книги из ГПНТБ / Власов В.Ф. Электронные и ионные приборы Учеб.пособие для радиотехн.вузов и фак

кочастотных колебаний. Такие приборы («кристадины») могли выполнять функции не только диодов, но и триодов.

Успехи в развитии электронных ламп, оказавшихся в то время более совершенными приборами, чем кристаллические де­ текторы, привели к развитию ламповой радиотехники, и к 30-м годам кристаллические детекторы были почти полностью вытес­ нены электронными лампами. Однако в связи с освоением ра­ диотехникой диапазона сантиметровых волн, в котором выяви­ лись существенные недостатки электронных ламп, кристалли­ ческие детекторы были вновь возрождены, но уже на качест­ венно новой, значительно более совершенной технической основе.

В качестве исходного материала для изготовления совре­ менных полупроводниковых диодов применяются германий или кремний — элементы 4-й группы таблицы Менделеева.

Подобно тому как высокий вакуум является непременным условием нормальной работы вакуумных приборов, так для полупроводниковых приборов требуется исходный материал, имеющий правильную кристаллическую структуру с очень ма­ лым числом дефектов в виде недостающих или сместившихся атомов и весьма высокую чистоту. Количество примесей обычно допускается не более 1012 атомов на 1см3, т. е. не более одного атома примеси на 10ю атомов основного вещества. Только в этом случае может быть достигнуто высокое качество полупро­ водниковых приборов и однородность продукции.

Для изготовления полупроводникового прибора требуется также, чтобы полупроводниковое вещество обладало определён­ ной примесной проводимостью—либо электронной, либо дыроч­ ной (см. § 2.1). Для этой цели в очищенный исходный материал добавляют строго дозированные примеси — донорные или ак­ цепторные в количестве порядка одного атома примеси на 107н- -4- 108 атомов основного вещества. В качестве донорных приме­ сей германия и кремния используются элементы 5-й группы: сурьма, мышьяк, фосфор, а в качестве акцепторных — элементы 3-й группы: индий, бор, алюминий.

Очистка исходного материала и дозировка примесей явля­ ются решающими операциями при производстве полупроводни­ ковых приборов и только после того, как были достигнуты успе­ хи в этой области, наметился прогресс в полупроводниковой электронике.

Современные полупроводниковые диоды по конструкции сво­ ей основной рабочей части — нелинейного (выпрямляющего)

и пружинки-острия 2. Кристаллом является кремний с примесью алюминия или бора, либо германий с примесью сурьмы. Пружин­

590

ка изготавливается из вольфрамовой проволоки диаметром около 0,1 мм. Концу, проволоки придаётся форма конуса, бла­ годаря чему площадь контакта получается очень небольшой, порядка 20 мк2, что существенно для уменьшения междуэлектродной ёмкости и получения лучше­ го выпрямительного эффекта на вы­ соких частотах. Вывод кристалла 3 припаивается свинцово-оловянным припоем, дающим линейный кон­ такт. Внешний вид и конструкция

точечного диода показаны на рис. 22.3. Пластинка полупровод­ ника 1 и находящаяся с ним в контакте заострённая металличе­ ская пружинка 2 заключены в герметичный стеклянный кор­ пус 3. Контакт является постоянным и регулировки не требует. Через стек­ лянный корпус с помощью коваровых втулок 4 сделаны выводы электро­ дов 5.

Устройство плоскостного диода схе­ матически показано на рис. 22.4. Ос­ новной рабочей частью является кон­ такт электронного и дырочного полу­ проводников, который принято назы­ вать электронно-дырочным переходом,

или р-п переходом. В германиевых диодах электронно-дырочный переход

получают посредством нагревания в водородной печи кристал­ ла я-германия 1 вместе с прижатым к нему кусочком индия 2- Индий при нагревании п л э е и т с я и частично диффундирует в гер­ маний, сообщая прилегающей к нему области кристалла дыроч­ ную проводимость. Граница р- и я-областей обозначена пунктир­

591

ной линией. К индию прикреплён верхний токосниматель 3. С обратной (тыльной) стороны кристалл германия при помощи '

зазора и каких-либо прослоек с отличающимся химическим со­ ставом ,).‘

Предположим, что внешнее электрическое поле к рассматри­ ваемой системе не приложено. Несмотря на это, распределение электрических зарядов—носителей тока — в прилегающих к контакту слоях обоих полупроводников будет отличаться от рас­ пределения этих зарядов в объёме, где в любом не очень малом элементе суммарный.объёмный заряд ионов, расположенных в узлах решётки, и носителей тока (электронов и дырок) равен нулю (если не учитывать возможные случайные флуктуации). Перераспределение носителей тока в приконтактных слоях свя­ зано с необходимостью уравновесить потоки носителей через плоскость контакта в обоих направлениях.

Действительно, когда мы приводим в контакт два полупро­ водника р- и л-типа, которые становятся после этого как бы од­ ним твёрдым телом, то на границе обоих полупроводников ока-

') Наличие химической прослойки или механически несовершенного кон­ такта в ряде случаев может привести к несимметричной проводимости.

592

зывается значительный перепад (градиент) концентрации носи­ телей. В дырочном полупроводнике, приведённом в контакт с электронным, концентрация электронов проводимости (неоснов­ ных носителей) будет обычно намного меньше, чем концентра­ ция тех же частиц в электронном полупроводнике, где они яв­ ляются основными носителями. По той же причине концентра­ ция дырок в «дырочной» части (р) рассматриваемой системы будет обычно намного больше, чем концентрация тех же частиц

в«электронной» части (п).

Вэтих условиях тепловое движение основных носителей при­

нимает характер диффузионного движения. Диффузия 'электро­

поверхность плоского перехода за время dt, пропорционально коэффициенту диффузии носителей D, градиенту концентрации

Знак минус в" ур-нии (22.1) указывает, что диффузия проис­ ходит в сторону убывания концентрации носителей.

Следовательно, плотность диффузионного тока основных но­ сителей через р-п переход равна

( 22. 2)

причём заряд е берётся с соответствующим знакомВозникает вопрос, до каких пор после приведения в контакт

обоих твёрдых тел будет проходить такой диффузионный ток и какое в результате установится равновесное состояние в элек­ тронно-дырочном переходе?

Если бы электроны проводимости и дырки были нейтраль­ ными частицами, то равновесное состояние установилось бы тогда, когда концентрация каждого типа носителей в обеих частях р-п перехода выравнялась. Но так как электроны и дырки являются заряжёнными частицами, их взаимная диффу­ зия неизбежно сопровождается соответствующим перераспре­ делением электрических зарядов, в результате чего потенциал p-области (куда частично перешли электроны проводимости и откуда частично ушли дырки) становится по отношению к л-об- ласти отрицательным. Следовательно, взаимная диффузия но­ сителей неизбежно связана с образованием некоторой разности потенциалов между приведёнными в контакт полупроводниками.

Под действием этой контактной разности потенциалов и со­ ответствующего ей электрического поля напряжённостью

Е = —grad U через контакт будет проходить некоторый ток про­ водимости, плотность которого

Этот ток направлен навстречу диффузионному току, а по величине равен ему, так как при отсутствии внешнего поля результирующий ток через контакт для каждого типа носителей должен равняться нулю:

Итак, в равновесном состоянии в электронно-дырочном пе­ реходе существует некоторый градиент концентрации носителей

ответствующий ей ток проводимости }пр. Оба эти тока в состоя­ нии равновесия численно равны.

Из-за происшедшего при установлении равновесного состоя­ ния перераспределения зарядов в электронно-дырочном пере­ ходе будет существовать электрический двойной слой, отрица­ тельный полюс которого находится в p-области, а положитель­ ный — в «-области. В пределах этого двойного слоя и имеет место перепад потенциала UK, называемый контактной разностью потенциалов. В первом приближении контактную разность по­ тенциалов можно считать равной разности работ выхода обоих полупроводников:

Электрический двойной слой локализован в основном в при­ легающих к контакту областях полупроводников и простирает­

ся вглубь каждого из них на расстояние порядка 10~4 -т- 10- 5 сл от границы раздела. В остальном объёме каждого из полупро­ водников состояние электронов и дырок не нарушается.

На рис. 22.6а вертикальными пунктирными линиями условно обозначена область локализации приконтактного электрическо­ го двойного слоя. Кружки со знаком минус показывают, что в прилегающем к контакту слое дырочного полупроводника име­ ются ионизированные акцепторы, отрицательный объёмный за­ ряд которых не скомпенсирован объёмным зарядом дырок вслед­ ствие частичной диффузии последних в «-область, а также частичной рекомбинации дырок с перешедшими из «-области электронами проводимости. Соответственно, кружки со знаком плюс означают, что в приконтактном слое электронного полу­ проводника имеются ионизированные доноры, положительный объёмный заряд которых не скомпенсирован объёмным зарядом электронов проводимости вследствие частичной диффузии по-

594

следних в p-область, а также частичной рекомбинации электро* нов проводимости с перешедшими из p-области дырками. Дру­

Перераспределение электрических зарядов в приконтактныл слоях, уравновешивающее потоки носителей через контакт в обоих направлениях, оказывает влияние на электропроводность контакта. Дефицит носителей в прилегающих к контакту р- и «-областях, являющийся следствием перераспределёния заря­ дов, приводит к тому, что электропроводность приконтактного слоя, обеднённого носителями оказывается меньшей, чем элек­ тропроводность объёма полупроводника. Таким образом, в кон­ такте двух полупроводников с различными типами проводимо­ сти образуется слой с повышенным сопротивлением. Этот слой называют запорным слоем. Поскольку его природа связана с чисто физическими (электрическими) процессами, данный за­ порный слой часто называют физическим (в отличие от запор­ ных слоёв другой природы — химических и т. д,).

Выпрямительный эффект в электронно-дырочном переходе

Если к рассматриваемой системе приложить электрическое

правления, при котором основные носители будут уходить из приконтактных слоёв обоих полупроводников. В результате де­ фицит носителей в запорном слое и толщина самого слоя, обед­ нённого носителями, возрастают по сравнению с равнозесным состоянием, что приводит к росту сопротивления запорного слоя. Такое направление называется запорным. Вертикальные пунктирные прямые 1—1' на рис. 22.7а обозначают границы яриконтактного слоя обеднённого носителями, в состоянии рав­ новесия, а пунктирные прямые 2—2' — те же границы при при­ ложении внешнего напряжения указанной на рисунке полярно­ сти. Стрелками показано направление движения основных но­ сителей, уходящих под действием внешнего поля из приконтакт- «ого слоя. Высота потенциального барьера в р-п переходе при подаче внешнего напряжения U в запорном направлении воз­ растает до значения UK+ U (рис. 22.76). В результате уменьайдется поток основных носителей через контакт по сравнению со случаем U = 0.

596

Основной составляющей тока через контакт становится ток проводимости неосновных носителей, движущихся под действи­ ем приложенного поля из обеих областей полупроводника по направлению к контакту. Однако концентрация неосновных но­ сителей, как отмечалось в § -2.1, обычно намного меньше кон­ центрации основных носителей, поэтому ток в запорном на­ правлении не достигает значительной величины, хотя разность потенциалов в приконтактном слое становится большой.

Существенно иное положение имеет место при приложении к контакту поля противоположного направления для чего источ­ ник внешнего напряжения должен быть подключён плюсом на p-область, а минусом на «-область (рис. 22.8). В этом случае

"•“Г

под действием внешнего поля основные носители будут дви­ гаться к контакту, сокращая тем самым дефицит носителей в запорном слое и уменьшая толщину последнего. Следователь­ но,. сопротивление приконтактного слоя уменьшится. Данное направление называется пропускным.

В пропускном направлении выпрямляющего контакта ре­ зультирующее поле в электрическом двойном слое, определяе­ мое в данном случае не суммой, а разностью потенциалов UK—U

597

становится меньшим, чем в равновесном состоянии. В резуль­ тате поток основных носителей через контакт увеличится. При \U\ UK потенциального барьера для основных носителей в приконтактном слое уже нет, и ток через контакт ограничивается обычным омическим сопротивлением объёма полупроводника. Для неосновных носителей данное направление поля является запорным, но они, имея сравнительно малую концентрацию, существенного влияния на токопрохождение через контакт в пропускном направлении не оказывают.

На границе р- и «-областей движущиеся под действием внеш­ него поля к контакту электроны проводимости и дырки реком­ бинируют. Результатом каждого акта рекомбинации является исчезновение двух носителей тока — электрона и дырки. В том случае, если в пропускном направлении р-п перехода потоки электронов проводимости из «-области в p-область и дырок в обратном направлении будут по какой-либо причине неодинако­ выми (например, из-за различной электропроводности р- и «-об­ ластей), рекомбинация на границе областей произойдёт лишь частичная и тогда будет наблюдаться внедрение носителей (ток которых больше) в область полупроводника с другим типом проводимости. Это явление, называемое ингекцией неосновных носителей (от английского слова injection — впрыскивание), играет важную роль в работе полупроводниковых триодов, а также в работе полупроводниковых диодов в импульсных ре­ жимах.

Если в момент времени /= 0 в полупроводник введено неко­ торое количество неосновных носителей с концентрацией «о, то с течением времени в результате процессов рекомбинации кон­ центрация этих неравновесных носителей будет убывать. Фор­ мулу, выражающую закон убывания, можно вывести из сле­ дующих соображений. Полагая, что изменение концентрации неосновных носителей dn вследствие рекомбинации пропорцио­ нально концентрации неосновных носителей « и промежутку времени dt, получаем

Здесь к — коэффициент пропорциональности, а знак минус указывает на то, что число носителей убывает со временем. Проинтегрируем это уравнение.

или

п=се ■К1

При t= 0 « = «о, отсюда с = « 0.

698

Обозначив буквой т время, за которое концентрация носи­

телей уменьшится в е раз, получим, что к = ——. Окончательно

найдём, что концентрация неосновных неравновесных носителей п в момент времени t определяется следующим уравнением:

__ t_

т. е. убывает по экспоненциальному закону. Величина т назы­ вается временем жизни неосновных носителей.

За время т неосновные носители успевают вследствие диф­ фузии проникать вглубь полупроводника на некоторое расстоя­ ние L. Это расстояние, играющее большую роль в работе по­ лупроводниковых приборов, принято называть диффузионной длиной. Иначе говоря, диффузионная длина L численно равна среднему расстоянию, на котором концентрация неосновных но­ сителей уменьшается в е раз. Расчёт показывает, что диффу­ зионная длина равна

L=yTTx. ( 22. 8)

Заметим попутно, что при наличии внешнего электрического поля Е глубина проникновения неосновных носителей в полу­ проводник определяется не только диффузионной длиной L, но также и действием этого поля.

Выпрямительный эффект в контакте металл-полупроводник

Появление выпрямительного эффекта в плоскостном кон­ такте металла с полупроводником типа р или п также связано с возникновением запорного слоя в полупроводнике, обуслов­ ленным наличием разницы в величине работы выхода электро­ нов из металла и полупроводника. Однако в этом случае вы­ прямительный эффект оказывается значительно более слабым, чем в электронно-дырочном переходе; поэтому технического применения плоскостные контакты металл — полупроводник не находят.

Точечный контакт' металла с полупроводником находит ши­ рокое применение. В точечном контакте металла с полупровод­ ником основной выпрямительный эффект имеет место не в точ­ ке касания металлического острия с полупроводником, а в не­ большом по площади электронно-дырочном переходе, находя* щемся непосредственно под металлическим остриём. Это пояс­ нено на рис. 22.9, где в увеличенном масштабе схематически по­ казан точечный контакт металла с полупроводником типа п. Металлическое остриё присоединяется к микрообласти с ды­ рочной проводимостью, поэтому основной выпрямительный эф­ фект имеет место в переходе, очерченном на рисунке пунктир­ ной линией.

599