книги из ГПНТБ / Челноков В.Е. Физические основы работы силовых полупроводниковых приборов

Из вышеизложенного видно, что электронно-дыроч­ ный переход обладает выпрямляющими свойствами. Они описываются вольт-амперной характеристикой элек­

го перехода и экспоненциально зависит от приложен­

рина обедненной носителями области вблизи перехода тоже увеличивается и сопротивление перехода становит­ ся большим.

Указанные свойства электронно-дырочного перехода легли в основу создания ряда полупроводниковых при­ боров — диодов, в том числе и силовых полупроводнико­ вых вентилей, выполняющих задачу выпрямления пе­

упоминалось, получила название эмиттера, а слаболеги­ рованная— базы. В дальнейшем полупроводниковый элемент этих приборов будем называть либо полупро­ водниковой структурой с р-я-переходом, сокращенно /?-/г-структурой, либо просто диодом.

Рассмотрим более подробно распределение токов неосновных носителей при обратном напряжении. Рас­

пределение электронов при обратном напряжении дает­

ся выражением (2-50).

Как уже говорилось, при \U\, большем нескольких kT/q, членом, содержащим экспоненту eqUlkT, в (2-50) можно пренебречь. Тогда распределение электронов при обратном напряжении имеет вид:

Можно получить таким же образом выражение для распределения дырок в электронной области:

50

плотность неосновных носителей заряда возле слоя объемного заряда, например дырок в /г-слое, обуслов­ ленная процессом инжекции их из р-слоя, превышает

ше равновесной. Происходит как бы отсасывание неос­ новных носителей из области, прилегающей к р-п-пере- ходу. Этот процесс в отличие от инжекции по.лучил название экстракции.

Для прохождения тока через p-n-структуру необхо­ димо осуществить металлические контакты к п- и р-об- ластям структуры. В случае контакта металла с р-полу- проводником ток в полупроводнике обусловлен дырками, а в металле — электронами.

в дырочный ток в полупроводнике. Пусть все атомы при­ меси полностью ионизированы, т. е. pp — N& и ток течет из металла в полупроводник. Если присоединить внеш­ нюю батарею так, что дырки в валентной зоне начнут двигаться в направлении электрического поля прочь от

возникновения местного электрического поля Ее на кон­ такте. Под действием поля электроны перейдут с иони­ зированных акцепторных уровней в металл. Акцептор­ ные ионы станут нейтральными. На освободившиеся акцепторные уровни перейдут другие электроны из ва­ лентной зоны, образовав в ней дырки. Механизм пре­ вращения электронного тока в металле в дырочный ток в полупроводнике состоит, таким образом, в уходе ды­ рок из приконтактной области, переходе электронов из полупроводника в металл и затем в возникновении пары электрон — дырка в приконтактной области.

Рассмотрим кратко случай, когда электрический ток течет -из полупроводника в металл. Подвижные дырки под действием электрического поля двигаются к кон­ такту. В приконтактной области появляется некоторая избыточная плотность дырок и создается нескомпенсированный положительный заряд. Благодаря ему возни­ кает местное электрическое поле. Под его влиянием электроны переходят из металла в полупроводник через

52

контакт. Электроны, перешедшие в полупроводник, в прикрнтактной области рекомбинируют с избыточными дырками.

Итак, в этом случае механизм превращения дыроч­ ного тока в полупроводнике в электронный ток в ме­ талле'состоит в скоплении дырок в приконтактной обла­

контакта является постоянным во всей системе. Это обеспечивается тем, что скорости ухода и прихода соот­ ветствующих носителей к контактам равны при любых электрических полях. Необходимо только обеспечить легкий переход электролов через контакты в любом на­ правлении.

Контакты, через которые электроны одинаково легко переходят в обе стороны, называются «омическими».

Физическая сущность свойств таких контактов за­ ключается в том, что вблизи приконтактной области полупроводника не происходит изменения концентрации равновесных носителей. Иными словами, скорость ре­ комбинации носителей на контакте должна стремиться к бесконечности. С точки зрения энергетической диа­ граммы, потенциальный барьер на таком идеальном оми­ ческом контакте должен быть равен нулю. На практике найти пару металл — полупроводник, у которых были бы равны работы выхода, чрезвычайно трудно, а напри­ мер, для кремния — невозможно.

В случае, когда величины работ выхода у полупро­ водника и металла отличаются, то в зависимости от их

такт), т. е. в обоих случаях вблизи контакта появляется слой объемного заряда с потенциальным барьером, от­ личным от нуля. Как показывают расчеты, для того чтобы такие контакты не очень сильно влияли на ра­ боту прибора, величина потенциала барьера не должна превышать нескольких kT. Реализовать практически такого типа контакты на кремнии очень трудно. Однако величина потенциального барьера на контакте крем­ ний—металл перестает определять сопротивление кон­ такта в том случае, если приконтактная область крем-

53

ния настолько сильно легирована, что ее проводимость близка к металлической. В этом случае, несмотря на то что величина потенциального барьера отлична от нуля, переходная область настолько узка и искривление зон настолько сильно, что свойства такого контакта близки к идеальному омическому контакту, т. е. вольт-амперная характеристика симметрична, а сопротивление контакта (точнее, падение напряжения на контакте) мало.

При изготовлении /?-я-структур пользуются именно последним методом, т. е. создают на краях полупровод­ ника сильнолегированные области типа я+ или р+, так что тип контакта к таким областям приближается к кон­ такту типа металл — металл. Таким образом, используе­ мые структуры имеют вид п+-р-р+, р+-п-п+ или п+-п-р-р+.

При этом при расчете вольт-амперных характеристик таких структур явлениями на контакте металла с силь­ нолегированным полупроводником и в самих сильно­ легированных областях пренебрегают, а рассматривают процессы в /?-я-переходе и в базовой области, ограни­ ченной с одной стороны р-я-переходом, а с другой — сильнолегированной областью п+- или р+-типа. Следует отметить, что контакт типа М-п+-п или М-р+-р (где М — металл) является как бы технологическим вариантом антизапорного контакта типа металл — полупроводник, в котором область с повышенной концентрацией основ­ ных носителей создается введением в полупрозодник основной примеси. Контакты типа р+-р или я + - я полу­ чили также название антизапорных контактов или пере­ водов типа р+-р или п+-п. Легко видеть, что схема энергетических уровней таких контактов такова, что потенциальный барьер препятствует прохождению элек­

носителей при условии, что все примесные атомы иони­ зированы.

Из сравнения выражений (2-3) и (2-78) видим, что величины фк для я+-/?-перехода намного больше, чем для

54

я+-я-перехода. Концентрация основных носителей в п о п ­ или /?+-р-переходе плавно меняется от сильнолегированной области к слаболегированной вместе с изменением кон­ центрации основной примеси, т. е. у таких переходов отсутствует область объемного заряда. Поэтому при приложении внешнего напряжения изменение потенциа­ ла, так же как и изменение величины <рк, происходит во всей области изменения концентрации основной примеси.

заряжена положительно (обратное направление) или

дырок), то ток мал и эффективность инжекции такого перехода близка к нулю.

полем оттягиваться от контакта-по направлению к р-п- переходу. Так как инжекция отсутствует, то пополнять убыль дырок нечем и вблизи контакта образуется об­ ласть с пониженной концентрацией дырок. Протяжен­ ность этой области и степень обеднения зависят от величины поля и физических параметров я-области. Описанное явление носит название «эксклюзии носите­

я+ -область заряжена отрицательно, т. е. дырки двига­ ются в ней по направлению к металлическому контакту. Для того чтобы дырочный ток мог протекать в этой области, необходима повышенная концентрация дырок

55

Если обозначить через Др п концентрацию избыточ­ ных дырок вблизи контакта в я-области, то можно по­

равновесной. Этот эффект получил название эффекта накопления неосновных неравновесных носителей.

Таким образом, при прямом смещении на структуре типа р-п-п+ у р-га-перехода и у я-я+-перехода в базовой области будут повышенные концентрации неосновных неравновесных носителей (дырок) вследствие эффектов инжекции и накопления соответственно. В случае обрат­ ного смещения у р-я-перехода и у я-я+-перехода в базо­ вой области будут пониженные концентрации неоснов­ ных носителей — дырок вследствие эффектов экстракции и эксклюзии соответственно. Размеры областей в базе вблизи контактов, объединенных или обогащенных но­ сителями, составляют величины порядка диффузионной длины La.

Отсюда вытекает, что при условии w^>Ld, которое реализуется на практике при изготовлении силовых по­ лупроводниковых приборов типа р+-я-я+, прямой ток при невысоких уровнях инжекции, так же как и обрат­ ный, будут определяться процессами, протекающими вблизи р-л-перехода.

оказывать только базовая область.

Высокий уровень инжекции

Вольт-амперная характеристика была получена нами в преды­ дущем параграфе в предположении низкого уровня инжекции, когда для базовой области справедливо неравенство

р(х, t)<nno-

В большинстве практических случаев, в особенности для струк­ тур высоковольтных вентилей, смещенных в прямом направлении, выполняется условие высокого уровня инжекции

56

Полная система уравнений для базовой области диода "на о«но-

(По сравнению с предыдущим случаем в системе уравнений уч­ тены дрейфовые составляющие тока через р-п-структуру. Преобра­ зование системы уравнений (2-82) приводит к нелинейным диффе­ ренциальным уравнениям второго порядка для определения р>(х, t) и п(х, t), которые в общем виде не могут быть решены аналити­ чески. Однако эта система может быть линеаризована для случая высокого уровня инжекции [Л. 2-7]. В основе этого преобразования лежит условие электронейтральности в каждой точке базы

из которого вытекает, что др/дх=дп/дх и dp/dt=dn/dt.

Использовав эти равенства, можно привести систему уравнений (2-82) к виду

где 6 = Цп/цР .

57

Анализ уравнения (2-84), проведенный в работе {Л. 2-8], пока­ зал, что при низком уровяе инжекции третий и четвертый члены в правой части имеют порядок р/п п 0 , а при высоком уровяе инжек­ ции те же члены имеют порядок ппо!р, т. е. в обоих случаях малы. Поэтому этими двумя членами, не внося существенной ошибки, .мож­

Сравнение уравнений (2-87) и (2-48) показывает, что при высо­ ком уровне инжекции распределение дырок в базе для стационар­ ного случая описывается уравнением, аналогичным (2-48). При этом необходимо, однако, учитывать, что при высоком уровне инжекции время жизни дырок может отличаться от своего значения для низ­ кого уровня инжекции.

Падение прямого напряжения на р-я-структуре с учетом падения на 'базе протяженностью w можно представить в виде

W

kT , ря1 + + ^ E2dx=Urn+UI + U„, (2-88)

оо

где Ei и Е2 — соответственно первый и второй члены правой части выражения (2-85); падение напряжения на контакте типа пп+ не учитывается.

Первый член выражения (2-88) представляет собой падение на­ пряжения на /7-п-переходе Upn, второй—омическое падение напря­ жения на толще базы UT, третий — так называемая э. д. с. Дембера Un. Возникновение э. д. с. Дембера физически можно объяснить следующим образом. При протекании прямого тока в базе р-я-струк- туры устанавливается такое распределение носителей тока, при ко­ тором их концентрация убывает в направлении удаления от р-я-лере- хода. Эта неравномерность вызывает диффузию неравновесных но­ сителей тока, и так как Dn>Dv, то электроны должны были бы двигаться быстрее дырок. Однако вследствие того, что электроны и дырки должны перемещаться в виде электронейтральных пар, диф­ фузия электронов и дырок идет с одинаковой скоростью. При этом она меньше, чем была бы для электронов, но больше, чем была бы для дырок. Это выравнивание скоростей диффузии электронов и ды­ рок требует приложения электрического поля, ускоряющего дырки и замедляющего электроны. Таким образом, э. д. с. Дембера воз­ никает, когда имеется неравномерное распределение носителей за­

58

J j '

где (7б=/П рРпИ)—падение напряжения на отделенной от р-я-пере- хода базовой области протяженностью w и с удельным сопротивле­ нием р п .

Анализ (2-90) показывает, что падение напряжения «а базовой области р-я-структуры меньше, чем падение напряжения на той же% базовой области, но отделенной от р-я-перехода. Этот эффект обу­ словлен так называемым явлением модуляции сопротивления базы.

область приводит к увеличению в ней концентрации дырок и элек­ тронов, поступающих для компенсации заряда дырок со стороны второго контакта к базовой области. Так как проводимость полупро­ водника зависит от концентрации носителей тока обоих знаков, то для случая высокого уровня инжекции, когда Ар~>ппо, вклад, вно­ симый в проводимость базы неравновесными носителями, будет пре­ вышать вклад равновесных носителей, что приводит к значительному

2-5. ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА «ТОЛСТОГО» ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДА

Изложенная выше теория тонкого p-n-перехода в ос­ нове своей содержит предположение о том, что генера­ ция и рекомбинация носителей тока в переходной обла­ сти отсутствуют. Это утверждение, справедливое для большинства германиевых p-n-переходов, неприемлемо для кремниевых структур. В последнем случае реком- бинационно-генерационные центры, которым соответст­ вуют уровни, расположенные вблизи середины запре­ щенной зоны, для переходной области дают добавочную к диффузионной составляющую тока, которая способна при определенных условиях превысить диффузионную составляющую. Этот случай, например, реализуется при малых токах как в прямом, так и обратном направле­ ниях, когда диффузионная составляющая мала. В этих случаях ток переносится с помощью рекомбинации элек­

59