7.1. Концептуальная диаграмма

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.2. Виды неоднородностей полупроводников

 

Распределение неоднородностей в полупроводниках, т.е. элементах объема, отличающихся физическими свойствами, может носить нерегулярный, случайный характер или регулярный характер, подчиненный определенной закономерности. Первый случай нас интересовать не будет, второй же имеет большое практическое значение. Регулярную неоднородность в полупроводнике принято называть электрическим переходом, поскольку такая неоднородность порождает электрическое поле.

Электрический переход – это область пространственного заряда, обусловленного наличием переходного слоя, заключенного между двумя областями полупроводника, отличающимися типом электропроводности или значением удельной электропроводности. Так как тип электропроводности и значение удельной электропроводности определяются шириной запрещенной зоны, составом и концентрацией примесей, то существуют электрические переходы двух основных видов.

Переходы первого вида представляют собой слои переменного химического состава, заключенные между областями разной химической природы и с неодинаковой шириной запрещенной зоны, имеющие вместе с тем единую кристаллическую решетку. Такие переходы называются гетеропереходами.

Переходы второго вида представляют собой слои с переменной концентрацией донорной и акцепторной примеси, заключенные между областями одинаковой химической природы, но содержащие разные по типу или концентрации примеси. Такие переходы называются гомогенными переходами или гомопереходами.

Современное электронное приборостроение основывается, главным образом, на использовании гомопереходов. Однако гетеропереходы обладают целым рядом замечательных свойств, и по мере совершенствования технологии приготовления удельный вес использования этих переходов в приборостроении будет, безусловно, возрастать. Особенно перспективно применение гетеропереходов в системах волоконно-оптической связи.

 

 

7.3. Электрический переход

 

Концентрация СНЗ в примесном полупроводнике определяется концентрацией донорной и акцепторной примесей, точнее их разностью. Поскольку эта величина в переходе непостоянна, то и концентрация СНЗ в переходе будет также непостоянной. Это приводит к нарушению локальной электрической нейтральности полупроводника, образованию пространственного заряда и внутреннего электрического поля.

Для лучшего уяснения процесса образования электрического поля в переходе допустим, что примеси в области неоднородности распределены плоскими слоями так, что величина N_d-N_a является функцией только одной координаты пространства – x, отсчитываемой в направлении, перпендикулярном к этим слоям (рис.7.1). Это предположение является не только модельно упрощением. Оно фактически наилучшим образом соответствует характеру распределения примесей в активных элементах полупроводниковых приборов, изготовляемых по наиболее современной планарной и планарно-эпитаксиальной технологии. Сущность планарной технологии заключается в том, что примеси вводятся через плоскую поверхность кристаллической пластинки методом диффузии или методом бомбардировки соответствующими ионами (ионная имплантация). Сущность планарно-эпитаксиальной технологии заключается в том, что перед процессом диффузии на кристаллической подложке наращивается из газовой среды или жидкого раствора тонкий плоский кристаллический слой с заданным составом примесей.

На рис.7.1. дано сечение некоторого кристалла плоскостью перпендикулярной к плоскостям равных концентраций примесей в переходе. Штриховкой показаны области I и II с _{равномерным} распределением примесей. Между ними лежит более или менее протяженная область перехода с неравномерным распределением примесей. Ось х направлена перпендикулярно к плоскостям равных концентраций. Начало координат выбрано в глубине одной из однородных областей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Допустим, для определенности, что N_d-N_a=ƒ(x) является возрастающей функцией х. Тогда, в неоднородной по концентрации примесей области, концентрация электронов должна являться возрастающей функцией х, а концентрация дырок, наоборот, убывающей функцией х. Иначе говоря, плотность электронного газа и его давление будут возрастать в направлении оси х. Плотность и давление дырочного газа будут убывать в направлении оси х. Но тогда, если на эти газы не действуют никакие другие силы, они должны смещаться как целое под действием существующего перепада давлений. Дырочный газ потечет в направлении оси х, электронный газ потечет в противоположном направлении. Если бы "молекулы" рассматриваемых газов были нейтральны, то перемещение происходило бы до тех пор, пока плотность и парциальное давление каждого из газов не стали бы одинаковыми по всему объему кристалла.

Но в нашем случае "молекулы" заряжены и, поэтому, смещение газов приводит к немедленному возникновению электрического поля, которое будет препятствовать их дальнейшему смещению. Равновесие наступит раньше, чем выровняется парциальное давление. Действительно, допустим на мгновение, что плотность электронного газа, т.е. концентрация электронов стала одинаковой по всему объему. Ясно, что эта величина будет иметь некоторое промежуточное значение между минимальным ее значением, соответствующим области I, и максимальным значением, соответствующим области II. Значит, концентрация электронов в левой части неоднородной области станет больше того значения, которое соответствует электрической нейтральности, а в правой части, наоборот, концентрация электронов станет меньше значения, соответствующего электрической нейтральности. Правая половина приобретает положительный заряд, а левая - отрицательный. Легко проследить, что к тому же последствию приводит и смещение дырочного газа. Совместно эти два эффекта обусловливают возникновение в полупроводнике поля, направленного так, как показано на рис.7.1. Смещение газов прекратится и в полупроводнике наступит динамическое равновесие, когда сила, действующая на любой элемент объема электронного (дырочного) газа, обусловленная перепадом давлений, будет уравновешена силой электрического поля, действующей на тот же элемент.

Таким образом, образование пространственного заряда в электрическом переходе, есть своеобразная поляризация полупроводника, обусловленная неоднородностью распределения примесей в нем и, возникающая как необходимое условие равновесия системы подвижных (СНЗ) и неподвижных (ионы доноров и акцепторов) электрических зарядов в полупроводнике.