29. Частотные и импульсные характеристики p-n - переходов. Барьерная и диффузионная емкость.

Изменение внешнего напряжения на переходе приводит к изменению заряда нескомпенсированных ионов примеси в приконтактной области перехода. Поэтому переход на пере­менном сигнале ведет себя подобно емкости. Эту емкость называют барьерной, так как она связана с образованием потенциального барьера между p- и n- областями перехода. Величина барьерной емкости по общему определению емко­сти равна .Для резкого p—n- перехода полный заряд нескомпенсирован­ных ионов примеси в переходе определится как , где S — площадь p—n - перехода. Тогда барьерная емкость резкого p—n - перехода определится как: . Для плавного перехода с линейным распределением примеси барьерная емкость равна _. Барьерная емкость p—n-перехода увеличивается с увеличением степени легиро­вания p- и n- областей и нелинейно зависит от внешнего на­пряжения. Уменьшение барьерной емкости с ростом обрат­ного напряжения объясняется расширением области объем­ного заряда p—n-перехода, что можно отождествить с уве­личением толщины диэлектрика между обкладками плоского конденсатора. При изменении прямого напряжения на переходе в обла­стях, прилегающих к р-n- переходу, изменяются концентра­ция инжектированных носителей и величина заряда, обуслов­ленного этими носителями. Это изменение заряда подвижных носителей в пограничных слоях p- и n-областей перехода отождествляется с наличием диффузион­ной емкости перехода . Величина прямо пропорциональ­на прямому току перехода и уменьшается с уменьшением времени жизни носителей .

Рис. 2.13. Зависимость барьер­ной емкости p—n - перехода от напряжения	Рис. 2.14. Эквивалентная схема p—п - перехода в области высоких частот

Емкостные свойства p—n - переходов учитываются при ана­лизе его работы в области высоких частот. При этом можно использовать эквивалентную схему p—n - перехода, показан­ную на рис. 2.14. На этой эквивалентной схеме r — сопротив­ление объемов p- и n- областей; r_п — сопротивление перехода; — емкость перехода. При отпирающем смещении перехода и , а при запирающем смещении и .

Рис. Диффузионная ёмкость

30. Контакт металл-полупроводник. Барьер Шоттки.

Свойства контакта металл-полупроводник зависят от взаимного расположения уровней Ферми в металле и полупроводнике или, что то же самое, от соотношения работ выхода полупроводника и металла. Как известно, работа выхода, определяется как минимальная энергия, необходимая для перевода электрона с уровня Ферми в вакуум. Обозначим , - работы выхода металла и полупроводника. Работа выхода может быть больше или меньше , а полупроводник может быть как донорным, так и акцепторным, т.е. возможны 4 типа контактов: 1) Донорный полупроводник-металл, . Так как , то свободные электроны в полупроводнике оказываются на более высоких энергетических уровнях, чем электроны в металле, поэтому в первое мгновение контакта электроны из полупроводника начинают переходить в металл. При этом на границе появляется двойной электрический слой или область объемного заряда как в p-n – переходе.

Рис. Зонная диаграмма изолированных металла и полупроводника n-типа.

В полупроводнике на границе раздела оказываются положительные нескомпенсированные ионы доноров, а в металле на границе нескомпенсированные электроны. Электрическое поле этой области будет препятствовать переходу электронов из полупроводника в металл. Величина этого поля устанавливается такой, что уровни Ферми в металле и полупроводнике сравниваются, при этом между металлом и полупроводником устанавливается контактная разность потенциалов равная _. В рассматриваемом контакте область объемного заряда обеднена подвижными основными носителями. Уровень Ферми в приконтактной области полупроводника более удален от дна зоны проводимости по сравнению с основным объемом полупроводника. Поэтому сопротивление приконтактной области повышено по сравнению с сопротивлением других областей контакта. При приложении внешнего напряжения сопротивление контакта будет повышаться или уменьшаться, определяя величину тока через контакт. Поэтому такой контакт оказывается запорным или выпрямляющим.

Рис. Зонная диаграмма выпрямляющего контакта металл - полупроводник n-типа.

2) Донорный полупроводник-металл, В первое мгновение контакта электроны начнут переходить из металла в полупроводник. В приконтактной области полупроводника появляется отрицательный заряд неравновесных электронов, а в металле положительный нескомпенсированный заряд ионов. Поле этого заряда будет мешать движению электронов из металла в полупроводник и его величина будет такой, чтобы установилось равенство уровней Ферми. В таком контакте область объемного заряда в полупроводнике обогащена основными носителями и её сопротивление меньше сопротивления полупроводника в глубине n- области. Поэтому при любой полярности приложенного напряжения, сопротивление такого контакта не будет влиять на суммарное сопротивление металл-полупроводник и контакт не будет обладать вентильными свойствами. Такие контакты называются антизапорными или невыпрямляющими.

Зонная диаграмма невыпрямляющего контакта металл - полупроводник n-типа.

3) Акцепторный полупроводник-металл, Часть электронов перейдет из металла в полупроводник p-типа. Появление дополнительных электронов в приповерхностном слое полупроводника приводит к усиленной рекомбинации. В результате уменьшается количество основных носителей – дырок, и вблизи границы с металлом оказываются некомпенсированные отрицательные ионы акцепторов. Появляется электрическое поле, которое препятствует дальнейшему притоку электронов и энергетические уровни оказываются искривленными.

Рис. Зонная диаграмма изолированных металла и полупроводника p-типа.

В этом случае поле будет отталкивать дырки в приконтактной области полупроводника, область объемного заряда в полупроводнике обеднена основными носителями, т.е. её сопротивление повышено, контакт запорный, выпрямляющий.

Зонная диаграмма выпрямляющего контакта металл - полупроводник p-типа.

4) Акцепторный полупроводник-металл, .

Рис. Зонная диаграмма изолированных металла и полупроводника p-типа.

Часть электронов перейдет из полупроводника p-типа в металл. Уход электронов из приповерхностного слоя полупроводника уменьшит рекомбинацию. В результате увеличивается количество основных носителей – дырок, и вблизи границы с металлом оказываются некомпенсированные положительный заряд. Вблизи контактной области концентрация электронов убывает, а концентрация дырок в валентной зоне возрастает по сравнению с этими значениями в глубине полупроводника. Появляется электрическое поле, которое препятствует дальнейшему оттоку электронов и энергетические уровни оказываются искривленными.

Зонная диаграмма невыпрямляющего контакта металл - полупроводник p-типа.

В этом случае поле будет притягивать дырки в приконтактной области полупроводника, область объемного заряда в полупроводнике обогащена основными носителями, т.е. её сопротивление понижено, контакт антизапорный, невыпрямляющий.

Контакт Шоттки. Запорные или выпрямляющие контакты металл-полупроводник называют контактами Шоттки. Контакты Шоттки имеют примерно такую же экспоненциальную характеристику, как и p-n переходы. , где I_S – обратный ток, его формула отлична от I₀ p-n перехода. Тепловой ток I_S существенно больше, чем I₀ , так диффузионная скорость D/L для p-n перехода у диода Шоттки заменяется на среднюю тепловую скорость носителей v_T, которая примерно на 3 порядка больше, в таком же отношении различаются и тепловые токи. Особенность контакта Шоттки в том, что прямой ток в любой области контакта переносится основными носителями. Например, в выпрямляющем контакте полупроводник n-типа – металл, прямое смещение осуществляется приложением к полупроводнику отрицательного, а к металлу положительного внешнего напряжения U. При этом потенциальный барьер для электронов в полупроводнике уменьшается, что увеличивает их переход в металл. Потенциальный барьер в металле остается высоким и переход электронов из металла в полупроводник затруднен, поэтому при прямом смещении прямой ток в таком контакте переносится только электронами, т.е. основными носителями, как для полупроводника, так и для металла. Поэтому при прямом смещении не происходит заметное накопление неравновесных носителей и .

Контакт Шоттки.

Тогда при переключении контакта с прямого напряжение на обратное и наоборот его инерционность обусловлена только перезарядом барьерной емкости, а не накоплением или рассасыванием неравновесных носителей как в обычном p-n переходе. Поэтому контакты Шоттки могут выпрямлять токи гораздо большей частоты, чем p-n переходы. Обычно контакты Шоттки изготовляют на основе Al и Si, при контакте таких материалов В. Для n-Si барьер Шоттки составляет 0,6-0,8 эВ, для p-Si – 0,4-0,6 эВ, для n-GaAs 0,8 эВ, для p-GaAs 0,6 эВ. Прямое напряжение на контакте будет такого же порядка, т.е. меньше чем в кремниевых p-n переходах. Малая величина прямого напряжения – вторая важная особенность контакта Шоттки. Третья особенность – более протяженный логарифмический участок ВАХ. (например, на протяжении нескольких декад от 10^-12­­ до 10^-4 – прецизионный логарифмирующий элемент).

31. Омический переход на контакте полупроводников с одним типом проводимости.

При контакте двух полупровод­ников с электропроводностью одного типа, но с различными значениями удельной электрической проводимо­сти происходят процессы, аналогич­ные процессам в p-n - переходе, т. е. носители заряда из области с большей концентрацией диффундируют в об­ласть с меньшей концентрацией. В сильнолегированной области наруша­ется компенсация заряда ионизиро­ванных примесей, а в слаболегирован­ной — создается избыток основных носителей заряда (рис. 2.13, в). Таким образом, на контакте двух полупро­водников с электропроводностью од­ного типа, но с различными значе­ниями удельной электрической прово­димости также образуются область пространственного заряда, диффузи­онное электрическое поле и контакт­ная разность потенциалов. Но в отли­чие от p-n - перехода в данном случае в слаболегированной области объем­ный заряд образуется в результате из­быточной концентрации основных но­сителей заряда. Переходный слой в полупро­воднике между двумя областями с электропро­водностью n-типа, обла­дающими раз­личными значениями удельной элек­трической проводимо­сти, в котором существует диффузи­онное электриче­ское поле, называют электронно-элек­тронным переходом (n-n+-переходом).

Рис. 2.13. Омический переход между полупроводниками с одним типом электропровод­ности: а — структура перехода, б — энергетическая диаграмма, в — зависимости концентрации при­месей и концентрации носителей заряда от координаты.

Аналогичные процессы происходят вблизи границы раздела двух областей полупроводника с электропроводностью p- типа. Переходный слой в полупроводнике между двумя областями с электропроводностью р- типа, обладающими различными значениями удельной электрической проводимости, в котором существует диффузионное электрическое поле, называют дырочно- дырочным переходом (р-р+ -переходом) между полупроводниками. Знак «+» (плюс) в этих терминах условно означает область с более высокой удельной электрической проводимостью, т. е. с большей концентрацией соответствующей примеси. Контактная разность потенциалов на таких переходах определяется соотношениями, аналогичными: для n-n⁺ перехода: ; для p-p⁺ перехода: .Распределение носителей заряда в n-n+-переходе (рис. 2.13, в) показывает, что в отличие от р-n - перехода в данном случае отсутствует обедненный слой — слой с меньшей концентрацией основных носителей заряда по сравнению с концентрацией носителей заряда в слаболегированной области. При приложении внешнего напряжения к структуре с n-n+-переходом практически все напряжение падает на слаболегированной (высокоомной) области. Поэтому высота потенциального барьера на n-n⁺-переходе не зависит от полярности приложенного напряжения и от его значения. Таким образом, n-n⁺-переход (и р-р⁺ - переход) имеет малое сопротивление по сравнению с сопротивлением слаболегированной области и не обладает выпрямляющими свойствами. Переход, электрическое сопротивление которого не зависит от направления тока в заданном диапазоне значений токов, называют омическим переходом. Другой особенностью n-n⁺ - перехода (и р-р⁺ - перехода) является отсутствие инжекции неосновных носителей заряда в слаболегированную область. Действительно, если внешнее напряжение приложено положительным потенциалом к n-области n-n⁺-перехода, что аналогично прямому включению p-n- перехода, то из n⁺-области в n-область вводятся электроны, которые являются основными носителями заряда. При противоположной полярности дырочный ток из n⁺-области в n-область аналогичен обратному току через p-n-переход. Однако из-за ничтожно малой концентрации неосновных носителей заряда в сильнолегированной n⁺-области [см. (1.15) закон действующих масс ] поток дырок в высокоомную n-область также оказывается ничтожно малым. Омические и неинжектирующие переходы широко используют в полупроводниковых приборах наряду с выпрямляющими и инжектирующими. Однако из-за существования на n-n⁺-переходе (и на p-p⁺-переходе) потенциального барьера для неосновных носителей заряда, двигающихся из слаболегированной области к переходу, может происходить накопление этих неосновных носителей вблизи перехода при определенной полярности внешнего напряжения (рис. 2.14). При приложении внешнего напряжения оно падает в основном в объеме слаболегированной области, где возникает наклон энергетических уровней и зон, приводящий к образованию потенциальной ямы для неосновных носителей заряда. Эффект накопления неосновных носителей заряда и последующего их рассасывания — эффект инерционный. Поэтому он может ухудшать быстродействие полупроводниковых приборов.

Рис. 2.14. Накопление неосновных носителей заряда (дырок) вблизи омического перехода между полупроводниками с электропроводностью n-типа при наличии внешнего электрического поля