Выпрямление на контакте металл — полупроводник

Рассмотрим некоторые особенности механизма процессов, происходящих при приведении в контакт металла с полупроводником. Для этого возьмем полупроводник n -типа с работой выхода А, меньшей работы выхода А _м из металла. Соответствующие энергетические диаграммы до и после вступления в контакт показаны на рис. 333, а, б.

Если А _м > А, то при контакте электроны из полупроводника будут переходить в металл, в результате чего контактный слой полупроводника обеднится электронами и зарядится положительно, а металл — отрицательно. Этот процесс будет происходить до достижения равновесного состояния, характеризуемого, как и при контакте двух металлов, выравниванием уровней Ферми для металла и полупроводника. На контакте образуется двойной электрический слой d, поле которого (контактная разность потенциалов) препятствует дальнейшему переходу электронов. Вследствие малой концентрации электронов проводимости в полупроводнике (порядка 10¹⁵ см^-3 вместо 10²²см^-3 в металлах) толщина контактного слоя в полупроводнике достигает примерно 10^-6см, т.е. примерно в 10 000 раз больше, чем в металле. Контактный слой полупроводника обеднен основными носителями тока — электронами в зоне проводимости, и его сопротивление значительно больше, чем в остальном объеме полупроводника. Такой контактный слой называется запирающим.

Рис. 333

При d = 10^{-6 см и 1 В напряженность электрического поля контактного слоя 108} В/м. Такое контактное поле не может сильно повлиять на структуру спектра (например, на ширину запрещенной зоны, на энергию активации примесей и т. д.) и его действие сводится лишь к параллельному искривлению всех энергетических уровней полупроводника в области контакта (рис. 333, б). Так как в случае контакта уровни Ферми выравниваются, а работы выхода — величины постоянные, то при А _м > А энергия электронов в контактном слое полупроводника больше, чем в остальном объеме. Поэтому в контактном слое дно зоны проводимости поднимается вверх, удаляясь от уровня Ферми. Соответственно происходит и искривление верхнего края валентной зоны, а также донорного уровня.

Помимо рассмотренного выше примера возможны еще следующие три случая контакта металла с примесными полупроводниками: а) А _м < А, полупроводник n -типа; б) А _м > А, полупроводник р -типа; в) А _м < А, полупроводник р -типа. Соответствующие зонные схемы показаны на рис. 334.

Если А _м < А, то при контакте металла с полупроводником п -типа электроны из металла переходят в полупроводник и образуют в контактном слое полупроводника отрицательный объемный заряд (рис. 334, а). Следовательно, контактный слой полупроводника обладает повышенной проводимостью, т. е. не является запирающим. Рассуждая аналогично, можно показать, что искривление энергетических уровней по сравнению с контактом металл — полупроводник п -типа (А _м > А) происходит в обратную сторону.

Рис. 334

При контакте металла с полупроводником р -типа запирающий слой образуется при А _м < А (рис, 334, в), так как в контактном слое полупроводника наблюдается избыток отрицательных ионов акцепторных примесей и недостаток основных носителей тока — дырок в валентной зоне. Если же А _м > А (рис. 334, б), то в контактном слое полупроводника р -типа наблюдается избыток основных носителей тока — дырок в валентной зоне, контактный слой обладает повышенной проводимостью.

Исходя из приведенных рассуждений, видим, что запирающий контактный слой возникает при контакте донорного полупроводника с меньшей работой выхода, чем у металла (см. рис. 333, б), и у акцепторного — с большей работой выхода, чем у металла (рис. 333, в).

Запирающий контактный слой обладает односторонней (вентильной) проводимостью, т. е. при приложении к контакту внешнего электрического поля он пропускает ток практически только в одном направлении: либо из металла в полупроводник, либо из полупроводника в металл. Это важнейшее свойство запирающего слоя объясняется зависимостью его сопротивления от направления внешнего поля. Если направления внешнего и контактного полей противоположны, то основные носители тока втягиваются в контактный слой из объема полупроводника; толщина контактного слоя, обедненного основными носителями тока, и его сопротивление уменьшаются. В этом направлении, называемом пропускным, электрический ток может проходить через контакт металл — полупроводник. Если внешнее поле совпадает по знаку с контактным, то основные носители тока будут перемещаться от границы с металлом; толщина обедненного слоя возрастает, возрастает и его сопротивление. Очевидно, что в этом случае ток через контакт отсутствует, выпрямитель заперт — это запорное направление. Для запирающего слоя на границе металла с полупроводником n -типа (А _м > А) пропускным является направление тока из металла в полупроводник, а для запирающего слоя на границе металла с полупроводником р -типа (А _м < А) — из полупроводника в металл.

§ 249. Контакт электронного и дырочного полупроводников (р - п -переход)

Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой — дырочную проводимость, называется электронно-дырочным переходом (или р - n -переходом). Эти переходы имеют большое практическое значение, являясь основой работы многих полупроводниковых приборов. p-n -Переход нельзя осуществить просто механическим соединением двух полупроводников. Обычно области различной проводимости создают либо при выращивании кристаллов, либо при соответствующей обработке кристаллов. Например, на кристалл германия n -типа накладывается индиевая «таблетка» (рис. 335, а).

Рис. 335

Эта система нагревается примерно при 500^oС в вакууме или в атмосфере инертного газа; атомы индия диффундируют на некоторую глубину в германий. Затем расплав медленно охлаждают. Так как германий, содержащий индий, обладает дырочной проводимостью, то на границе закристаллизовавшегося расплава и германия n -типа образуется р - n -переход (рис. 335, б).

Рассмотрим физические процессы, происходящие в р - n -переходе (рис.336). Пусть донорный полупроводник (работа выхода — А _n, уровень Ферми — ) приводится в контакт (рис. 336, б) с акцепторным полупроводником (работа выхода — А_р, уровень Ферми — ). Электроны из n -полупроводника, где их концентрация выше, будут диффундировать в р -полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит в обратном направлении — в направлении .

В n -полупроводнике из-за ухода электронов вблизи границы остается неском-пенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионизованных донорных атомов. В р -полупроводнике из-за ухода дырок вблизи границы образуется отрицательный объемный заряд неподвижных ионизованных акцепторов (рис. 336, а).

Рис. 336

Эти объемные заряды образуют у границы двойной электрический слой, поле которого, направленное от п -области к р -области, препятствует дальнейшему переходу электронов в направлении и дырок в направлении . Если концентрации доноров и акцепторов в полупроводниках п - и р -типа одинаковы, то толщины слоев d ₁ и d ₂ (рис. 336, а), в которых локализуются неподвижные заряды, равны (d ₁ = d ₂).

При определенной толщине р - п -перехода наступает равновесное состояние, характеризуемое выравниванием уровней Ферми для обоих полупроводников (рис. 336, в). В области р - п -перехода энергетические зоны искривляются, в результате чего возникают потенциальные барьеры как для электронов, так и для дырок. Высота потенциального барьера определяется первоначальной разностью положений уровня Ферми в обоих

Рис. 337

полупроводниках. Все энергетические уровни акцепторного полупроводника подняты относительно уровней донорного полупроводника на высоту, равную , причем подъем происходит на толщине двойного слоя d.

Толщина d слоя р - п -перехода в полупроводниках составляет примерно 10^-6 — 10^{-7 м, а контактная разность потенциалов — десятые доли вольт. Носители тока способны преодолеть такую разность потенциалов лишь при температуре в несколько тысяч градусов, т. е. при обычных температурах равновесный контактный слой является запирающим (характеризуется повышенным сопротивлением).}

Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля. Если приложенное к p - n -переходу внешнее электрическое поле направлено от n -полупроводника к р -полупроводнику (рис. 337, а), т. е. совпадает с полем контактного слоя, то оно вызывает движение электронов в n -полупроводнике и дырок в р -полупроводнике от границы р - п -перехода в противоположные стороны. В результате запирающий слой расширится и его сопротивление возрастет. Направление внешнего поля, расширяющего запирающий слой, называется запирающим (обратным). В этом направлении электрический ток через р - п -переход практически не проходит. Ток в запирающем слое в запирающем направлении образуется лишь за счет неосновных носителей тока (электронов в р -полупроводнике и дырок в n -полупроводнике).

Если приложенное к р - п -переходу внешнее электрическое поле направлено противоположно полю контактного слоя (рис. 337, б), то оно вызывает движение электронов в n -полупроводнике и дырок в р -полупроводнике к границе р - п -перехода навстречу друг другу. В этой области они рекомбинируют, толщина контактного слоя и его сопротивление уменьшаются. Следовательно, в этом направлении электрический ток проходит сквозь р - п -переход в направлении от р -полупроводника к п -полупроводнику; оно называется пропускным (прямым).

Таким образом, p - n -переход (подобно контакту металла с полупроводником) обладает односторонней (вентильной) проводимостью.

На рис. 338 представлена вольт-амперная характеристика р - n -перехода. Как уже указывалось, при пропускном (прямом) напряжении внешнее электрическое поле способствует движению основных носителей тока к границе р - п -перехода (см. рис. 337, б). В результате толщина контактного слоя уменьшается. Соответственно уменьшается и сопротивление перехода (тем сильнее, чем больше напряжение), а сила тока становится большой (правая ветвь на рис. 338). Это направление тока называется прямым.

При запирающем (обратном) напряжении внешнее электрическое поле препятствует движению основных носителей тока к границе р - n -перехода (см. рис. 337, а) и способствует движению неосновных носителей тока, концентрация которых в полупроводниках невелика. Это приводит к увеличению толщины контактного слоя, обедненного основными носителями тока. Соответственно увеличивается и сопротивление перехода. Поэтому в данном случае через p - n -переход протекает только небольшой ток (он называется обратным), полностью обусловленный неосновными носителями тока (левая ветвь рис. 338).

Рис. 338

Быстрое возрастание этого тока означает пробой контактного слоя и его разрушение. При включении в цепь переменного тока р-n -переходы действуют как выпрямители.