Глава 9. Электрические переходы

В принципах действия большинства активных твердотельных электронных приборов заложены эффекты, происходящие при протекании электрического тока через границу раздела (контакта) двух кристаллических веществ. Такая структура получила название электрического перехода, а ее

электрические и физические свойства определяются свойствами переходного слоя, который образуется в области контакта. В зависимости от типа и

химической природы контактирующих веществ различают следующие виды электрических переходов:

1.Переход между двумя полупроводниками одинаковой химической природы, но с различными типами проводимости контактирующих областей (электронно-дырочный или n-p переход).

2.Переход между двумя полупроводниками одинаковой химической

природы и одинакового типа электропроводности, но с различными уровнями легирования контактирующих областей (n+-n и p+-p переходы). Индекс «+» означает повышенную концентрацию примеси в одной из областей.

3.Переходы металл – полупроводник.

4.Переходы между полупроводниками различной химической природы, отличающимися шириной запрещенной зоны. Иначе такие переходы называют гетеропереходами.

5.Переходы металл – диэлектрик – полупроводник.

Основной характеристикой переходов является ВАХ (вольт-амперная характеристика), которая представляет собой зависимость полного тока I (или плотности тока j), текущего через переход от величины и полярности приложенного внешнего напряжения U. Вид и характер ВАХ определяют

области применения и режимы работы конкретных электронных приборов на основе данного перехода. В общем случае различают две основных разновидности ВАХ – омические и неомические.

В первом случае зависимость I = f(U) является линейной (подчиняется закону Ома), причем это свойство сохраняется при любой полярности приложенного напряжения. Во втором случае ВАХ является нелинейной, а ее

конкретный вид определяется физическими свойствами переходного слоя в области контакта.

9.1. Структура и основные параметры n-p перехода

Параметры и характеристики n-р перехода зависят от уровней легирования и геометрических размеров n и p областей полупроводника, а

также от характера распределения примесей в переходном слое в области контакта. По соотношению уровней легирования n и p областей полупроводника n-р переходы подразделяются на два вида – симметричные и несимметричные.

157

В симметричных переходах (рис. 9.1, а) уровни легирования контактирующих областей одинаковы (ND = NA), что обеспечивает равенство концентраций основных носителей заряда в n и p областях (nn = pp). Здесь и далее нижние индексы «n» и «p» указывают на область перехода, к которой относятся концентрации носителей. Из рис. 9.1 видно, что в пределах переходного слоя (d) существует точка (x0), в которой концентрации электронов и дырок одинаковы. Эта точка называется металлургической

границей перехода и для симметричной структуры она совпадает с физической границей контакта двух кристаллов (рис. 9.1, а).

Несимметричные переходы (рис. 9.1, б) характеризуются различными уровнями легирования областей и обозначаются как n+-p, если ND > NA или p+-n, если ND < NA. Для несимметричной структуры характерно несовпадение концентраций основных носителей заряда в n и p областях (nn >> pp для n+-p перехода и nn << pp для p+-n перехода), а также точек, соответствующих металлургической и физической границам.

По характеру структуры n-p переходы подразделяются на резкие и плавные. В резких переходах концентрация донорной и акцепторной

примеси скачкообразно изменяется на границе слоев с различным типом проводимости. Резкие переходы представляют собой предельный случай более широкого класса плавных переходов, в которых градиент концентраций примеси изменяется в широком диапазоне.

9.2. Равновесное состояние n-p перехода

Рассмотрим n-p переход, в котором концентрации доноров и акцепторов изменяются скачком на границе раздела. Пусть концентрация атомов доноров ND в n-области равна концентрации атомов акцепторов NА в p-

158

области. Все примесные атомы оказываются ионизированными. Равновесная концентрация дырок в p-области (рр0) значительно превышает их концентрацию в n-области (рn0). Аналогично для электронов выполняется условие nn0 >> np0

Наличие контакта между полупроводниками n- и p-типа немедленно приведет к возникновению диффузии электронов из n-области в p-область и обратной диффузии дырок вследствие наличия градиента концентраций.

Такое движение зарядов создает диффузионный ток электронов и дырок (электронов в n-области (jnдиф, направление n→p) и дырок в р области (jpдиф, p→n).

Рис. 9.2. Диаграмма, поясняющая возникновение области пространственного заряда (двойного заряженного слоя) в n-p переходе

Уход основных носителей заряда из соответствующих областей приводит к тому, что по обе стороны от физической границы перехода образуются слои dn и dp, обедненные основными носителями, в которых

образуется нескомпенсированный неподвижный заряд ионизированных донорных и акцепторных примесей. Таким образом, в слое dn со стороны n-

159

области перехода сосредоточен избыточный положительный заряд, а в слое dp со стороны р области – избыточный отрицательный.

Между n и р областями в пределах обедненных слоев создается

контактная разность потенциалов или потенциальный барьер перехода (ϕк)

и внутреннее электрическое поле, которое получило название поля объемного заряда (Еопз) (рис. 9.2). При этом положительный заряд в p-области равен отрицательному заряду в n-области, так что образец в целом остается электронейтральным.

Образование потенциального барьера с точки зрения зонной структуры связано с различным значением энергии Ферми в полупроводниках n и р типа, не взаимодействующих друг с другом (рис. 9.3, а).

Рис. 9.3. Образование n-p перехода при контакте двух полупроводников: изолированные p и n области (а), n-p переход (б)

Образование нескомпенсированных объемных зарядов вызывает понижение энергетических уровней в n-области и повышение в р-области. Смещение энергетических уровней прекратится, когда уровни Ферми в n- и р-областях совпадут, так как в неоднородных системах, находящихся в равновесии уровень Ферми (химический потенциал) один и тот же для всех частей системы.

160

На границе раздела областей разного типа проводимости уровень Ферми проходит через середину запрещенной зоны (рис. 9.3, б). Это означает, что в

этой плоскости полупроводник характеризуется собственной электропроводностью и обладает повышенным сопротивлением по сравнению с остальным объемом.

Поле объемного заряда является тормозящим по отношению к диффузионным токам основных носителей заряда и создает потенциальный барьер на пути их движения через границу перехода. Для неосновных носителей (np и pn) потенциального барьера нет, поскольку направление сил

их электростатического взаимодействия с контактным полем совпадает с направлением их перехода в соседнюю область. Поэтому поток неосновных

носителей зависит только от их концентрации в приконтактной области и не зависит от высоты барьера. Все неосновные носители, попавшие в область пространственного заряда n-p перехода, будут подхвачены электрическим полем и переброшены в соседнюю область. Такое направленное перемещение зарядов создает ток дрейфа n-p перехода. Он протекает навстречу току диффузии jдиф.

В условиях термодинамического равновесия при отсутствии внешнего напряжения величина Еопз достигает такого значения, при котором диффузионный ток равен току проводимости, а поскольку они текут навстречу друг другу, то результирующий ток через n-p переход отсутствует.

Таким образом, область n-p перехода обеднена свободными носителями. В ней существует внутреннее электрическое поле и потенциальный барьер. Проводимость обедненной области во много раз ниже, чем соседних нейтральных областей. Потенциальный барьер n-p перехода определяет его важнейшее свойство, которое заключается в резко выраженном эффекте односторонней проводимости. Поэтому монокристалл с n-p переходом является, по существу, полупроводниковым диодом. Величина потенциального барьера n-p перехода обычно бывает порядка десятых долей вольта. Например, в монокристалле германия ϕк = 0,3–0,4 В.

Как видно из диаграмм на рис. 9.3, величина контактной разности потенциалов равна разности энергий Ферми:

Для рабочего диапазона температур большинства твердотельных электронных приборов, когда выполняется условие T > Ts (Ts – температура истощения примеси), справедливо считать, что все атомы примеси ионизованы. В этих условиях можно полагать, что nn ≈ ND, pp ≈ NA, а

уравнение для контактной разности потенциалов можно переписать в следующем виде:

161

Таким образом, потенциальный барьер в n-p переходе тем выше, чем сильнее легированы p и n области.

Другим важным параметром перехода является ширина обедненной области n-p перехода или области пространственного заряда (ОПЗ). Толщина ОПЗ резкого перехода (d) и распределение обедненного слоя по областям

Как следует из данного выражения, ОПЗ расширяется в основном в область с меньшей концентрацией легирующей примеси.

Для симметричного плавного n-р перехода с линейным распределением примесей толщина ОПЗ может быть найдена как:

На ширину n-p перехода и величину его потенциального барьера существенное влияние оказывает температура монокристалла. При низкой температуре (порядка – 60°С) проводимость обеих областей n-p перехода будет обусловлена только избыточными носителями зарядов, созданными за счет атомов доноров и акцепторов.

С повышением температуры монокристалла примесная проводимость остается неизменной, но к ней добавляется возрастающая собственная проводимость. При высокой температуре прибора (порядка +100°С в германии и порядка +150°С в кремнии) проводимость обеих областей монокристалла становится в основном собственной. Концентрация

собственных носителей оказывается значительно больше концентрации избыточных носителей. В этом случае из р-области в n-область переходит такое количество электронов (а в обратном направлении – дырок), которое достаточно для полной компенсации зарядов ионов примесей. В результате происходит исчезновение n-p перехода, и монокристалл становится обычным омическим сопротивлением.

162