. при протекании прямого тока через контакт в полупроводниковую область не будут инжектироваться неосновные носители, что очень важно для высокочастотных и импульсных полупроводниковых приборов.

3. Контакт между полупроводниками одного типа проводимости

Области вблизи контакта полупроводников с одним типом проводимости, но с различной концентрацией примесей, обычно обозначают p⁺ – p или n⁺ – n-переход, причем значком + обозначают полупроводник с большей концентрацией примесей. На рис. 3.1 приведен пример контакта p⁺ – p, где обе области полупроводника обладают электропроводностью р-типа.

Рис.3.1. Переход между двумя областями с одним типом электропроводности, отличающиеся значением концентрации примесей

Процессы вблизи такого контакта аналогичны происходящим в р-n-переходе, т. е. носители из области с большой концентрацией переходят в область с меньшей концентрацией, в результате чего в области p⁺ возникает объемный заряд из нескомпенсированных зарядов ионов примеси, а в области p – объемный заряд из избыточных носителей – дырок, перешедших из области p⁺. Появление объемных электрических зарядов приводит к образованию диффузионного электрического поля и контактной разности потенциалов. Но в отличие от обычных р-n-переходов здесь отсутствует запирающий слой, так как здесь не может быть области с концентрацией, меньшей чем в слаболегированном полупроводнике. Поэтому такие контакты вентильными свойствами не обладают, но зато в них при любой полярности приложенного напряжения не происходит инжекции из низкоомной области в высокоомную, что является важным для некоторых типов полупроводниковых приборов. Аналогичные процессы протекают в контакте n⁺ – n.

4. Гетеропереходы

Гетеропереходом называют переходный слой с существующим там диффузионным электрическим полем между двумя различными по химическому составу полупроводниками, обладающие различной шириной запрещенной зоны.

Для получения гетеропереходов хорошего качества необходимо, чтобы у материалов образующих переход с высокой точностью совпадали два параметра: температурный коэффициент расширения и постоянная кристаллической решетки, что ограничивает выбор материалов для гетеропереходов. В настоящее время наиболее исследованными являются пары: германий – арсенид галлия (Ge – GaAs), арсенид галлия – фосфид индия (GaAs – InP), арсенид галлия – арсенид индия (GaAs – InAs), германий – кремний (Ge – Si).

Каждый из полупроводников, образующих гетеропереход может иметь различный тип электропроводности. Поэтому для каждой пары полупроводников возможно осуществить четыре типа гетероструктур: ; ; и .

При образовании гетероперехода из-за разных работ выхода электронов из разных полупроводников происходит перераспределение носителей заряда в приконтактной области и выравнивание уровней Ферми в результате установления термодинамического равновесия (рис. 4.1). Остальные энергетические уровни и зоны должны соответственно изогнуться, т. е. в гетеропереходе возникают диффузионное поле и контактная разность потенциалов. При этом энергетический потолок верхней свободной зоны должен быть непрерывным. Энергетический уровень потолка верхней свободной зоны является энергетическим уровнем потолка зоны проводимости, т. к. свободные энергетические зоны перекрывают друг друга.

Рис. 1.26. Зонные энергетические диаграммы гетеропереходов:
а – выпрямляющий гетеропереход между полупроводниками p - и n -типа с преимущественной инжекцией электронов в узкозонный полупроводник;
б – выпрямляющий гетеропереход между полупроводниками n -типа без инжекции неосновных носителей заряда

Ширина энергетических зон различных полупроводников различна. Поэтому на границе раздела двух полупроводников получается обычно разрыв дна проводимости. Разрыв дна зоны проводимости определяется различием энергий сродства к электрону двух контактирующих полупроводников (энергия сродства к электрону – разница энергий потолка верхней свободный зоны и дна проводимости).

В результате разрывов дна зоны проводимости и потолка валентной зоны высота потенциальных барьеров для электронов и дырок в гетеропереходе оказывается различной. Это является особенностью гетеропереходов, обусловливающей специфические свойства гетеропереходов в отличие p-n-переходов, которые формируются в монокристалле одного полупроводника.

Если вблизи границы раздела двух полупроводников, образующих гетеропереход, возникают обедненные основными носителями слои, то основная часть внешнего напряжения, приложенного к структуре с гетеропереходом, будет падать на обедненных слоях. Высота потенциального барьера для основных носителей заряда будет изменяться: уменьшается при полярности внешнего напряжения, противоположной полярности контактной разности потенциалов, и увеличивается при совпадении полярностей внешнего напряжения и контактной разности потенциалов. Таким образом, гетеропереходы могут обладать выпрямляющим свойством.

Из-за различия по высоте потенциальных барьеров для электронов (ПБЭ) и дырок (ПБД) прямой ток через гетеропереход связан в основном с движением носителей заряда только одного знака. Поэтому гетеропереходы могут быть как инжектирующими неосновных носителей заряда (рис. 4.1, а), так и неинжектирущими (рис. 4.1, б). Инжекция неосновных носителей заряда происходит всегда из широкозонного в узкозонный полупроводник. В гетеропереходах, образованных полупроводниками одного типа электропрводности, выпрямление происходит без инжекции неосновных носителей заряда.

Выводы:

1. p-n-переход образуется на границе p- и n- областей, созданных в монокристалле полупроводника.

2. В результате диффузии в p-n-переходе возникает электрическое поле – потенциальный барьер, препятствующий выравниванию концентраций основных носителей заряда в соседних областях.

3. При отсутствии внешнего напряжения в p-n-переходе устанавливается динамическое равновесие: диффузионный ток становится равным по величине дрейфовому току, образованному неосновными носителями заряда, в результате чего ток через p-n -переход становится равным нулю.

4. При прямом смещении p-n-перехода потенциальный барьер понижается и через переход протекает относительно большой диффузионный ток.

5. При обратном смещении p-n-перехода потенциальный барьер повышается, диффузионный ток уменьшается до нуля и через переход протекает малый по величине дрейфовый ток. Это говорит о том, что p-n -переход обладает односторонней проводимостью. Данное свойство широко используется для выпрямления переменных токов.

6. Ширина p-n-перехода зависит: от концентраций примеси в p- и n- областях, от знака и величины приложенного внешнего напряжения . При увеличении концентрации примесей ширина p-n -перехода уменьшается и наоборот. С увеличением прямого напряжения ширина p-n-перехода уменьшается. При увеличении обратного напряжения ширина p-n -перехода увеличивается.

7. Контакт «металл – полупроводник» возникает в месте соприкосновения полупроводникового кристалла n или р-типа проводимости с металлами.

8. В отличие от p-n-перехода у контакта «металл – полупроводник» высота потенциального барьера для электронов и дырок разная. Поэтому такие контакты могут быть при определенных условиях неинжектирующими (очень важно для высокочастотных и импульсных полупроводниковых приборов).

9. В контакте между полупроводниками одного типа проводимости отсутствует запирающий слой, поэтому такие контакты вентильными свойствами не обладают, но зато в них при любой полярности приложенного напряжения не происходит инжекции из низкоомной области в высокоомную, что является важным для некоторых типов полупроводниковых приборов.

10. Гетеропереходом называют переходный слой с существующим там диффузионным электрическим полем между двумя различными по химическому составу полупроводниками, обладающие различной шириной запрещенной зоны.

11. Для получения гетеропереходов хорошего качества необходимо, чтобы у материалов образующих переход с высокой точностью совпадали два параметра: температурный коэффициент расширения и постоянная кристаллической решетки.

12. Высота потенциальных барьеров для электронов и дырок в гетеропереходе различна. Это является особенностью гетеропереходов.

13. Гетеропереходы могут быть как инжектирующими неосновных носителей заряда, так и неинжектирущими.

Используемые ссылки:

http://kurs.ido.tpu.ru/courses/osn_elec/chapter_1/glv_1_page_7.html

http://leddesign.ua/ehlektricheskie-perekhody.html

http://www.studfiles.ru/dir/cat39/subj230/file13637//view141941.html