Физика полупроводниковых приборов [РТФ, Смирнов, 4 семестр] / 1_Электронно-дырочный переход
.pdf
1.19 |
Контакт металл-полупроводник |
Если для металла χм больше, чем для полупроводника χп (χм > χп), то за счет термоэлектронной эмиссии возникнет поток электронов из полупроводника в металл. В результате в близи границы полупроводника возникнет нескомпенсированный заряд ионов доноров (ОПЗ толщиной δ), создающий внутреннее электрическое поле. Область ОПЗ обеднена свободными носителями заряда, т.е. является высокоомной. Энергетические зоны в полупроводнике станут изогнутыми. Образуется потенциальный барьер высотой
Такой же барьер можно создать и с полупроводником р-типа, но только при выполнении условия
При образовании обедненного (или инверсного) слоя, контакт обладает выпрямляющими свойствами (барьер Шоттки).
|
|
При образовании обогащенного |
|
χм < χп |
χм >> χп |
слоя, контакт получается |
|
невыпрямляющим (омическим) |
|||
обогащенный слой |
инверсный слой |
||
|
1.20 |
Выпрямляющие свойства барьера Шоттки |
При приложении внешнего напряжения в прямом направлении, уменьшающем внутреннее контактное поле, потенциальный барьер уменьшится на величину U. Через пониженный потенциальный барьер возникнет термоэмиссионный поток электронов из полупроводника в металл, а поток электронов из металла в полупроводник остается без изменения. Суммарный прямой ток резко увеличивается с ростом U.
При обратном напряжении поток электронов из полупроводника в металл резко уменьшается, а поток электронов из металла в полупроводник останется без изменения. Обратный ток будет небольшим и постоянным.
ВАХ перехода металлполупроводник
qU |
|
|
j j e kT |
1 |
|
s |
|
js=A*∙T2∙exp(-qφмп/kT), |
|
|
где A*=(4πm*k2)/h3 – постоянная Ричардсона для полупроводников;
m* - эффективная масса электронов; k – постоянная Больцмана;
h – постоянная Планка.
1.21 |
Выпрямляющие свойства барьера Шоттки |
Отличие в свойствах перехода металл-полупроводник и p-n-перехода. Во-первых, контактное электрическое поле практически полностью
сосредоточено только в полупроводнике, так как концентрация носителей заряда в металле значительно выше концентрации носителей заряда в полупроводнике (в p-n-переходе ОПЗ распределяется в р- и n-областях).
Во-вторых, переход электронов через переход происходит не за счет диффузии (как у p-n-перехода), а за счет внутренней термоэлектронной эмиссии. При этом потенциальные барьеры φпм и φмп ддя электронов разные.
В-третьих, в зависимости от соотношении χм и χп область контакта или обеднена свободными носителями (выпрямляющий контакт), или обогащена (омический контакт). В p-n-переходе контакт всегда выпрямляющий.
Важно. При прямом напряжении происходит перенос основных носителей (электронов) из полупроводника в металл, где они также являются основными. При переключении напряжения с прямого на обратное никаких процессов, связанных с рассасыванием неосновных носителей заряда, характерных для p-n-переходов, не происходит. Поэтому процесс переключения перехода Шоттки с прямого на обратное происходит быстро, что и определяет преимущество диодов Шоттки перед обычными диодами.
1.22Невыпрямляющий контакт металл-полупроводник
Невыпрямляющие (омические) контакты предназначены для формирования внешних выводов полупроводниковых приборов.
К ним предъявляют следующие требования:
-малое падение напряжения на контакте по сравнению с падением напряжения на активной области полупроводника;
-линейность и симметричность ВАХ контакта;
-отсутствие инжекции в активные области неосновных носителей заряда.
Для этого надо создать контакт, обогащенный свободными носителями заряда. Но этому препятствует наличие на поверхности полупроводника поверхностных состояний. Поэтому в действительности высота барьера φпм определяется не только разностью работ выхода χм и χп, но и плотностью поверхностного заряда.
Для слаболегированных полупроводников с большой ∆Eg изготовить контакт металл-полупроводник с малым φпм практически невозможно. В этом случае для изготовления омического контакта в приповерхностном слое полупроводника создают дополнительный n+– или р+ - слой, который обеспечивает малую толщину ОПЗ, достаточную для туннельного переноса электронов через тонкий потенциальный барьер.
1.23 |
Гетерепереход |
Под гетерогенным переходом (гетеропереходом) понимают переходный слой с существующим там внутренним контактным электрическим полем между двумя различными полупроводниками, отличающимися шириной запрещенной зоны ∆Eg.
Примеры: GaAs – AlGaAs, GaAs – GaAsP, GaN – AlGaN, GaN – InGaN.
Гетеропереходы формируют только с помощью эпитаксии. При этом эпитаксиальный слой и подложка, образующие гетеропереход, должны иметь близкие кристаллические структуры и близкие по значению ТКЛР. Иначе в области гетероперехода возникнут структурные дефекты, например, дислокации. Дислокации создают в области перехода высокую плотность электронных состояний, энергетические уровни которых расположены в запрещенных зонах (ловушки или центры рекомбинации).
В зависимости от соотношения типов проводимости полупроводников, образующих гетеропереход, различают изотипные и анизотипные переходы. В изотипном гетеропереходе оба полупроводника обладают одинаковым типом проводимости, в анизотипном переходе типы проводимости контактирующих полупроводников различны.
1.24 |
Гетерепереход |
Зонные диаграммы для изолированных полупроводников и для гетероперехода
∆Egp < ∆Egn
χp > χn
Поскольку ∆Egp≠∆Egn, то возникнет разрыв энергетических зон ∆Ес и ∆Еv. В результате образуется потенциальная яма для электронов. В области перехода возникает ОПЗ, обедненная свободными носителями заряда (высокоомная). Т.о. гетеропереход обладает выпрямляющими свойствами.
В гетеропереход φn и φр различны, например, φn < φр. Это означает, что ток через такой гетеропереход будет осуществляться в основном за счет электронов, дырочная составляющая тока будет пренебрежимо мала.
Для изотипного гетероперехода (n-типа) не возникает инжекция неосновных носителей заряда и последующее их рассасывание. Поэтому, быстродействие таких изотипных гетеропереходов можно существенно повысить.