Самостійна робота 9
Визначення та класифікація електричних переходів
Електричні напівпровідникові переходи.
Робота більшості по-лупроводниковых і мікроелектронних приладів заснована на використанні властивостей електричних переходів, під якими розуміють перехідні шари між двома твердими тілами з різними типами провідності або з різними значеннями провідності.
Приклади найважливіших переходів.
1) Між напівпровідниками р-и n - типу (це р - n - перехід або електронно-дірковий перехід - скорочено ЭДП).
2) Між напівпровідником і металом (це перехід Шотки або перехід "метал-напівпровідник").
3) Між напівпровідником і металом через діелектрик (це структури метал-діелектрик (оксид) - напівпровідник; МДП або МОН ).
Якщо електричний опір переходу при одній полярності при-ложенного до нього напруги більше, ніж при іншій, то такий перехід явля-ется що випрямляє. Він використовується для випрямлення змінного электри-ческого струму, перетворення і генерації електричних сигналів. На основі таких переходів формуються діоди, транзистори, варактори та ін. электрон-ные прилади.
Якщо величина опору переходу не залежить від полярності прило-женного до нього напруга, то такий перехід є таким, що не випрямляє. Не-випрямляючі переходи (чи омічні контакти) широко використовуються для формування електричних виводів від напівпровідникових областей различ-ных електронних приладів і інтегральних мікросхем.
Електронно-дірковий перехід.
Електронно-дірковий або
р- n - пере-ход - це перехідний шар між напівпровідниками р- і n -типа, збіднений рухливими носіями зарядів і що має дифузійне (контактне) електричне поле.
Об'ємне представлення ЭДП дане на рис.1.2.1. На цьому малюнку показані р і n - напівпровідникові області, розділені металургійною межею, тобто межею, при якій відстань між напівпровідниками не перевищує постійної кристалічної решітки. По обидві сторони межі розташовано два тонкі шари, складові власне перехід, і досить товсті об-ласти напівпровідників р - і n - типу.
Товста область р -типа характерна тим, що в ній заряди негативних іонів акцепторної домішки компенсуються зарядами дірок, а товста об-ласть n - типу - тим, що в ній позитивні заряди іонів донорної домішки компенсуються зарядами електронів. Внаслідок цього обидві товсті області напівпровідників електрично нейтральні
Тонкі області напівпровідників мають знижені концентрації элек-тронов і дірок, але такі ж концентрації іонів, як і товсті області. Внаслідок цього заряди електронів і дірок не можуть повністю компенсиро-вать заряди іонів домішок що приводить до освіти в цих областях объ-емных электриче-ских зарядів : по-ложительною в n - області і отрица-тельного в р - об-ласти.
Між объ-емными зарядами існує элек-трическое поле, зване кон-тактным або дифузійним. Наявність цього поля є головним чинником, що надає переходу цілий ряд таких властивостей, які роблять його основним структурним елементом усієї напівпровідникової і значною мірою інтегральною элек-троники.
Мал. 1.2.1 Об'ємне представлення ЭДП
2. Утворення електронно-діркового переходу
Розглянемо утворення ЭДП користуючись рис.2.1
2.1 Початковий стан: є два напівпровідники - один р- типу, а дру-гой n - типу. Структури електричних зарядів і розподілу НЗ в цих по-лупроводниках представлені на мал. 2. 1, а, би, з яких видно, що , .
2.2 При створенні металургійного контакту між напівпровідниками і відсутності зовнішнього електричного поля (Uвн) в приконтактних областях напівпровідників відбуваються наступні фізичні процеси.
1) На межі р- і n - напівпровідників виникають градієнти концентра-ции електронів і дірок, обумовлені різницями концентрацій ∆p=ppo, - pno і ∆n=nno - npo. Під дією градієнтів концентрацій відбувається, зустрічна дифузія: дірок з р- в n - область (оскільки ppo>>pno), а електронів - з n області в р - область (оскільки nno>npo ) - рис.2.1, в, р. Зустрічна дифузія ОНЗ викликає:
утворення дифузійного струму, що складається з діркової і электрон-ной складових, : ;
рекомбінацію електронів і дірок, внаслідок чого частина зарядів по-ложительных і негативних іонів домішок виявляється не скомпенсиро-ванной.
Рис.2.1.
Сукупності некомпенсованих електричних зарядів іонів обра-зуют два рівних за величиною об'ємних заряду; позитивний в і області і негативний в р - області.
Динаміка утворення об'ємних зарядів показана на мал. 2.1, г, а конеч-ный результат освіти їх - на мал. 2.1, д.
2) Між позитивним і негативним об'ємними зарядами возни-кает контактне (дифузійне) поле Теньк, спрямоване завжди з n - в p -область і існуюче тільки в області переходу (рис.2.1, е). На цьому процес формування ЭДП закінчується.
3) Електричне поле Теньк чинить наступні дії на электри-ческие носії заряду, що знаходяться в об'ємі ЭДП, :
викликає дрейф неосновних НЗ через перехід електронів з р- в n - об-ласть, а дірок - з n - в р- область (рис.2.1, ж). Наслідком дрейфу є по-явление і зростання дрейфового струму того, що має напрям, про-тивоположное напряму дифузійного струму (мал. 2.1, в і 2.1, ж).
уповільнює (гальмує) дифузію основних НЗ, внаслідок чого через перехід проходять тільки ті ОНЗ, які мають енергію, достатню для подолання гальмівної дії поля, що призводить до зменшення диффу-зионного струму Iдф.
Таким чином, градієнти концентрації електронів і дірок викликають дифузійний потік ОНЗ, а контактна різниця потенціалів - дрейфовий по-ток НОНЗ. Наростання дифузійного і дрейфового потоків З триває до тих пір, поки вони не зрівняються, внаслідок чого сумарний струм через пере-ход стане рівним нулю:
4) Гальмівна дія поля Теньк відносно дифузійного потоку НЗ 0 розглядається як потенційний бар'єр (ПБ), існуючий тільки для основних НЗ. Основним параметром цього бар'єру є його висота, обо-значаемая UПБ
Висоту ПБ визначають з розподілу електричного потенціалу φ по структурі ЭДП (мал. 2.1, з);
- - на металургійній межі φ=0;
- - зліва від цієї межі в р - області φ<0 (оскільки об'ємний заряд негативний), у міру видалення від межі потенціал зростає, досягає максі-мума на межі з нейтральною областю, а в нейтральній області залишається по-стоянным (φp<0=const).
- - праворуч від металургійної межі в n - області φ > 0 (оскільки объем-ный заряд позитивний), зростає у міру видалення від межі; досягає максимуму на межі з нейтральною областю і залишається постійним в ній (φn > 0 = const)
Різниця потенціалів на межі ЭДП, звана контактною. опреде-ляется як різниця між φn, і φp, і позначається Uk:
Uk = (0,3 - 0,5) В для германієвих і Uk = (0,6 - 0,8) В - дня кремнієвих переходів.
Висота потенційного бар'єру за відсутності зовнішньої напруги визначається величиною контактної різниці потенціалів :
У простому примітивному випадку ПБ можна представити у вигляді "гор-ки", на яку накочуються кульки (електрони і дірки) з різними ско-ростями (енергіями) - рис.2.2.з). "Гірку" долають лише ті електрони і дірки з числа основних НЗ, енергія яких перевищує енергію висоти ПБ () і саме вони утворюють дифузійний струм Iдф. Тому, змінюючи UПБ до можна управляти величиною струму Iдф.
Для неосновних НЗ потенційний бар'єр не існує, оскільки соответст-вующие їм кульки (електрони і дірки) не закочуються на "гірку", а скаты-ваются з неї.
5) Товщина ЭДП визначається завглибшки проникнення збіднених об-ластей в р - і n - напівпровідники. Глибина проникнення в р- область обозна-чается δp, а в n - область - δn тому товщина переходу δ рівна .
Величини δn і δp визначаються концентраціями домішки в напівпровідниках Nд і Nа.
При Na = Na - перехід є симетричним, а δn=δp.
Більшого поширення набули несиметричні переходи, яким відповідає нерівність δn≠δp (чи Nд≠Nа). Область ЭДП з більшою концентрацією домішки називається емітером, а з меншою - базою (рис.2.1, и). За відсутності зовнішньої напруги стан переходу називається рівноважним, а його товщина позначається δ0 і визначається наступним выра-жением:
Для симетричного переходу ;
де N = Nа=Nд концентрації донорної і акцепторної домішок, а для різкого несиметричного переходу при Nа>>Nд .
6) Рекомбінація електронів і дірок в переході обідняє його подвижны-ми НЗ, внаслідок чого опір переходу rпер зростає і досягає со-тен Ом. З цієї причини ЭДП іноді називають замочним шаром.
7) Енергетична діаграма ЭДН стро-ится на основі енергетичних діаграм використовуваних напівпровідників, ха-рактерных фіксованим розташуванням валентних зон і зон провідності відносно рівнів Ферми Wf(рис.2.2, а). Для тих, що знаходяться в контакті р- і n - напівпровідників, як для єдиної системи, рівень Ферми має бути об-щим (єдиним), що можливо тільки при зміщенні енергетичних зон напівпровідників один відносно одного на величину
Рис 2.2. Енергетична діаграма ЭДП
Література
http://www.leddesign.com.ua/publications/42.html