
Электрические переходы
Большое число элементов с заданными характеристиками получено на основе явлений, возникающих в структурах, содержащих электрические переходы, которые образуются при контакте материалов с различными электрофизическими свойствами.
Явления
в электрических переходах, под которыми
понимают узкую область вблизи поверхности
раздела разных материалов, широко
применяют для построения электронных
приборов и датчиков. Электронно-дырочные
(p - n)
переходы составляют основную часть
разнообразных полупроводниковых
структур. При образовании металлургического
контакта полупроводниковых пластин
n-типа
и p-типа
с концентрациями
электронов
nn
@
1019
см
-3 и
дырок pp
@
1013
см
-3 вблизи
соединения наблюдается большой градиент
(разница) концентраций отрицательных
и положительных свободных зарядов.
Диффузия электронов в p-слой
и дырок в n-слой
и их рекомбинация со свободными зарядами
приводит к образованию вблизи контакта
областей носителей, обладающих объемным
зарядом оставшихся неподвижных ионов,
который создает собственное электрическое
поле перехода ЕВТ
(рис.1.7,а).
Рис. 1.7. Структура p – n перехода (а), его характеристика (б), полупроводниковый диод (в) и его эквивалентная схема (г).
Это поле создает в обедненном основными носителями слое потенциальный барьер j0, препятствующий дальнейшему перемещению зарядов и обеспечивающий динамическое равновесие.
Приложение внешнего напряжения прямого направления (плюсом к р-области) снижает потенциальный барьер и приводит к возникновению тока, который незначителен пока приложенное напряжение меньше уровня отпирания перехода U*, который для кремниевых структур составляет от 0,5 В до 0,7 В (рис.1.7,б). Дальнейшее увеличение напряжения вызывает значительный рост тока. Изменение полярности приложенного напряжения приводит к повышению потенциального барьера и поддержанию через переход весьма малого обратного тока, обусловленного перемещением неосновных носителей (дырок в n-области и электронов в p-области) с незначительными концентрациями.
Для математического
описания внешней характеристики p
– n
перехода, т.е. зависимости i(u),
используют выражение, называемое моделью
Шокли
,
где I0
– обратный ток перехода,
=
0,025 В – тепловой потенциал, вычисленный
при температуре Т
= 300К с учетом постоянной Больцмана k
= 1.38·10-23 Дж/К
и заряда электрона qe=
1,6×10-19
Кл.
Характеристика
отражает вентильные свойства перехода,
проявляющиеся в значительно различающейся
проводимости при прямом u
> 0 и обратном
u < 0
напряжениях. При u
> 4φT
= 0,1В
прямую ветвь характеристики можно
описать соотношением
,
из которого следует выражение
дифференциального сопротивления
,
зависящего от выбора рабочей точки на
характеристике, т.е. тока I
(например,
значениям тока в пределах I
= 1…25мА
соответствует изменение rd
от 25 до 1 Ома). При u
< 0 в
соответствии с принятой моделью имеем
i
@
–I0
и обратную ветвь можно представить
источником весьма малого тока, значения
которого лежат в пределах 10
-7 ...
10 -5 А,
с почти нулевой проводимостью.
Существенное различие проводимости (p – n) перехода при прямом и обратном напряжении обусловило его применение в качестве выпрямительного диода (рис.1.7,в). В конструктивно завершенном полупроводниковом диоде выпрямляющий переход заключен в изолирующий корпус и снабжен металлическими выводами. Эквивалентная схема диода (рис.1.7,г) состоит из нелинейных сопротивления и емкости перехода, сопротивления r, отражающее вклад сопротивлений областей полупроводника вне переходной области и сопротивлений выводов, сопротивления Rиз, учитывающего наличие токов утечки через изолирующий корпус.
При небольшом запирающем переход обратном напряжении диод можно представить плоским конденсатором, диэлектриком которого служит область перехода, а обкладками проводящие области (p, n). Использование емкостного эффекта полупроводниковой структуры служит основой создания нелинейного конденсатора, называемого варикапом (рис.1.8,а).
Рис.1.8 Варикап (а) и его характеристика (б); обратная ветвь ВАХ перехода (в); стабилитрон (г), характеристики металл – полупроводник (д) и диод Шоттки (д).
Емкость плоского
конденсатора
,
называемая барьерной, определяется
площадью перехода s
и зависит от напряжения (рис.1.8,б)
вследствие вариации толщины запирающего
слоя Δ(u)
при изменении напряжения. При прямом
напряжении переход характеризуется
диффузионной емкостью
,
которая шунтирована малым сопротивлением
rd.
При
больших значениях обратного напряжения
диода
весьма малое его повышение
вызывает резкое возрастание тока
(рис.1.8,в),
обусловленное явлением электрического
пробоя. Неизменность напряжения при
лавинном пробое позволяет изготовить
на основе перехода стабилитрон
(рис.1.8,г),
используемый для стабилизации уровня
напряжения.
Создание контакта металла с полупроводником приводит к перераспределению носителей зарядов в прилегающей области, т.е. образует электрический переход, который обладает различными характеристиками в зависимости от параметров полупроводника и типа металла.
Выбор металла, в качестве которого обычно используют алюминий или медь, и параметров полупроводника так, чтобы работа выхода его электронов была больше, приводит к переходу электронов в полупроводник и его обогащению основными носителями. При этом сопротивление переходной области полупроводника снижается, потенциальный барьер отсутствует, и вольтамперная характеристика (рис.1.8,д) имеет вид линейной зависимости с малым переходным сопротивлением. Такой контакт, называемый «омическим», применяют для подключения полупроводникового прибора к другим устройствам.
Если энергия выхода электронов металла больше энергии носителей заряда полупроводника, то контакт имеет нелинейную внешнюю характеристику, на основе которой изготавливают диод Шотки (рис.1.8,е). В полученном приборе с характеристикой как у p – n перехода с меньшим значением напряжения отпирания U*ш = 0,4 В напряжение управляет потоком основных носителей, что обуславливает высокую скорость переходных процессов и позволяет использовать его для создания быстродействующих переключателей.