Выпрямляющий контакт металл полупроводник

Обновлено: 28.09.2024

Для определенности выберем полупроводник n-типа. Предположим, что работа выхода из n-полупроводника. При контакте металла с полупроводником часть электронов будет переходить из полупроводника в металл до тех пор, пока их уровни Ферми не выровняются. Приконтактный слой n-полупроводника обеднится электронами и зарядится положительно, а металл получит отрицательный заряд. Между металлом и полупроводником образуется двойной электрический слой. Поскольку концентрация электронов проводимости в полупроводнике на 7 порядков меньше, чем в металле, то переход через контакт такого же количества электронов, как и при соприкосновении двух металлов, связан с «оголением» d (рис. 3.4) и вся контактная разность потенциалов приходится на полупроводник, а не на зазор между полупроводником и металлом. Ионизированные атомы примеси, остающиеся в этом слое, образуют неподвижный объемный положительный заряд. Так как этот слой практически лишен свободных электронов, то его называют обедненным, а контакт «металл - обедненный слой полупроводника», обладающий высоким сопротивлением, называют блокирующим (запирающим).

Замечательным свойством блокирующего контакта является резкая зависимость его сопротивления от направления внешнего электрического поля, приложенного к контакту. Эта зависимость настолько сильна, что приводит практически к односторонней (униполярной) проводимости контакта. Если вектор втягиваются из объема полупроводника в контактный слой, что приводит к уменьшению его толщины и увеличению проводимости. В этом направлении, называемом пропускным (прямым), электрический ток может проходить через контакт металла с полупроводником. Если вектор вытесняются из двойного слоя в объем полупроводника, увеличивая толщину запирающего слоя и его сопротивление. В этом направлении, называемом обратным, электрический ток не проходит через контакт. На рисунке

Отношение силы тока, текущего в прямом направлении, к силе тока, текущего в обратном направлении, отвечающее одной и той же разности потенциалов, называют коэффициентом выпрямления. Для хороших выпрямляющих контактов он достигает значения десятков и сотен тысяч.

Потенциальный барьер, возникающий в выпрямляющем контакте полупроводника с металлом, называют часто барьером Шоттки, а диоды, работающие на его основе, - диодами Шоттки.

Кроме случая, когда работа выхода электрона из металла больше работы выхода электрона из n-полупроводника, возможен случай, когда n-полупроводник имеет большую работу выхода, чем металл. При этом электроны переходят из металла в полупроводник, и удельное сопротивление контактного слоя будет меньше, чем в остальном объеме полупроводника. Контакт металла с таким полупроводником не образует запирающего слоя и не оказывает выпрямляющего действия на переменные токи.

Контакт электронного и дырочного полупроводников (p-n-переход)

Во многих областях современной электроники большую роль играет контакт двух полупроводников с различными типами проводимости. Такой контакт называется электронно – дырочным или p-n-переходом.

Такие переходы используются не только для выпрямления переменных токов, но и для генерации и усиления высокочастотных токов.


Практически p-n-переход представляет собой тонкий слой на границе между двумя областями одного и того же кристалла, отличающимися типом примесной проводимости. В p-области основными носителями тока являются дырки, образовавшиеся в результате захвата электронов атомами примеси; акцепторы при этом становятся отрицательными ионами (рис. 3.6; большие кружки – ионы, малые кружки – дырки, черные точки – электроны). Кроме того, в p-области имеется небольшое число неосновных носителей – электронов, возникающих вследствие перевода тепловым движением электронов из валентной зоны непосредственно в зону проводимости. В n-области основные носители тока – электроны, отданные донорами в зону проводимости. Имеется и небольшое число неосновных носителей – дырок, возникающих вследствие перехода за счет теплового движения электронов из валентной зоны в зону проводимости.

Диффундируя во встречных направлениях через пограничный слой, дырки и электроны рекомбинируют друг с другом. Поэтому p-n-переход оказывается сильно обедненным носителями тока и приобретает большое сопротивление. Одновременно на границе между областями возникает двойной электрический слой, образованный отрицательными ионами акцепторной примеси и положительными ионами донорной примеси. Электрическое поле в этом слое направлено так, что противодействует дальнейшему переходу через слой основных носителей. Равновесие достигается при такой высоте потенциального барьера, при которой уровни Ферми обеих областей располагаются на одинаковой высоте (рис. 3.7).

Изгибание энергетических зон в области перехода вызвано тем, что потенциал p-области в состоянии равновесия ниже потенциала n-области, соответственно потенциальная энергия электрона в p-области больше, чем в n-области. Нижняя граница валентной зоны дает ход потенциальной энергии электрона больше там, где меньше

В состоянии равновесия некоторому количеству основных носителей удается преодолеть потенциальный барьер, вследствие чего через переход течет небольшой ток . Неосновных носителей очень мало, но они легко проникают через границу областей, «скатываясь» с потенциального бартера. Величина компенсируют друг друга.

При подаче внешнего напряжения такого направления, чтобы плюс был подключен к p-области, а минус - к n-области, потенциал p-области возрастает, потенциал n-области понижается (рис. 3.8 б). В результате высота потенциального барьера уменьшится и ток не изменится. Следовательно, при понижении высоты барьера (оно пропорционально приложенному напряжению eU) ток основных носителей, а значит и результирующий ток, быстро нарастет. Таким образом, в направлении от p-области к n-области p-n-переход пропускает ток, сила которого быстро растет при увеличении приложенного напряжения. Это направление называется прямым (пропускным).

p-n-перехода. Возникающее в кристалле при прямом напряжении электрическое поле «поджимает» основные носители к границе между областями, вследствие чего ширина переходного слоя, обедненного носителями, сокращается и соответственно уменьшается сопротивление перехода тем сильнее, чем больше приложенное напряжение. Поэтому ВАХ в пропускной области не является прямой (правая ветвь графика).

При подаче внешнего напряжения такого направления, чтобы плюс был подключен к n-области, а минус – к p-области, высота потенциального барьера увеличится и ток U) и становится равным n-области к p-области (называемом обратным или запорным) p-n-переход пропускает слабый ток, обусловленный только неосновными носителями. Лишь при очень большом обратном напряжении сила тока начинает резко возрастать вследствие электрического пробоя перехода (левая ветвь на рисунке 3.9). Из этого рисунка следует, что p-n-переход обладает в обратном направлении гораздо большим сопротивлением, чем в прямом. Возникающее в кристалле при обратном напряжении электрическое поле «оттягивает» основные носители от границы между областями, вследствие чего ширина переходного слоя, обедненного носителями, увеличивается и соответственно увеличивается сопротивление перехода.


Неодинаковость сопротивления в прямом и обратном направлениях позволяет использовать p-n-переходы для выпрямления переменного тока. На рисунке 3.10 показан график тока, текущего через переход, в том случае, если приложенное напряжение меняется по гармоническому закону. В этом случае ширина слоя, обедненного носителями, и сопротивление перехода пульсируют, изменяясь в такт с изменениями напряжения.


В области p-n-перехода или на границе металла с полупроводником может наблюдаться вентильный фотоэффект. Он заключается в возникновении под действием света электродвижущей силы (фото-ЭДС). На рисунке 3.11 показан ход потенциальной энергии электронов (сплошная кривая) и дырок (штриховая кривая) в области p-n-перехода. Неосновные для данной области носители (электроны в p-области и дырки в n-области), возникшие под действием света, беспрепятственно проходят через переход. В результате в p-области накапливается избыточный положительный заряд, а в n-области – избыточный отрицательный заряд. Это приводит к возникновению приложенного к переходу напряжения, которое и представляет собой фотоэлектродвижущую силу. Если подключить кристалл с p-n-переходом к внешней нагрузке, в ней будет течь фототок. Несколько десятков соединенных последовательно кремниевых p-n-переходов образуют солнечную батарею. Такие батареи применяются для питания радиоаппаратуры на космических кораблях и спутниках Земли.

Выпрямляющий переход

Рассмотрим контакт полупроводника n-типа с металлом, когда Ам>Ап.n, (рис. 9,а). Электроны будут переходить главным образом из полупроводника в металл, и в приграничном слое полупроводника образуется область, обеднен­ная основными носителями и имеющая большое сопротивление. Кроме того, переход электронов приводит к появлению контактной разности потенциалов.

Если к переходу подключить внешнее напряжение, причем "минус" к по­лупроводнику, а "плюс" к металлу, то внешнее электрическое поле компенси­рует внутреннее. Потенциальный барьер уменьшается, а ток основных носите­лей (электронов) из n-области увеличивается - переход открыт. При смене по­лярности ("минус" к металлу, "плюс" к полупроводнику) внешнее электрическое поле суммируется с внутренним, потенциальный барьер увеличивается, и переход не пропускает ток - закрыт.

Таким образом, переход между металлом и полупроводником обладает вентильными свойствами. Его называют барьером Шоттки.

Аналогичные процессы имеют место при контакте металла с полупровод­ником p-типа, когда Амп.р. Значительно большее количество электронов бу­дет переходить из металла в полупроводник. Их рекомбинация с дырками в по­лупроводнике приведет к уменьшению концентрации носителей в пригранич­ном слое - создается обедненный слой и контактная разность потенциалов (рис. 9,б).

Рис. 9. Выпрямляющий переход

Подключение внешнего напряжения плюсом к полупроводнику, а мину­сом к металлу снижает потенциальный барьер. Через переход течет ток, обу­словленный переходом электронов из металла в полупроводник - переход от­крыт.

Обратное включение увеличивает потенциальный барьер. Через переход будут течь лишь неосновные носители полупроводника р-типа - электроны. Так как их концентрация мала, то ток через переход практически не течет - пе­реход закрыт.

Выпрямляющий переход металл-полупроводник тоже используется для создания приборов с односторонней проводимостью, как и n-p-переход.

Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами, в котором используются свойства перехода.

Полупроводниковые диоды классифицируются:

- по материалу (Ge, Si, GaAs и т.д.);

- по технологии (точечные, сплавные, диффузионные);

- по конструкции (точечные, плоскостные, планарные);

- по функциональному назначению (выпрямительные, универсальные, стабилитроны, туннельные и т.д.).

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока. В них используется основное свойство p-n-перехода: пропускать с малым сопротивлением ток в одном направлении и практически не пропускать в дру­гом.

На рис. 10 изображена вольт-амперная характеристика (ВАХ) кремниевого диода, которую можно представить в виде двух частей:

- прямая - при прямом включении p-n-перехода;

- обратная — при обратном включении p-n-перехода.

В схеме обозначения диода анод (А) соответствует электроду, присоеди­ненному к р-области, а катод (К)-к n-области.

Рис. 10. Вольт-амперная характеристика диода

Прямая ветвь обусловлена диффузионным током основных носителей. На начальной стадии (U <1B) ток нарастает медленно, что обусловлено наличием потенциального барьера (контактной разности потенциалов), препятствующего движению основных носителей. На этом участке вольт-амперная характеристи­ка нелинейная. По мере преодоления внешним полем внутреннего (U>≈1В) потенциальный барьер исчезает и остается лишь сопротивление р- и n-областей, которое можно приближенно считать постоянным. Поэтому далее характеристика становится практически линейной при резком нараста­нии тока.

Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро на­растает. Это вызвано тем, что уже при небольшом увеличении обратного на­пряжения повышается потенциальный барьер и резко уменьшается диффузи­онный ток. Следовательно, полный ток Iпepex.oбр=Iдр-Iдиф, резко увеличивает­ся.

Дальнейшее увеличение обратного напряжения не приводит к росту тока, т.к. его величина определяется числом неосновных носителей, концентрация которых низка. При некотором значении обратного напряжения (Uобр.max, рис. 10) ток начинает резко возрастать. Это возникает при напряженности поля около 10 7 В/м. Неосновные носители при таком поле разгоняются на длине свобод­ного пробега до энергии, достаточной для ионизации атомов. Концентрация носителей лавинно нарастает в толщине перехода.

Процесс лавинного размножения носителей за счет ударной ионизации атомов называется лавинным пробоем (электрическим). К этому следует добавить, что концентрация носителей до­полнительно увеличивается за счет вырывания электронов из атомов сильным электриче­ским полем.

Лавинный пробой обра­тим, т.е. при снятии напряже­ния свойства p-n-перехода восстанавливаются.

При дальнейшем увели­чении напряжения наступает тепловой пробой. Плотность обратного тока в этом режиме достигает такой величины, что переход начинает разо­греваться. Это приводит к появлению дополнительных электронно-дырочных пар в переходе, что в свою очередь еще больше увеличивает плотность тока.

Процесс разрушения p-n-перехода вследствие его перегрева обратным током называется тепловым пробоем.

Основные параметры выпрямительных диодов:

- Iпр.ср – средний прямой ток;

- Uобр.мах – максимально допустимое обратное напряжение;

- Iобр – величина обратного тока при заданном обратном наряжении;

- Uпр – величина прямого напряжения при заданном прямом токе Iпр;

Транзистор представляет собой двухпереходный прибор. Переходы образуются на границах тех трех слоев, из которых состоит транзистор. В зависимости от типа проводимости крайних слоев различают транзисторы
p-n-p и n-p-n со взаимно противоположными рабочими полярностями. Контакты с внешними электродами — омические.

Переход, работающий в прямом направлении, называется эмиттерным, а соответствующий крайний слой — эмиттером. Средний слой называется базой. Второй переход, нормально смещенный в обратном направлении, называется коллекторным, а соответствующий крайний слой — коллектором. Это название отражает функцию "собирания" инжектированных носителей, прошедших через слой базы. Для того чтобы такое "собирание" было возможно, база должна иметь достаточно малую толщину w. В противном случае инжектированные носители успеют рекомбинировать в процессе перемещения через базу.

Характер движения инжектированных носителей в базе в общем случае заключается в сочетании диффузии и дрейфа. Электрическое поле, в котором происходит дрейф, может быть результатом высокого уровня инжекции, а также результатом неоднородности базового слоя. Последний случай имеет особенно большое значение, так как собственное поле неоднородного полупроводника обусловливает дрейфовый механизм движения носителей независимо от уровня инжекции. Транзисторы без собственного поля базы называются бездрейфовыми, а с собственным полем — дрейфовыми.

На рис. 5, а показана энергетическая диаграмма транзистора в равновесном состоянии. Легко видеть, что основные носители заряда в каждом слое (дырки в базе, электроны в эмиттере и коллекторе) находятся в потенциальных ямах, из которых они могут перейти в смежный слой только благодаря достаточно большой тепловой энергии. Наоборот, неосновные носители (электроны в базе, дырки в эмиттере и коллекторе) находятся на потенциальных гребнях, с которых они могут свободно переходить в смежный слой. В равновесном состоянии на обоих переходах имеется динамическое равновесие между потоками этих частиц.

Пусть к эмиттерному переходу приложено прямое смещение, а коллекторный переход по-прежнему замкнут (рис. 5, б). Тогда потенциальный барьер эмиттера понизится и начнется инжекция электронов в базу и дырок в эмиттер. Инжек тированные электроны, пройдя базу, доходят до коллекторного перехода и свободно проходят в коллектор (для них потенциального барьера в коллекторе нет). Значит, в выходной цепи будет протекать ток, близкий к току эмиттера, поскольку рекомбинация в тонкой базе невелика. Небольшая разность между эмиттерным и коллекторным токами составляет ток базы. Так как напряжение на выводах коллектор—база равно нулю, полезная мощность не выделяется и усиление отсутствует.

Рис. 5. Энергетические диаграммы транзистора при различных режимах работы

Включим теперь в выходную цепь резистор для выделения мощности (рис. 5, в). Коллекторный ток, проходящий через этот резистор, создаст на нем падение напряжения, полярность которого такова, что коллекторный p-n-переход будет смещен в прямом направлении. Тогда наряду с собиранием электронов, дошедших от эмиттера, будет происходить инжекция электронов самим коллектором. В результате коллекторный ток станет заметно меньше тока эмиттера. Так как оба перехода смещены в прямом направлении, то транзистор оказывается в режиме насыщения. Резистор оказывается зашунтированным коллекторным переходом, мощность в нагрузке практически не выделяется и усиления опять не будет. Как легко догадаться, ток базы при этом будет почти равен току эмиттера.

В нормальном усилительном режиме на коллекторный p‑n‑переход подается достаточно большое обратное смещение, которое приводит к существенному повышению потенциального барьера у коллектора (рис. 5, г). Теперь можно включить в выходную цепь резистор, обладающий значительным сопротивлением, без опасения вызвать инжекцию носителей через коллекторный переход. Для этого сопротивление должно удовлетворять условию Uк>IкR. В таком режиме работы можно получить значительную выходную мощность, а главное — усиление мощности, так как токи Iк и Iэ почти одинаковы, а сопротивление нагрузки явно превышает сопротивление прямосмещенного эмиттерного перехода.

При любом варианте включения транзистора имеется две входные величины (ток и напряжение) и две выходные. Взаимозависимость этих четырех величин можно выразить двадцатью четырьмя семействами характеристик, но наиболее широкое распространение получила система:

Первое уравнение — это семейство входных характеристик, второе — выходных. На рис. 6 представлены идеальные семейства входных и выходных характеристик транзистора. На входных характеристиках (рис. 6, а) кривая при Uкб=0 является обычной прямой ветвью диодной ВАХ. При значениях Uбк>0 кривые сдвигаются влево и вверх в связи с нарастанием собираемого компонента эмиттерного тока.

Рис. 6. Идеальные статические характеристики транзистора:
а — входные; б — выходные

Коэффициент при токе Iб называется коэффициентом передачи базового тока. Довольно часто его называют также просто коэффициентом усиления транзистора. Обычно >>1. Ток — нулевой ток коллектора в схеме, т. е. ток при оборванной базе. Следует отметить, что режим работы транзистора с оборванной базой очень опасен из-за возможности пробоя, поэтому непосредственно ток не измеряют. Минимально возможный ток коллектора будет получаться при отрицательном токе базы.

ДИОДНЫЕ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРОВ

Для создания интегрального диода достаточно сформировать только один p-n-переход. Однако при изготовлении микросхем желательно все элементы формировать в едином технологическом процессе. Поэтому наиболее экономично использовать биполярный транзистор в диодном включении.

При этом характеристики диода-транзистора можно изменять, используя тот или иной p-n-переход путем применения одного из шести возможных вариантов включения (рис. 8).

Рис. 8. Транзистор в диодном включении

Первые два варианта анализируются наиболее просто. Так как один из переходов замкнут, то напряжение на нем равно нулю, т. е. закороченные p-n-переходы не оказывают никакого влияния на вольт-амперные характеристики рабочих p-n-переходов. В вариантах (в) и (г) второй p-n-переход никуда не подключается и влияет на рабочий переход, снижая ток насыщения получающегося диода [1].

Последний вариант (е) получается, если в технологическом процессе формирования транзисторной структуры исключить эмиттерную диффузию. Поскольку остается только один p‑n‑переход, никакого влияния на него не оказывается, и вольт-амперная характеристика точно такая же, как и при закороченных выводах эмиттер—база.

Отмечая особенности рассмотренных вариантов, можно сказать, что наибольший ток пропускает диод варианта (д), наибольшим быстродействием обладает диод варианта (а), а наибольшие пробивные напряжения имеют диоды вариантов (б, г, е).

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 Ам из металла. Соответствующие энергетические диаграммы до и после вступления в контакт показаны на рис. 333, а, б.

Если Ам > 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 10 15 см -3 вместо 10 22 см -3 в металлах) толщина контактного слоя в полупроводнике достигает примерно 10 -6 см, 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.


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 Ам > 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) Ам < А, полупроводник n-типа; б) Ам > А, полупроводник р-типа; в) Ам < А, полупроводник р-типа. Соответствующие зонные схемы показаны на рис. 334.


При контакте металла с полупроводником р-типа запирающий слой образуется при Ам < 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 Ам > 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 (Ам > А) пропускным является направление тока из металла в полупроводник, а для запирающего слоя на границе металла с полупроводником р-типа (Ам < 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).

Эта система нагревается примерно при 500 o С 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 — Аn, уровень Ферми — ) приводится в контакт (рис. 336, б) с акцепторным полупроводником (работа выхода — Ар, 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).


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 d1 и d2 (рис. 336, а), в которых локализуются неподвижные заряды, равны (d1 = d2).


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

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).


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

Контакт металл-полупроводник: выпрямляющий (барьер Шотки) и невыпрямляющий (омический) контакты

Контакты между полупроводником и металлом широко используются для формирования внешних выводов от полупроводниковых приборов (невыпрямляющие контакты) и создание быстродействующих диодов и транзисторов (выпрямляющие контакты). Тип контакта полупроводник - металл (п/п - Ме) определяется работой выхода электронов из металла в полупроводник, типом проводимости полупроводника и концентрацией примесей в нем. Сопутствующими факторами являются знак и плотность поверхно­ст­но­го заряда на границе раздела.

Выпрямляющий контакт характеризуется нелинейной ВАХ, следовательно прямое сопротивление контакта (при подаче прямого напряжения смещения) меньше обратного.

Для получения выпрямляющего контакта между металлом и полупро­водником n–типа проводимости работа выхода электронов из металла, jм, должна быть больше, чем у полупроводника, jп, то есть разность работ выхода jмп=jм – jп должна быть больше нуля (jмп>0). Вели­чину jмп называют контактной разностью потенциалов. В этом случае при образовании контакта часть электронов переходит из полупроводника в металл; в полупроводнике появляется обедненный слой, содержащий положительный заряд ионов доноров. В обедненном слое возникает электриче­ское поле, препятствующее диффузии электронов к контакту (рис. 7.3, а).

В контакте металла с полупроводником p-типа работа выхода электронов из металла должна быть меньше, чем из полупроводника, то есть контактная разность потенциалов jмпб).

На зонных диаграммах рис. 7.3 изгиб зон вверх в полупроводнике n-типа (рис. 7.3, а) и вниз в полупроводнике p-типа (рис. 7.3, б) соответствует уменьшению концентрации основных носителей, образованию обедненных слоев и потенциальных барьеров jкn для электронов и jкp для дырок, переходящих из полупроводника в металл.

Потенциальный барьер в приконтактном слое называют барьером Шотки. Его высота jкn для электронов и jкp для дырок является аналогом величины jк в p-n переходе. В зависимости от полярности приложенного внешнего напряжения высота этого барьера и, соответственно, сопротивление приконтактного слоя будут меняться.

Теоретическая оценка высоты барьера jмп сложна; на практике используются экспериментальные величины jмп. Например, при контакте Al c n-Si высота барьера jмп=0,72 В, а при контакте Al c p-Si высота барьера jмп=0,58 В. Для других металлических покрытий (Au, Ag, Pt, W, PtSi, WSi) при контакте с Si или GaAs эта величина составляет 0,4…0,9 В.

Равновесная ширина l обедненного слоя контакта п/п – Ме, такая же как и для резко несимметричного p-n перехода . Чем выше высота барьера, тем больше ширина обедненного слоя.

В зависимости от полярности приложенного внешнего напряжения высота барьера jкn для электронов и jкp для дырок со стороны полупроводника будут меняться. Соответственно, будет изменяться и сопротивление приконтактного слоя.

При этом подача отрицательного потенциала U на n-полу­про­вод­ник или положительного – на p-полупроводник соответствует прямому напряжению на контакте п/п – Ме. Смена полярности приложенного напряжения соответствует включению обратного смещения.

Например, в контакте n-п/п – Ме при включении прямого напряжении U (плюсом к металлу, минусом к полупроводнику) уровень Ферми в металле, jFм, понижается относительно уровня Ферми в полупроводнике, jFn, на величину U, следовательно высота потенциального барьера, препятствующего переходу электронов из полупроводника в металл, уменьшается и становится равной jк – U. При включении обратного напряжения (минусом к металлу) уровень Ферми jFм повышается относительно jFn на величину U, поэтому высота потенциального барьера со стороны n-полупроводника увеличивается и становится равной jк +U. Величина контактной разности потенциалов jмп при этом остается неизменной.

Таким образом, контакты, показанные на рис. 7.3, обладают выпрямляющими свойствами и могут быть основой диодов. Диоды, использующие барьеры Шотки, называют диодами Шотки. ВАХ выпрямляющего контакта аппроксимируется уравнением:

где 10 -15 А/м 2 – плотность тока насыщения (уравнение Ричардсона), B≈1,1∙10 6 A/(м∙K) 2 - коэффициент, φмп –высота барьера металл-полупроводник.

Невыпрямляющий (омический) контакт используется практически во всех полупроводниковых приборах для формирования внешних выводов от полупроводниковых областей; для него характерны близкая к линейной ВАХ и малое сопротивление.

Для получения омического контакта межу металлом и полупроводником n- типа проводимости разность работ выхода jмпт. е. работа выхода электронов из металла,jм, должна быть меньше работы выхода из полупроводника,jп), а между металлом и полупроводником p-типа проводимости разность работ выхода jмп>0 (т. е. jм>jп ). В первом случае электроны будут переходить из металла в полупроводник и зоны искривятся "вниз" (рис. 7.4, а), а во втором случае электроны будут переходить из полупроводника в металл и зоны искривятся "вверх" (рис. 7.4, б). В таких контактах вблизи границы в полупроводнике накапливаются основные носители, то есть получаются обогащенные зоны.

Наличие обогащенного слоя означает, что сопротивление контакта определяется нейтральным слоем полупроводника и, следовательно, не зависит ни от величины, ни от полярности приложенного напряжения. Иными словами, в этом случае потенциальные барьеры для движения носителей тока со стороны полупроводника и металла практически отсутствуют.

Следует еще раз подчеркнуть, что реально в полупроводниках электронного типа проводимости существует отрицательный поверхностный заряд, плотность которого, отнесенная к заряду электрона, составляет от 10 12 …10 16 м -2 (для кремния) до 10 15 м -2 (для арсенида галлия). Под действием этого заряда электроны выталкиваются из приповерхностного слоя полупроводника, что так же способствует образованию обеденного слоя. Поэтому высота барьера jмп определяется не только разностью работ выхода, но и плотностью поверхностного заряда, а при очень высокой плотности поверхностного заряда (например, в арсениде галлия) практически не зависит от вида металла.

Переход металл – полупроводник

Для обеспечения соединения полупроводниковых приборов с элементами схемы любого электронного устройства необходимо использовать металлические проводниковые материалы, которые и образуют контакт между металлом и полупроводником. Оказалось, что свойства такого контакта определяются типом и характеристиками как полупроводника, так и металла и могут существенно различаться друг от друга.

Основную роль в контактных явлениях играет работа выхода из металла и полупроводника. Рассмотрим контакт металла с n – полупроводником. Работа выхода из металла ( Ам ) или полупроводника ( Аn ) определяется как работа, необходимая для перевода электрона с уровня Ферми в вакуум. На рис.4.15 –а)


Рисунок 4.15. Зонные диаграммы контакта металл - n – полупроводник		 изображена зонная диаграмма изолированных друг от друга металла и полупроводника n – типа, помещённых в вакуум. Уровень Ферми в металле расположен у вершины электронного распределения. Пусть работа выхода из металла больше работы выхода из полупроводника Ам > Аn. При соприкосновении металла с полупроводником электроны начнут переходить из вещества с большей энергией уровня Ферми в вещество с

меньшей энергией уровня Ферми, т.е. из полупроводника в металл потечёт поток электронов.

В результате металл начинает заряжаться отрицательно, а полупроводник – положительно и между ними у границы контакта возникают объёмные заряды и устанавливается контактная разность потенциалов Uкн, зависящая от разности Ам и Аn. Направленное перемещение электронов будет происходить до тех пор, пока уровни Ферми не выровняются и не установится состояние динамического равновесия ( рис. 4.15 – б). Вследствие малой концентрации электронов в полупроводнике ( на несколько порядков меньше, чем в металле) электроны будут идти из объёма, оставляя в приконтактном слое полупроводника нескомпенсированный положительный заряд доноров. В результате возникает слой, обеднённый носителями зарядов, т.е. слой повышенного сопротивления ( запирающий слой ).

Ширина области пространственного заряда в полупроводнике составляет единицы микрометров, а в металле – менее 10 – 4 мкм. В результате зоны энергии в приконтактной области полупроводника искривляются кверху (см. рис. 4.15 – б). Чтобы преодолеть контактный потенциальный барьер, электрон полупроводника или металла должен обладать энергией большей уровня Ферми на величину е ( Ам – Аn ). Обеднённая носителями область пространственного заряда, обладающая высоким сопротивлением и представляет собой переход металл – полупроводник, называемый переходом Шоттки по имени учёного, впервые описавшего его в 1938 году.

Очевидно, что пространственный заряд создаёт внутреннее электрическое поле, вектор напряжённости которого направлен от полупроводника к металлу. Электрическое поле внешнего источника напряжения, совпадающее по направлению с внутренним полем ( аналогично обратному включению р - n перехода ) увеличивает ширину области пространственного заряда, а противоположное ( как и при прямом включении р - n перехода ) уменьшает её. Таким образом, при образовании обеднённого слоя получается выпрямляющий переход металл – полупроводник.

На рис. 4.15 – в) показаны зонные диаграммы перехода металл – полупроводник n – типа, но материалы выбраны такими, что работа выхода из металла меньше работы выхода из полупроводника Аn > Aм. В результате преимущественный переход электронов будет происходить из металла в полупроводник, в приконтактном слое повысится концентрация электронов и понизится его сопротивление. Искривление энергетических зон в этом случае произойдёт в противоположную сторону. Слой полупроводника, в котором концентрация основных носителей заряда больше концентрации ионизированных доноров ( или акцепторов ) , называется обогащённым. Обогащённый слой имеет одинаковое сопротивление при любом направлении поля внешнего источника электрического напряжения, приложенного к переходу. В связи с этим такие контакты используются для внешних присоединений полупроводниковых приборов и называются омическими контактами.


Рисунок 4.16. Зонные диаграммы контакта металл - р – полупроводник.		 В случае контакта металла с дырочным полупроводником при Ам > Ар часть электронов из полупроводника уйдёт в металл, поэтому приконтактный слой будет иметь повышенную концентрацию дырок и пониженное сопротивление, т.е. станет обогащённым (см. рис. 4.16 - а). При обратном соотношении работ выхода из металла и р – полупроводника Ам

ческим полем, направленным от полупроводника к металлу, изгиб зон энергетической диаграммы для этого случая показан на рис. 4.16 – б).

Таким образом для создания выпрямляющего контакта используют n – полупроводник с работой выхода Ам > Аn, а также р – полупроводник с работой выхода Ам < Ар. Омический ( невыпрямляющий контакт ) образует n – полупроводник с работой выхода Аn >Aм и р- полупроводник с работой выхода Ам > Ар.

В переходах Шоттки отсутствуют процессы накопления и рассасывания неосновных носителей заряда, характерные для электронно – дырочных переходов. Это является причиной того, что приборы с переходом Шоттки обладают значительно более высоким быстродействием по сравнению с р – n переходом, что позволяет использовать их на частотах до 500 ГГц.

На рис. 4.17 приведена прямая ветвь ВАХ перехода Шоттки (1) и для сравнения одного из лучших p – n переходов (2). Отсюда наглядно видно, что переход металл – полупроводник имеет существенно меньшее падение напряжения в прямом направлении, чем p – n переход – это приводит к меньшим потерям при использовании приборов с переходом Шоттки.

Гетеропереходы

Рассмотренные ранее электронно – дырочные переходы относятся , как это уже указывалось, к гомогенным переходам ( гомопереходам ), т.е. полученным в одном полупроводнике с областями разного типа проводимости или одного типа, разной концентрации примеси. В последнее время всё большее распространение получают полупроводниковые приборы, построенные на гетеропереходах. Гетеропереходами называют переходы между различными полупроводниками, имеющими различную ширину запрещённой зоны.

Если имеются два различных полупроводника, то возможны четыре типа гетеропереходов в зависимости от характера примесей в этих полупроводниках: n1 – n2, р1 – р2, р1 – n2 , р2 – n1. Как особый случай гетероперехода можно представить переход металл – полупроводник, поэтому его мы рассмотрели в предыдущем параграфе.

Принципиально процессы в гетеропереходах не отличаются от ранее рассмотренных процессах в обычных электронно – дырочных переходах. Однако электрические параметры отличаются из –за особенностей материалов и технологии изготовления приборов на гетеропереходах. Так, например, диоды с гетеропереходами типа n1 – n2 или р1 – р2 обладают высоким быстродействием и высокой предельной частотой, так как в них отсутствует сравнительно медленный процесс накопления и рассасывания неосновных носителей, характерный для обычных переходов. Для гетеродиодов время переключения может менее 1 нсек.

Наиболее широко применяются следующие гетеропереходы: германий – арсенид галлия, германий – кремний, арсенид галлия – фосфид галлия, арсенид галлия – арсенид индия.

Основная проблема создания хороших гетеропереходов состоит в том, что трудно устранить дефекты, возникающие на границе двух различных полупроводников.

Читайте также: