1.2. Электрические переходы

Электрическим переходом называется переходной слой в полупроводнике между двумя областями с различными типами их электропроводности или различными значениями удельной электрической проводимости.

Переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электронную электропроводность (полупроводник n-типа), а вторая – дырочную электропроводность (полупроводник p-типа) получил название электронно-дырочного перехода или p-n перехода.

Переходы, образованные полупроводниками с проводимостью одинакового типа, но с разными значениями удельной электрической проводимости называются электронно-электронными переходами ( -переходами) и дырочно-дырочными переходами ( переходами).

Переходы, образованные полупроводниками с разной шириной запрещенной зоны называют гетеропереходами.

Если переход образован контактом полупроводника и металла, то такой переход называют переходом металл-полупроводник. Рассмотрим такие контакты

Процессы электропроводности в металлургических контактах металлов и полупроводников можно рассматривать с использованием понятия работы выхода электрона. Под работой выхода электрона (А) понимается то минимальное значение энергии, которую должен получить (либо затратить) чтобы преодолеть силы внутренних связей электрона в веществе и выйти из металла или полупроводника. Очевидно, что чем меньше значение работы выхода у материала, тем легче электрону покинуть материал.

В технических приложениях используются не собственные, а примесные полупроводники, то есть полупроводники с электронным типом проводимости (n-типа) и полупроводники дырочным типом проводимости (p-типа). Рассмотрим процессы, происходящие в контактах металла и полупроводника при различных соотношениях величин работ выхода электрона у контактируемых веществ.

1. Пусть работа выхода электрона из полупроводника с электронным типом проводимости (n-типа) больше работы выхода электрона из металла (рис. 1.2.1.):

Рис. 1.2.1. Работа выхода электрона из полупроводника с электронным типом проводимости (n-типа), больше работы выхода электрона из металла

Электроны из полупроводникового материала не могут его покинуть, в то же время электроны из металла переходят в полупроводник. В месте контакта в теле полупроводника образуется слой с повышенной концентрацией основных носителей заряда – электронов. Следствием этого является пониженное сопротивление контактного слоя. Приложение напряжения к контактирующим материалам любой полярности практически не изменяет свойств контактного слоя - его сопротивление остается малым.

Следовательно, контактный слой не обладает выпрямляющими свойствами. Такой контакт металла и полупроводника называется омическим контактом.

Аналогичными свойствами обладает контакт полупроводника с дырочным типом проводимости (p-типа) когда работа выхода электрона из металла больше работы выхода электрона из полупроводника, рис. 1.2.2.:

Рис. 1.2.2. Работа выхода электрона из металла больше работы выхода электрона из полупроводника

Электроны из контактной области полупроводника переходят в металл, а в контактной области образуется избыточная концентрация основных носителей – дырок. Сопротивление контактного слоя уменьшается по сравнению с сопротивлением полупроводника. Данный контакт также является омическим контактом.

2. Пусть работа выхода электрона из полупроводника типа меньше работы выхода электрона из металла, рис. 1.2.3.:

Рис. 1.2.3. Работа выхода электрона из полупроводника типа меньше работы выхода электрона из металла

Электроны из контактной области полупроводника переходят в металл. В материале полупроводника, непосредственно прилегающем к контактной области, образуется слой, обедненный основными носителями для данного типа полупроводника (то есть образуется не скомпенсированный положительный заряд ионов доноров). Образуется приконтактное электрическое поле, препятствующее перемещению электронов из полупроводника в металл. Это поле отталкивает свободные электроны (в зоне проводимости) и втягивает в приконтактную область дырки (в валентной зоне).

Уменьшение концентрации основных носителей приводит к увеличению сопротивления контактного слоя, также возникает потенциальный барьер в месте контакта. Очевидно, что высота потенциального барьера будет зависеть от полярности прикладываемого напряжения

Это означает, что для одной полярности прикладываемого напряжения потенциальный барьер повышается и возрастает сопротивление (прямое включение), для противоположной полярности (обратное включение), потенциальный барьер уменьшается и сопротивление уменьшается. При обратном включении потенциальный барьер повышается, но под действием увеличившегося поля на переходе возможно движение дырок в металл. Дырки для полупроводника n-типа являются не основными носителями и их концентрация невелика. Поэтому и обратный ток будет незначителен. Следовательно, данный контактный барьер обладает выпрямляющими свойствами и на его основе можно реализовывать диоды. Подобные диоды называются диодами Шоттки, потенциальный барьер называют барьером Шоттки (по имени ученого В. Шоттки, впервые выполнившего исследования контактных процессов металл-полупроводник)

Выпрямляющий контакт образуется при соединении полупроводника с дырочным типом проводимости (полупроводник р-типа) у которого работа выхода электрона имеет большую величину, нежели работа выхода контактирующего с ним металла, рис. 1.2.4.:

Рис. 1.2.4. Работа выхода электрона имеет большую величину, чем работа выхода контактирующего с ним металла

В данном случае электроны из металла проникают в материал полупроводника. В контактной области в теле полупроводника образуется пониженная концентрация основных носителей заряда – дырок, а пришедшие электроны заряжают контактный слой отрицательно. Образовавшееся приконтактное поле вытесняет из контактной области дырки и препятствует дальнейшему переходу электронов.

Следовательно, повышается сопротивление контактного слоя и возникает потенциальный барьер. Данный контактный слой также является выпрямляющим. Подключение прямого напряжения увеличивает поток электронов из металла. Подключение обратного напряжения вызывает движение не основных носителей заряда через контакт –электронов из полупроводника p-типа – в металл. Ввиду малой концентрации не основных носителей плотность этого тока невелика.

Диоды Шоттки являются высокочастотными, так как в них потенциальный барьер образуется изменением концентрации основных носителей для контактирующего полупроводника, а не основные носители не принимают участия в данном процессе. Поэтому отсутствуют процессы рассасывания не основных носителей, что и является основным фактором, обеспечивающим более высокое быстродействие диодов Шоттки по сравнению с диодами на основе электронно-дырочных переходов (p-n-переходов).