Выводы по лекции

Таким образом, эффектом поля называют изменение концентрации носителей (а, значит, и проводимости) в приповерхностном слое полупроводника под действием электрического поля.

Слой с повышенной (по сравнению с объемом) концентрацией основных носителей называют обогащенным, а слой с пониженной их концентрацией — обедненным.

Особенностью эффекта поля в примесных полупроводниках по сравнению с собственными является возможность получения как обогащенных, так и обедненных слоев.

Режим обогащения соответствует такой полярности приложенного напряжения, при которой основные носители притягиваются к поверхности.

Режим обеднения соответствует такой полярности приложенного напряжения, при которой основные носители отталкиваются от поверхности.

Эффект внешнего поля лежит в основе принципа действия полевых транзисторов с изолированным затвором.

 

Теоретические вопросы для самоконтроля

1. Электроны и дырки в кристаллической решетке полупроводника 2. Собственные и примесные полупроводники 3. Носители заряда и их распределение в зонах проводимости 4. Рекомбинация носителей заряда 5. Законы движения носителей заряда в полупроводниках 6. Общие сведения об эффекте поля 7. Эффект поля в собственном полупроводнике 8. Эффект поля в примесном полупроводнике

 

Тема №3: Свойства электронно-дырочных переходов

Лекция № 7: Электронно-дырочные переходы

Электрическим переходом называют переходной слой в полупроводнике между двумя областями с различными типами или величинами удельной электропроводности.

Виды электрических переходов:

· электронно-электронный

· электронно-дырочный

· дырочно-дырочный

· между примесным и чистым полупроводниками

· полупроводником и металлом

· диэлектриком и полупроводником и т.д.

Следует заметить, что электрический переход нельзя создать путем механического контакта двух кристаллов полупроводника, так как поверхности таких кристаллов загрязнены атомами других веществ, окислами полупроводника и т.п. Для изготовления переходов используются различные технологические методы, например, легирование части кристалла n -полупроводника акцепторными примесями путем их диффузии из газообразной или жидкой среды, содержащей атомы нужной примеси (диффузионный переход). Используют также метод вплавления в полупроводник металла или сплава, содержащего акцепторные или донорные примеси (сплавной переход), и др.

 

1 Структура p-n- перехода

Переходной слой между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет проводимость p -типа, а другая – n -типа, называют электронно-дырочным переходом или p-n переходом.

Комбинация двух полупроводниковых слоев с разным типом проводимости (рис. 3.1, а) обладает выпрямляющими или вентильными свойствами: она гораздо лучше пропускает в одном направлении, чем в другом.

Полярность напряжения, соответствующая большим токам, называется прямой, а меньшим — обратной. Обычно пользуются терминами прямое и обратное напряжение, прямой и обратный ток.

Рис. 3.1. Полупроводниковый диод

а – упрощенная структура; б – условное обозначение

Поверхность, по которой контактируют слои р и n, называется металлургической границей, а прилегающая к ней область объемных зарядов — электронно-дырочным переходом или р-n-переходом.

Выпрямительные свойства рассматриваемой структуры позволяют использовать ее в качестве полупроводникового диода. На рис. 3.1, б показаны символическое обозначение диода, направление прямого тока и полярность прямого напряжения.

Два других (внешних) контакта в диоде — невыпрямляющие, поэтому их называют омическими.

Структура р-n -перехода. Электронно-дырочные переходы классифицируют по резкости металлургической границы и по соотношению удельных сопротивлений слоев.

Ступенчатыми переходами называют переходы с идеальной границей, по одну сторону которой находятся доноры с постоянной концентрацией N _д, а по другую — акцепторы с постоянной концентрацией N _а. Такие переходы наиболее просты для анализа.

Плавными переходами называют такие, у которых в районе металлургической границы концентрация одного типа примеси постепенно уменьшается, а другого типа — растет. Сама металлургическая граница в этом случае соответствует равенству примесных концентраций (N _д = N _а).

По соотношению концентраций примесей в p- и n -слоях переходы делят на симметричные, несимметричные и односторонние.

Симметричные переходы характерны условием N _{д n} ≈ N _{a p} , где N _{д n} и N _{a p} — концентрации примесей в соответствующих слоях.

 

Рис.3.2. Электрическая структура p-n перехода:

а – начальное состояние слоев; б – объемные заряды в реальном переходе; в – объемные заряды в идеализированном переходе

 

Симметричные переходы не типичны для полупроводниковой техники.

В случае резкой асимметрии, когда концентрации примесей (а значит, и основных носителей) различаются на 1–2 порядка и более, переходы называют односторонними и обозначают символами n⁺–р или p⁺–n, где верхний индекс «+» соответствует слою со значительно большей концентрацией.

На рис. 3.2 показана электрическая структура p-n -перехода. Для наглядности разница в концентрациях основных носителей n_{n 0} и р_{p 0} принята меньшей, чем это имеет место в действительности.

 

2 Равновесное состояние p-n- перехода

Рассмотрим полупроводник, одна часть которого имеет проводимость p -типа, а другая - n -типа, рис.3.3. Будем считать, что концентрации акцепторной и донорной примесей равны (такой переход называется симметричным). В p- области концентрация дырок, как основных носителей, выше, чем в n -области. Аналогично концентрация электронов в n -области выше, чем в p- области.

Такое распределение концентрации одноименных носителей заряда в кристалле вызывает диффузию дырок из p- области в n -область, а электронов - из n- области в p -область (т.е. возникает диффузионный ток через границу раздела областей).

Общий диффузионный ток направлен сторону движения дырок и равен сумме электронного и дырочного токов:

(3.1)

В результате в прилегающей к границе p-области возникает нескомпенсированный заряд отрицательных ионов акцептора, а со стороны n-области – положительных ионов донора.

Диффузия основных носителей приводит к образованию на границе n - и p -областей объемного заряда в виде двойного электрического слоя, образованного ионами акцептора и донора.

Электроны и дырки же при переходе в другую область быстро рекомбинируют с основными носителями.

Двойной электрический слой обеднен подвижными носителями заряда и поэтому обладает повышенным сопротивлением (его еще называют запорным слоем).

Рис. 3.3. Равновесное состояние p - n перехода

 

Заряд отрицательных ионов акцептора понижает потенциал p-области до значения -j_p, а положительных донора – повышает потенциал n-области до +j_n. Изменение потенциала от -j_p до +j_n происходит только в пределах ширины запорного слоя d.

Разность потенциалов:

j _k = +j _n – (-j _p) = j _n + j _p (3.2)

называется диффузионным потенциалом или контактной разностью потенциалов.

Между зарядами запорного слоя возникает контактное (внутреннее) или диффузионное электрическое поле напряженностью:

E_i = j _k /d, (3.3)

направленное от положительных зарядов к отрицательным.

Поле E_i является тормозящим для основных носителей заряда. По этой причине не происходит полного выравнивания концентраций носителей в p - и n -областях.

Возникающий на границе раздела p - и n -областей запорный слой с присущим ему потенциальным барьером

W_б =e^.j _k (3.4)

по существу и является p-n переходом.

Для неосновных носителей поле E_i является ускоряющим. Они, попадая в пределы этого поля, свободно переходят в противоположные области, образуя ток дрейфа, направленный навстречу диффузионному. Этот процесс называется экстракцией носителей.

Плотность дрейфового тока

.

(3.5)

где - подвижности.

В конечном итоге наступает динамическое равновесие

I_p-n = I _диф + I _др = 0. (3.6)

3 Неравновесное состояние p-n- перехода

Если подключить источник э.д.с. U между р- и n -слоями, то равновесие перехода нарушится. Выше уже подчеркивалось, что

удельное сопротивление обедненного слоя намного выше, чем удельные сопротивления нейтральных слоев. Поэтому внешнее напряжение практически полностью падает на переходе, а значит, изменение высоты потенциального барьера равно значению приложенной э.д.с.

Прямое включение p-n перехода.

Когда источник внешнего напряжения подключен плюсовым выводом к p- области, а минусовым выводом к n -области, то такое включение p-n перехода в электрическую цепь называется прямым.

В случае противоположного включения – обратным.

Условия переноса зарядов через p-n переход существенно изменяются, если к нему приложено некоторое внешнее напряжение.

Так как сопротивление p-n перехода значительно превышает сопротивление p - и n -областей, то внешнее напряжение практически полностью падает на переходе, создавая внешнее электрическое поле Е _вн. При прямом включении внешнее поле направлено навстречу внутреннему E_i. Напряженность результирующего поля и потенциальный барьер уменьшаются до величины:

.

(3.7)

Основные носители притекают к p-n переходу, уменьшая их недостаток в приконтактных областях. Т олщина перехода становится меньше и сопротивление его уменьшается.

Снижение потенциального барьера ведет к резкому увеличению диффузии основных носителей и, следовательно, росту тока диффузии I _диф.

Иначе говоря, при подключении к переходу прямого напряжения развивается диффузионное движение частиц через запирающий слой в ту область, где они являются неосновными носителями (дырок – в n -область и электронов в p- область.

Этот процесс называют инжекцией неосновных носителей заряда.

Количество неосновных носителей, дрейфующих через p - n переход, при этом уменьшается и при U _пр > j _k прекращается совсем. Однако концентрация неосновных носителей невелика, поэтому этот эффект заметного влияния на общий ток в цепи не оказывает.

Инжектированные носители диффундируют от p - n перехода вглубь областей и рекомбинируют с основными носителями по мере удаления от перехода.

Количество носителей уменьшается по мере удаления от перехода по экспоненциальному закону согласно (2.27), время, за которое концентрация инжектированных носителей уменьшается в e раз, называют временем жизни неосновных носителей, а расстояние L (2.33), которое они при этом проходят – диффузионной длиной.

	, где D – коэффициент диффузии.
Таким образом .	(3.8)

Этот ток называется прямым, его направление совпадает с направлением движения дырок.

Прямой ток образуется основными носителями:

дырками, двигающимися из валентной зоны p- области в валентную зону n -области;

электронами, двигающимися из зоны проводимости n -области в зону проводимости p- области.

При ½ U _вн½> j _k p - n переход фактически исчезает.

 

Обратное включение p-n перехода. В этом случае внешнее напряжение U _обр создает электрическое поле Е _вн, совпадающее по направлению с диффузионным полем E_i, что приводит к росту потенциального барьера

D W б = е ×(j k + U обр).

(3.9)

Ширина запирающего слоя и, как результат, его сопротивление увеличиваются. Возросший потенциальный барьер могут преодолеть лишь отдельные основные носители, имеющие достаточно большую энергию, то есть диффузионный ток стремиться к нулю.

Результирующее поле в p - n переходе для неосновных носителей будет ускоряющим и они свободно проходят через переход, образуя так называемый обратный токI ₀. Из-за малой концентрации неосновных носителей даже при увеличении обратного напряжения U _обр обратный ток I ₀ практически не растет.

 

4 Вольт-амперная характеристика p-n- перехода

Зависимость величины тока через переход от приложенного напряжения отражает его вольтамперная характеристика, рис.3.4.

Теоретически доказано, что вах. p - n перехода описывается выражением:

Рис.3.4. Вольтамперная характеристика p - n перехода

 

(3.10)

Поскольку I _пр»(10³…10⁵)× I ₀, то можно говорить о практически односторонней проводимости p - n перехода, что хорошо видно из вольт-амперной характеристики p - n перехода.

 

Прямая ветвь ВАХ. При напряжениях U>;0 малейшее изменение напряжения вызывает существенное изменение тока.

Различают два режима работы перехода — нормальный, когда ток порядка миллиампера, и микрорежим, когда ток порядка микроампера.

В зависимости от диапазона токов прямые напряжения несколько различаются, но в пределах диапазона их можно считать постоянными и рассматривать как своего рода параметр открытого кремниевого перехода.

U* называют на пряжением открытого перехода. При комнатной температуре в нормальном режиме U* = 0,7 В, а в микрорежиме U* = 0,5 В. Напряжение U* зависит от температуры при неизменном токе.

Один из важнейших параметров прямой ветви ВАХ — дифференциальное сопротивление перехода. Для начального (невырожденного) участка

(3.11)

Или, с учетом конечными приращений

(3.12)

дифференциальное сопротивление перехода r_p-n есть сопротивление для приращений тока Δ I, малых по сравнению с постоянной составляющей тока I, определяющей величину r_p-n. Типичным значением является r_p-n = 25 Ом, соответствующее току I = 1 мА.