БОЛЬШОЙ набор материала по курсу / 2) p-n переход / 2.Переход и потенциал

Классификация полупроводниковых приборов

Полупроводниковые приборы можно разделить на две большие группы: биполярные и униполярные. К биполярным приборам относятся: диоды с PN переходом, биполярные транзисторы, тиристоры. К униполярным относятся: диоды с контактом металл-полупроводник, диоды Ганна, полевые транзисторы. Кроме того, отдельную группу составляют приборы, в которых используются объемные свойства материала: термисторы, фоторезисторы, варисторы и т.п.

Основные уравнения, используемые для анализа полупроводниковых приборов

Левая часть уравнения непрерывности характеризует изменение концентрации со временем, в правой части уравнения первый член характеризует генерацию, второй рекомбинацию и третий изменение концентрации носителей заряда в рассматриваемом объеме за счет внешних потоков.

Полупроводниковые диоды

р-n-переход образуется на контакте двух полупроводников с различными типами проводимости - электронного и дырочного. Он является основным элементом огромного класса полупроводниковых приборов. Такое широкое применение связано с многообразием ценных для практического использования свойств р-n- перехода. Ими можно управлять, выбирая параметры полупроводников и меняя технологию изготовления р-n -перехода. Это позволяет наиболее подходящие для выбранной цели свойства делать основными свойствами устройства. В частности, нелинейность активного сопротивления перехода является основным свойством выпрямительных диодов, используемых для преобразования частоты, детектирования, выпрямления и ограничения сигналов.

Нелинейным является и реактивное (емкостное) сопротивление р-n- перехода. Это свойство - основное для диодов, используемых для генерации гармоник, модуляции и преобразования частоты, усиления СВЧ (сверхвысокочастотных) сигналов (параметрические усилители с малыми шумами), генерации и формирования импульсов.

Некоторые p–n- переходы имеют очень широкую область пространственного заряда (сотни микрометров). Проводимость таких диодов почти пропорциональна количеству накопленных неосновных носителей. Получающаяся структура накопленного заряда реагирует только на низкие частоты, что объясняется ее инерционностью. Поэтому такой диод на СВЧ будет представлять собой практически линейное сопротивление, значение которого регулируется внешним постоянным или низкочастотным напряжением. Диоды с управляемым сопротивлением могут успешно использоваться в СВЧ - переключателях, модуляторах СВЧ - мощности и аттенюаторах для управления амплитудой сигналов.

Некоторые p–n -переходы имеют на вольтамперной характеристике (ВАХ) участок с отрицательным сопротивлением (с ростом напряжения уменьшается ток или с ростом тока уменьшается напряжение). Его возникновение связано с такими физическими явлениями, как туннельный эффект, лавинные и пролетные явления в полупроводниковых структурах, высокочастотные неустойчивости в твердотельной плазме. Устройства с такими p–n -переходами используются в качестве усилителей и генераторов сверхвысоких частот.

Электронно-дырочный переход

Основу полупроводникового диода составляет электронно-дырочный переход (переход), создаваемый на границе между двумя полупроводниковыми слоями с разным типом проводимости: электронной и дырочной в едином монокристалле полупроводника. Рассмотрим полупроводниковый кристалл, одна область которого легирована акцепторной примесью, другая донорной, с резкой границей между ними (p-n-переход).

Н а границе между p и n слоями создается резкий градиент концентраций основных носителей заряда, т.е. и . Поскольку концентрация дырок в слое p значительно больше, чем в слое n, часть дырок из слоя p устремляется в слой n под действием градиента концентрации. Это диффузионный поток дырок через переход. Оказавшись в слое n, избыточные дырки будут рекомбинировать со свободными электронами n-слоя. При этом часть электронов израсходуется на рекомбинацию, концентрация их уменьшается, и “обнажаются” нескомпенсированные положительные заряды донорных атомов. Слева от границы в p-слое “обнажаются” нескомпенсированные отрицательные заряды акцепторных атомов, поскольку часть дырок ушла отсюда в слой n. (рис.)

Область “обнажившихся” неподвижных пространственных зарядов и есть собственно область перехода: ее протяженность обычно составляет несколько микрон. Эту область еще называют обедненной областью, поскольку в этой области концентрация подвижных носителей заряда (электронов и дырок) существенно меньше, чем в смежных областях p – и n- типа. В результате вблизи границы двух областей полупроводника с разным типом проводимости образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда и обладающий высоким электрическим сопротивлением – область пространственного заряда (это другое название того же обедненного слоя).

Этот двойной электрический слой определяет контактную разность потенциалов (потенциальный барьер). Для того чтобы переход был электрически нейтральным, суммарный заряд в переходе должен быть равен нулю, т.е. отрицательный заряд в левой части (p-область) и положительный заряд в правой части (n-область) должны быть одинаковыми (рисунок ). Из этого следует, что несимметричный переход сосредоточен в высокоомном слое. Напряженность поля в слое объемного заряда направлена от положительного заряда к отрицательному.

Поскольку в рассматриваемом случае концентрация акцепторов значительно выше концентрации доноров и поскольку заряды в обеих частях перехода одинаковы, то протяженность положительного заряда в слое n гораздо шире, чем отрицательного в слое p, т.е. .

Итак, в приконтактной P-области возникнет нескомпенсированный отрицательный заряд ионизованных акцепторов, в приконтактной N области возникнет положительный заряд ионизованных доноров. Образование двойного слоя пространственного заряда создаст внутреннее электрическое поле и соответственно потенциальный барьер, препятствующий диффузии.

Это поле препятствует дальнейшему преимущественному перемещению основных носителей. В равновесном состоянии преимущественное перемещение прекращается. С существованием этого поля связана разность потенциалов , которая носит название контактной.

Расчет показывает, что

где - энергетический уровень Ферми для полупроводника n-типа, - энергетический уровень Ферми для полупроводника p-типа, -элементарный электрический заряд.

Ширина p–n -перехода или ширина слоя объемного заряда составляет  10^-7 м. Электрическое поле p-n - перехода накладывается на внутреннее атомное поле в котором электрон находится внутри полупроводника. Величина напряженности  поля p-n - перехода ~10⁶ В/м существенно меньше напряженности атомных полей ~10⁸ В/м, поэтому поле объемного приконтактного заряда не изменяет зонной структуры, а лишь смещает зоны соседних полупроводников. В отсутствие внешнего напряжения уровни Ферми в обоих образцах совпадают, так как образцы n - и p- типов образуют теперь единую систему. Вдали от p–n- перехода структура зон остается неизменной, т.е. уровень Ферми близок к зоне проводимости в n- области и к валентной зоне в р -области. В таком случае неизбежно относительное смещение зон полупроводников n- и p-типов.

Э нергетическая диаграмма перехода в момент создания p-n перехода

Энергетическая диаграмма перехода в состоянии равновесия.

Выпрямляющие свойства p–n-перехода.

В силу непрерывного теплового движения в положении равновесия часть свободных носителей пересекает p–n-переход. Основные носители (электроны в полупроводнике n –типа и дырки в полупроводнике р-типа), пересекающие переход, создают ток J₀ одного направления. Неосновные носители (дырки в полупроводнике n–типа и электроны в полупроводнике р-типа), пересекающие переход, создают ток J_H противоположного направления. В отсутствии внешнего напряжения эти токи равны по величине и полный ток через p–n-переход равен нулю, т.е. J=J₀ - J_H=0.Поскольку при пересечении перехода основные носители преодолевают потенциальный барьер , а неосновные – не преодолевают, то внешним напряжением можно регулировать значение полного тока J=J₀ - J_H через p-n-переход, изменяя J₀. Если направление поля внешнего напряжения V противоположно направлению контактного поля , то суммарный потенциальный барьер для основных носителей уменьшается. Равновесие нарушается и через p–n-переход течет суммарный ток, который при >0 может достигать очень большой величины, так как характеризуется преимущественным током основных носителей. Такой ток возникает, если "+" внешнего напряжения прикладывается к полупроводнику р–типа и “ -“ к полупроводнику n-типа. Напряжение указанной полярности на диоде (и соответствующий ему ток) называется положительным.

Если внешнее поле совпадает по направлении с контактным, то суммарный потенциальный барьер для основных носителей возрастает. Равновесие опять нарушается и через р-n -переход течет суммарный ток, направленный противоположно положительному току. Величина его теперь определяется преимущественным переходом неосновных носителей, концентрация которых мала, поэтому и ток невелик. Этот ток и соответствующее ему напряжение на p-n-переходе называются отрицательными.

Расчет показывает, что полный ток основных и неосновных носителей через p-n-переход

где - тепловой ток. Его еще называют током неосновных носителей или током насыщения. - внешнее напряжение на р-n - переходе.

Теоретическая зависимость тока от напряжения, т.е., ВАХ р-n-перехода , изображена на рис..

Расчет контактной разности потенциалов.

Зависимость граничной концентрации носителей заряда от внешнего смещения.

На картинке показаны энергетические диаграммы для P и N областей "до контакта" (слева) и "после контакта" (справа). Фp и Фn- термодинамические работы выхода для "Р" и "N" областей, qUк- величина потенциального барьера, возникающего на границе PN-перехода.