книги из ГПНТБ / Кушманов И.В. Электронные приборы учеб. пособие

пряженность электрического поля существенно возрастает за счет увеличения количества нескомпенсированных зарядов доноров и акцепторов на единицу длины перехода. Возрастание напряженно­ сти поля при почти неизменной контактной разности потенциалов означает уменьшение толщины перехода. В вырожденных полупро­ водниках толщина перехода ничтожно мала.

Прямое напряжение. В случае приложения к р-«-переходу пря­ мого напряжения U плюс источника подается к p-области, а ми­ нус — к «-области полупроводника. Полярность этого напряжения

новременно уменьшается толщина перехода, так как она зависит от приложенного напряжения:

зарядов. Инжекцией носителей заряда называют введение носите­ лей заряда через р-«-переход при понижении высоты энергетичес­ кого барьера в область полупроводника, где эти носители являются неосновными. Обратный процесс — экстракция — выведение носи­ телей заряда из области полупроводника, где они являются неос­ новными, через р-«-переход укоряющим электрическим полем, со­ зданным действием внешнего напряжения.

Таким образом, прямой диффузионный ток, обусловленный ин­ жекцией основных носителей, оказывается значительно больше дрейфового, обусловленного экстракцией неосновных носителей, и окончательно ток через р-п-переход /пр=/Диф—/др~/диф-

Уровень Ферми в «-области на величину qU выше, чем в р-об- ласти. Высота барьера q(UK—U). На р:ис. 2.10 пунктирными линия­ ми изображены кривые р, п, U, Е и объемной плотности заряда при прямом напряжении на переходе (где ср — потенциал внутри пере­ хода).

В результате инжекции в каждой из областей полупроводника увеличивается концентрация неосновных носителей, что нарушает условие термодинамического равновесия. Однако нейтральность этих областей не нарушается, так как положительный заряд инжек-

120

тированных дырок в «-области создает внутреннее электрическое поле, под действием которого из глубины «-области по направле­ нию к переходу навстречу дыркам начинают двигаться основные носители — электроны, компенсирующие собой заряд дырок; эти электроны попадают в «-область из внешней цепи. Таким образом, в области нарушения термодинамического равновесия пр>п\ . По

мере удаления от перехода концентрация инжектированных дырок в «-области постепенно уменьшается, и на некотором расстоянии вновь устанавливается равновесие np = nf . Те же процессы наблю­

даются и при инжекции неосновных носителей — электронов через р-«-переход в р-область.

В соответствии с изложенным изменяется состав прямого тока, 'протекающего в полупроводнике (рис. 2.10е). На участках, удаленных от перехода, где «р = «?, можно практически считать,

что состав тока однороден; в «-области протекает электронный ток, а в р-области — дырочный. На участках, близких к переходу, со­ став тока смешанный — дырочный и электронный одновременно. Внутри р-«-перехода вследствие однозначности поля токи /„ и / р можно считать постоянными. На участке от хп до х3 имеет место диффузионный ток инжектированных дырок / р. Электронный ток /„ дополняет дырочный до полного значения I, причем Іп, в свою оче­ редь, содержит две составляющие: ток I 'п, равный току в переходе,

и ток I", который создается электронами, притекающими к перехо­ ду из глубины «-области. В каждом сечении «-области ток /" опре­

деляется количеством электронов, рекомбинирующих между этим сечением и границей перехода хп. То же относится и к токам /„ и Iр в р-области.

В полупроводниковых приборах часто проводимости соседних областей, а следовательно, и концентрации носителей в них сущест­ венно различаются. Предположим, что ррЭ>«г,. В этом случае ды­ рочный ток через переход будет значительно превышать электрон­ ный, т. е. почти весь ток через переход будет обусловлен дырками.

По мере увеличения внешнего прямого напряжения U высота барьера и толщина перехода dnp будут уменьшаться, а прямой ток через переход — увеличиваться.

Обратное напряжение. Внешнее напряжение U, приложенное к ^-«-переходу, называется обратным, если плюс источника питания подается к «-области, а минус — к p-области. Это напряжение ока­ зывается той же полярности, что и контактная разность потенциа­ лов UK. Высота энергетического барьера растет до величины q(UK+U), а толщина перехода d0ер увеличивается (рис. 2.9в).

Диффузионные токи основных носителей заряда через переход /диФ уменьшаются .при сохранении постоянными дрейфовых токов неосновных носителей І№. Теперь при достаточно больших U0QP дрейфовые токи окажутся значительно больше диффузионных и через переход потечет обратный ток / = /др—/диф«/др. Этот ток бу-

121

дет направлен из /г-области в p-область; по величине он гораздо меньше тока /Іір, возникающего при приложении к переходу прямо­ го напряжения.

Зонная диаграмма для этого случая представлена на рис. 2.9е. Уровень Ферми в «-области на величину qU ниже, чем в р-области, я высота барьера увеличилась до q(UK+Ü).

Вольтамперная характеристика ^-«-перехода

Вольтамперная характеристика р-п-перехода, как бу­ дет показано ниже, является нелинейной и имеет асимметричный характер.

Уравнение вольтамперной характеристики выводится при сле­ дующих допущениях:

—рассматривается р-п-переход настолько тонкий, что внутри -его можно было бы пренебречь процессами генерации и рекомби­ нации носителей;

—однородные р- и «-области считаются настолько длинными, что инжектированные в них носители полностью рекомбинируют, и через контакты выводов протекает исключительно ток основных носителей;

—движение носителей считается одномерным — вдоль оси х;

—все внешнее напряжение приложено к р-«-переходу. Упрощенный вывод уравнения характеристики (без использова­

ния уравнения непрерывности) основывается на том, что токи не­ основных носителей через переход не изменяются с изменением полярности и величины приложенного напряжения. Токи же основ­ ных носителей существенно меняются и при приложении обратного напряжения резко уменьшаются. Их можно рассматривать как то­ ки эмиссии зарядов через контактный слой, скачок потенциальной энергии на котором равен работе выхода электронов. При этом предположении токи основных носителей с увеличением обратного напряжения U будут уменьшаться по экспоненциальному закону.

По аналогии с формулой термоэмиссии плотность тока основных носителей можно записать как

qU

Если прикладывается прямое напряжение и высота барьера уменьшается, то токи основных носителей будут экспоненциально

.возрастать. Таким образом, плотность полного тока через переход

хде jo—jn др+/р др-

:128

дов, полупроводниковых квантовых генераторов и других приборов.

Контакт металла с полупроводником

Контакт металла с полупроводником можно создать путем напайки металлических выводов, конденсацией паров метал­ ла в вакууме и, наконец, путем электроосаждения металла. В од­ них случаях эти контакты получаются невыпрямляющими, омиче­ скими и имеют линейную вольтамперную характеристику; в других случаях они являются выпрямляющими и их вольтамперная ха­ рактеристика нелинейна.

Основное значение в контактных явлениях имеет работа выхода металла и полупроводника. Из курса физики известно, что при контакте двух тел с разными значениями работы выхода электро­ ны переходят из вещества с меньшей работой выхода в вещество с большей работой выхода.

Рассмотрим контакт между металлом, у которого работа выхо­ да равна W 0Mt и полупроводником п-типа с работой выхода Won, причем WoM>Won- При соприкосновении металла с полупроводни­ ком возникает преимущественный переход электронов из полупро­ водника в металл, пограничная область которого заряжается отри­ цательно по отношению к полупроводнику. Возникающее при этом контактное поле оттесняет электроны полупроводника из погра­ ничной области вглубь. Из-за большой концентрации электронов область объемного заряда в металле очень тонка и падение напря­ жения в ней ничтожно. Почти вся контактная разность потенциалов падает на область объемного заряда в полупроводнике, откуда удаляется значительная часть электронов и где создается обеднен-

124

ный запирающий слой; в пределах этого слоя остаются в основном пескомпенсированные доноры, которые и образуют положительный объемный заряд. Последний создает внутреннее поле, потенциал и напряженность которого убывают от металла вглубь полупроводни­ ка. В связи с этим границы зон изгибаются вверх (рис. 2.13а). Уро-

Рис. 2.13. Зонные диаграммы для контакта металл— полупроводник:

а), в) выпрямляющий контакт; б), г) омический, невы­ прямляющий контакт

вень Ферми в случае термодинамического равновесия остается го­ ризонтальным. Расстояние от уровня Ферми до дна зоны проводи­ мости в обедненном слое будет неодинаковым.

Обедненный слой получается также и в случае контакта метал­ ла с р-полупроводником, если работа выхода металла меньше, чем работа выхода полупроводника И?ом<№ор (рис. З.ІЗб). При созда­ нии в обедненном слое внешнего поля, совпадающего по направле­ нию с внутренним, толщина этого слоя увеличивается, а при созда­ нии поля противоположного направления — уменьшается. Таким образом, в случае обедненного слоя контакт получается выпрямля­ ющим.

Если же работа выхода металла меньше работы выхода полу­ проводника п-типа WoM<LWon, то приповерхностный слой полупро­ водника будет обогащаться электронами по сравнению с глубинны­ ми участками и сопротивление обогащенного слоя окажется очень низким при любой полярности внешнего напряжения U. Энергия электронов в этом слое по мере приближения к контакту будет уменьшаться, а дно зоны-проводимости и потолок валентной зо­ ны— изгибаться вниз (рис. 2.136). Такой обогащенный слой назы­ вают антизапирающим. Подобный же слой возникает и в контакте металла с д-полупроводником, если работа выхода металла больше работы выхода полупроводника W,OM>W ,op (рис. 2.13г). Контакт при обогащенном слое получается невыпрямляющим. ■

125

Вольтамперная характеристика выпрямляющего контакта ме­ талл-—полупроводник обычно имеет вид, близкий к характеристике р-п-перехода.

2.3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Простые полупроводники

Для изготовления полупроводниковых приборов применяют как простые, так и сложные 'Полупроводники. В большинстве случаев используются монокристаллы, которые, по сравнению с поликристаллическнми материалами, обеспечивают большую надежность работы и меньший разброс параметров полу­ проводниковых приборов.

Наибольшее применение из простых полупроводников получили германий, кремний и селен. Основная трудность в производстве высококачественных полу­ проводниковых приборов заключается в необходимости использования сверхчис­ тых материалов.

Германий — элемент IV группы периодической системы — имеет кубичес­ кую кристаллическую структуру типа алмаза. Для создания германиевых при-

Рис. 2.14. Схема установ­ ки для очистки германия методом зонной плавки:

1 — камера с инертным га­ зом; 2 — индуктивные петли генератора высокой частоты; 3 — слиток германия; 4 — кварцевый тигель; 5 — зо­ ны расплавленного герма­ ния; 6 — тележка с посту­ пательно-возвратным меха­ низмом

боров с заданными свойствами необходимо иметь сверхчистый германий, который получается в результате очистки исходного материала от всяких вредных при­

деляются неравномерно между твердой и жидкой фазами. Если узкий участок (зону) очищаемого слитка-расплавить при помощи высокочастотного поля, создаваемого витками контура генератора, и перемещать эту зону вдоль слитка в одном на­ правлении, то примеси увлекаются расплавленной зоной и оттесняются к его концу. Схема устрой- . ства для зонной плавки показана на рис. 2.14. За­ грязненные концы слитка отрезают. С уменьше-

126

ііием концентрации примесей удельное сопротивление полупроводникового мате­ риала возрастает.

Монокристаллы германия выращивают путем вытягивания из расплава. Для этого очищенный германий .расплавляют в тигле 1 установки, показанной «а рис. 2.15. В расплав 2 вводят моиокристаллнческую затравку 3 и выдерживают там, пока она не сплавится с поверхностью германия в тигле. После этого за­ травка медленно со скоростью ІО-5—ЙО-4 м/с поднимается и одновременно вра­ щается. За ней вытягивается жидкий столбик расплава, который со временем за­ твердевает, образуя единое целое с затравкой. Таким способом можно получить монокристаллы германия диаметром до 10 см и более. В случае необходимости получить примесный монокристалл в расплав вводят определенное количество примеси — донорной или акцепторной.

Для изготовления полупроводниковых приборов слитки германия распили­ вают на пластинки, поверхность которых протравливают для устранения дефек­ тов обработки.

Кремний так же, как и германий, элемент IV группы периодической системы, обладает кубической структурой кристалла. Основные отличия кремния от герма­ ния заключаются в том, что у кремния шире запрещенная зона, а следовательно, и выше собственное удельное сопротивление; подвижность носителей и коэффи­ циент диффузии носителей, наоборот, у кремния в несколько раз меньше, чем у германия. Кремниевые приборы допускают большую предельную рабочую тем­ пературу по сравнению с германиевым.

Полупроводниковые соединения

В последние годы в качестве полупроводниковых материалов по­ лучают все большее применение соединения элементов различных групп перио­ дической системы, обладающие свойствами элементов IV группы. Одна из при­ чин использования этих соединений — отсутствие недостатков, присущих гер­ манию и кремнию. Наиболее существенный недостаток германия заключается в низкой предельной рабочей температуре (70°С), ограничивающей возможность его применения. Что касается кремния, то низкие значения подвижности носите­ лей в нем ухудшают, как будет видно далее, частотные свойства кремниевых транзисторов. У кремния, кроме того, время жизни неосновных носителей на порядок меньше, чем у германия, что уменьшает усиление кремниевых транзис­ торов.

фиды — JnP, GaP, AIP. Эти соединения предоставляют широкие возможности выбора параметров материала для полупроводниковых приборов.

Наибольшее практическое значение имеют антимонид индия JnSb и арсенид галлия GaAs.

Антимонид индия (сурьмянистый индий). Из-за малой ширины-запрещенной зоны антимонид индия при комнатной температуре обладает существенной соб­ ственной электропроводностью. В области примесной электропроводности он бли­ зок к вырождению. Главная особенность антимонида индия заключается в высо­ ком значении подвижности электронов. Благодаря высокой подвижности элект­ ронов антимонид индия используют в датчиках Холла, магнитосопротивлениях и полупроводниковых фотоэлементах.

Арсенид галлия. Особенностью арсенида галлия является значительная ши­ рина запрещенной зоны, большая, чем у кремния, что позволяет использовать приборы из арсенида галлия при более высоких температурах. Помимо этого, у него более высокие значения подвижности носителей, что является важным при изготовлении высокочастотных приборов. Арсенид галлия используется для из­

127

трических приборов используются сернистый кадмий и сернистый свинец. Иссле­ дуются возможности применения и трехкомпонентных полупроводниковых соеди­

нений типов А 11 ВІѴСѴІ. Ожидается, что в ближайшие годы наряду с неорганиче­ скими полупроводниками найдут техническое применение и органические полу­ проводники, в частности, полимеры, что значительно расширит возможности ис­ пользования полупроводников. Органические полупроводники имеют много пре­ имуществ перед обычными: простота получения материалов высокой чистоты и точный контроль за их свойствами в процессе производства, меньшая зависи­ мость свойств от температуры и большой диапазон удельного сопротивления и, наконец, дешевизна сырья и низкая стоимость. В настоящее время начали при­ меняться и перспективные в будущем аморфные, стеклообразные полупровод­ ники.

2.4. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ р-п-ПЕРЕХОДОВ

В технической практике р-я-переходы получают выращиванием из расплава, методом вплавления и методом диффузии.

Метод выращивания из расплава был рассмотрен в предыдущем параграфе. Метод вплавления применяют чаще всего для низкочастотных и мощных при­ боров. Например, в электронный германий вплавляют индий, являющийся ак­ цепторной примесью. На пластинку германия помещают таблетку индия и нагре­ вают ее в вакууме примерно до 500°С. При этом индий расплавляется и смачи­ вает поверхность германия; часть германия растворяется в индии и на поверх­ ности пластинки образуется углубление, заполненное насыщенным раствором германия в индии. При понижении температуры германий рекристаллизуется из расплава, при этом захватываются атомы индия и образуется слой германия p-типа. По мере удаления от основной пластинки германия концентрация атомов индия возрастает и, наконец, рекристаллнзованная область .переходит в чистый индий, который может быть использован в качестве омического контакта с гер­

дает неравномерное распределение атомов примеси по длине полупроводника. В точке хо концентрации донорных и акцепторных примесей одинаковы; в этом месте полупроводник является скомпенсированным и обладает собственной про­ водимостью. Здесь проходит граница раздела р- и я-областей.

Диффузия примесей возможна не только из паровой фазы, но и из жидкой или твердой. Если на поверхность полупроводника нанести тонкий слой вещества,

128

содержащего примеси противоположного полупроводнику типа,. и разогреть его, то атомы примеси будут диффундировать внутрь полупроводника, образуя в нем /)-п-переход.

2.5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Классификация

Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или нескольки­ ми электрическими переходами и двумя выводами. В зависимости от основного назначения различают следующие типы полупровод­ никовых диодов: выпрямительные, детекторные, смесительные, мо­ дуляторные, умножительные и др. Полупроводниковые диоды, предназначенные для работы в свч диапазоне, называются сверх­ высокочастотными, а для работы в импульсном режиме — импуль­ сными. Существует также ряд типов диодов, названия которых связаны с определенным видом вольтамперной характеристики, что, в свою очередь, зависит от протекающих в них физических процес­ сов. Так, полупроводниковый стабилитрон — полупроводниковый диод, напряжение на рабочем участке вольтамперной характеристи­ ки которого в области электрического пробоя слабо зависит от то­ ка; туннельный диод — полупроводниковый диод, созданный на основе вырожденного полупроводника, в котором используется туннельный механизм переноса носителей заряда сквозь р-п-пере- ход и характеристика которого имеет участок отрицательной диф­ ференциальной проводимости; обращенный диод — полупроводни­ ковый диод, созданный на основе вырожденного полупроводника, в котором ток лри обратном напряжении обусловлен туннельным механизмом, а при прямом напряжении — только процессом ин­ жекции.

По конструкции полупроводниковые диоды делятся на две ос­ новные группы — точечные и плоскостные. Точечные диоды имеют точечный переход, характеризующийся тем, что линейные размеры, определяющие его площадь, меньше толщины перехода. Плос­ костные диоды имеют плоский р-п-переход, линейные размеры ко­ торого, определяющие его площадь, значительно больше его тол­ щины. Существенное различие в площади р-п-переходов точечного и плоскостного полупроводниковых диодов определяет различие в их свойствах и применениях: В точечных диодах собственные емко­ сти р-п-перехода очень малы — порядка десятых или даже сотых долей іпикофаірады, благодаря чему эти диоды можноиспользовать ііа высоких или даже сверхвысоких частотах (сантиметрового или миллиметрового диапазонов). Однако из-за малой площади р-п-пе­ рехода его максимально допустимая мощность рассеивания ограни­ чена и, следовательно, наибольший выпрямленный ток не превыша­ ет нескольких десятков миллиампер.