Лекция 10

P-nпереход

1. Определение и классификация p-n переходов

Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на физических эффектах, происходящих в области контакта твердых тел. При этом преимущественно используются контакты: полупроводник-полупроводник; металл-полупроводник; металл-диэлектрик-полупроводник.

1. Определение

Если переход создается между полупроводниками n-типа иp-типа, то его называют электронно-дырочным илиp-nпереходом.

Электронно-дырочный (p-n) переход – это обедненная подвижными носителями заряда область на границе раздела полупроводниковp- иn-типа, обладающая уникальными свойствами:

1. содержит объемные заряды;

2. является потенциальным барьером;

3. обладает односторонней проводимостью;

4. становится нелинейной управляемой емкостью;

5. способна изменять концентрацию носителей заряда в прилегающих областях, на расстоянии диффузионной длины.

В полупроводнике с областями n- иp-типов, образующими переход, можно выделить следующие пространственные области (рис. 1): металлургическую границу (воображаемая плоскость, разделяющаяp- иn-области), область перехода (располагается по обе стороны металлургической границы и имеет толщину от 10^-6до 10^-4 см в зависимости от технологии производства), нейтральные области, лежащие между областью пространственного заряда и границами полупроводниковp- иn-типов и омические (невыпрямляющие) контакты, которыми заканчиваются нейтральные области.

Рис. 1. Структураp-nперехода

1. Классификация переходов

1. По материалу контактирующих веществ:

• p-nпереход (обычно монокристалл);

• p⁺-p,n⁺-n– переходы между областями с различной концентрацией примеси одного типа ( где верхний индекс «+» соответствует слою со значительно большей концентрацией примеси);

• гетеропереходы – переходы между различными полупроводниками, отличающимися шириной запрещенной зоны;

• металл-полупроводник;

• металл-диэлектрик-полупроводник.

2. По закону изменения концентрации примесей:

• резкий или ступенчатый – переход с идеальной границей, по одну сторону которой находятся доноры с постоянной концентрацией N_Д, а по другую – акцепторы с постоянной концентрациейN_Аили другими словами, переход, в котором область изменения примеси много меньше ширины перехода;

• плавный – переход, у которого в районе металлургической границы концентрация одного типа примеси постепенно уменьшается, а другого типа – растет. Сама металлургическая граница в этом случае соответствует равенству концентраций примеси (N_А=N_Д). По закону изменения концентрации примесей плавные переходы разделяют на линейные и экспоненциальные.

3. По соотношению концентраций примесей в областях:

• симметричный – N_А≈N_Д. Симметричные переходы не типичны для полупроводниковой техники;

• несимметричный – N_А>>N_Д. (p⁺-n) или N_А<<N_Д. (p-n⁺).

4. По технологии производства:

• сплавной;

• диффузионный;

• эпитаксиальный.

3. Технология производства p-nперехода

   1. Получение заготовок и очистка

Заготовками для изготовления полупроводниковых приборов служат пластины германия или кремния толщиной 0,1…0,3мм. Эти пластины должны иметь весьма малое содержание примесей (например, для Ge– не более 10¹⁷) и обладать монокристаллической структурой. Германий и кремний обычно получают химическим путем из двуокиси. Однако полученные таким способом германий и кремний являются поликристаллическими веществами и с точки зрения требований полупроводниковой техники очень загрязнены. Поэтому особую проблему представляет очистка полупроводников и получение монокристаллов с предельными параметрами (типом проводимости, удельным сопротивлением и др.).

Методы очистки германия и кремния основаны на свойстве большинства примесей плохо переходить из жидкой фазы в твердую при кристаллизации. Если медленно охлаждать расплавленный германий или кремний, то в затвердевшей части примесей окажется меньше, чем в оставшейся жидкой. Отрезая от слитка ту часть, которая затвердела последней, можно исключить из полупроводника часть примесей. Подобные операции повторяют несколько раз и получают чистый металл. Этот принцип реализован в таких распространенных методах очистки полупроводника, как зонная плавка, выращивания кристалла из расплава (метод Чохральского) и бестигельная плавка, осуществляемых в атмосфере инертных газов или водорода.

При зонной плавке исходный материал помещается в челночный тигель из кварца или графита, относительно которого могут перемещаться катушки индукционного нагрева (группа из 5…6 катушек). При индукционном нагреве слиток расплавляется только под катушкой, перемещением которой примеси оттесняются в жидкой фазе к одному из краёв тигеля. Одновременное перемещение нескольких катушек позволяет получить за одну «протяжку» более высокую степень очистки.