2.3 Собственные токи в контактах

Так как проводники и полупроводники способны проводить ток, в контактах между ними в отсутствие внешнего напряжения могут возникать токи.

Рассмотрим, например, контакт полупроводников, отличающихся только концентрацией донорной примеси, рис. 12.

Рис. 12

Здесь левая область, обозначенная как n⁺, обладает более высокой концентрацией примесей и основных носителей – свободных электронов. В таком контакте существуют условия для возникновения диффузии: концентрация свободных электронов в n⁺ области больше, чем в n области, температура не равна нулю. Свободные электроны будут диффундировать из n⁺ области в n область (обозначены на рисунке кружками, стрелка указывает направление движения). Следовательно, в таком контакте существует диффузионный ток I_дф.

В n⁺ области, теряющей часть отрицательных зарядов, возникает обеднение и образуется положительный заряд нескомпенсированных ионов донорной примеси (обозначены, в отличие от подвижных зарядов, квадратами). В n области, в результате обогащения возникает избыточный отрицательный заряд. Поэтому появляется собственное электрическое поле с контактной разностью потенциалов φ_к. Это поле заставляет часть свободных электронов пересекать контакт в обратном направлении, т.е. порождает встречный дрейфовый ток I_др. Устанавливается равновесное состояние:

I_дф = I_др (15)

Токи равны и противоположны, поэтому тока во внешней цепи нет.

Нарушение равновесия в отсутствие внешнего напряжения невозможно. Например, при возникновении преобладания I_дф из-за усиления диффузии увеличатся положительный и отрицательный заряд приграничных областей, усилится электрическое поле и возрастёт встречный I_др. Равновесие восстановится.

Наличие и равенство I_дф и I_др наблюдается в любых контактах, в которых есть подвижные носители заряда и собственное электрическое поле.

2.4 Электроёмкость контактов

Электроёмкостью, или просто ёмкостью, называется способность различных объектов накапливать и сохранять электрические заряды.

Барьерной ёмкостью называют ёмкость таких объектов, в которых подвижные заряды сохраняются из-за отсутствия пути для их движения, т.е. для тока разряда, т.к. существует препятствие для этого тока. Таким препятствием является, например, диэлектрический слой конденсатора или диэлектрический слой между металлом и полупроводником МДП-структуры. Подобное препятствие образует также обеднённый слой полупроводника. Концентрация подвижных носителей заряда в обеднённом полупроводнике может быть настолько малой, что он, как и диэлектрик, почти не проводит ток.

Величина барьерной ёмкости контакта зависит от его площади S, толщины диэлектрического или обеднённого слоя w и его диэлектрической проницаемости εε₀:

С_б = εε₀S/w (16)

Диффузионной ёмкостью обладают объекты, в которых подвижные носители заряда диффундируют в некоторую полупроводниковую область и создают здесь диффузионный заряд. Диффузионный заряд и диффузионная ёмкость пропорциональны диффузионному току I_дф этих носителей и их среднему времени жизни τ:

C_дф = τI_дф/φ_т , (17)

где φ_т = kT/q - термический потенциал.

В среднем, спустя время 2…3τ* большая часть носителей заряда погибает в результате рекомбинации с зарядами области, в которую они проникли. Поэтому диффузионный заряд и диффузионная ёмкость существуют пока происходит приток новых носителей, т.е. при I_дф ≠ 0 или пока в областях есть диффузионный заряд.

Наличие емкости контакта, требующей времени на заряд и разряд, определяет его быстродействие, т.е. способность быстро переходить из закрытого состояния в открытое и наоборот.