Тема 2. Физические явления полупроводниковой электроники

Полупроводниками в физике принято называть материалы с удельным сопротивлением  = 10³  10⁹ Омсм, в отличие от проводников (металлов), которые имеют   10⁴ Омсм, и диэлектриков  материалов с  10¹⁰ Омсм.

Полупроводники имеют собственную электропроводность, которая называется примесной при внесении примеси. Внося различные примеси, можно сформировать полупроводники с заданными свойствами.

В основе работы большинства полупроводниковых приборов и активных элементов интегральных микросхем лежит использование электрических переходов, общим свойством которых является наличие потенциального барьера на границе между полупроводниками. Полупроводники могут отличаться по типу проводимости (p или n), или иметь различные физические характеристики, например:

Электрический переход – переходный слой в полупроводниковом материале между двумя областями с различными типами электропроводности или разными значениями удельной электрической проводимости (одна из областей может быть металлом).

В зависимости от функционального назначения, уровня требуемых электрических параметров в диодах используются следующие типы выпрямляющих и омических электрических переходов.

Выпрямляющий переход – электрический переход, электрическое сопротивление которого при одном направлении тока больше, чем при другом.

Омический переход – электрический переход, электрическое сопротивление которого не зависит от направления тока в заданном диапазоне значений токов.

Электронно-дырочный переход (p-n-переход) – электрический переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность n-типа, а другая p-типа.

Гетерогенный переход (гетеропереход) – электрический переход, образованный в результате контакта полупроводников с различной шириной запрещенной зоны.

Гомогенный переход (гомопереход) – электрический переход, образованный в результате контакта полупроводников с одинаковой шириной запрещенной зоны.

Переход Шотки – электрический переход, образованный в результате контакта между металлом и полупроводником.

Электронно-электронный переход (n-n⁺-переход) – электрический переход между двумя областями полупроводника n-типа, обладающими различными значениями удельной электрической проводимости.

Дырочно-дырочный переход (p-p⁺-переход) – электрический переход между двумя областями полупроводника p-типа, обладающими различными значениями удельной электрической проводимости. Знак «+» условно обозначает область с более высокой удельной электрической проводимостью

Формирование электронно-дырочного перехода происходит при контакте полупроводников без подачи внешнего напряжения. Атомы примесной проводимости, расположенные вдоль границ раздела жестко связаны с кристаллической решеткой и неподвижны.

Вследствие этого, диффузионный ток, между областями, образующийся в момент контакта, осуществит перенос электронов с внешних электронных оболочек атомов в в области n на незаполненные внешние оболочки атомов примеси в области p типа. Этот процесс можно рассматривать, как мгновенную ионизацию всех приграничных атомов примеси по обе стороны границы раздела, что приведет к образованию двух приграничных заряженных слоев противоположного знака по отношению к примесной проводимости в каждой из областей.

Эти два приграничных слоя и образуют область электронно-дырочного перехода, обедненного основными носителями. Поле, образованное р-п переходом, направлено против основного поля, образованного исходными атомами р – и п- проводимости, что вызывает образование тока дрейфа дырок и электронов, направленного противоположно исходному току диффузии. Возникает равновесное состояние, которое характеризуется некоторой величиной поля E, шириной р-п перехода w , емкостью C и контактной разностью потенциалов φк.

Такие переходы могут быть cимметричными и несимметричными. При симметричных переходах области полупроводника имеют одинаковую концентрацию примеси, а в несимметричных  разную (концентрации примесей различаются на несколько порядков  в тысячи и десятки тысяч раз).

Границы переходов могут быть плавными или резкими, причем при плавных переходах технологически трудно обеспечить качественные вентильные свойства, которые необходимы для нормальной работы диодов и транзисторов, поэтому резкость границы играет существенную роль; в резком переходе концентрации примесей на границе раздела областей изменяются на расстоянии, соизмеримом с диффузионной длиной L.

При подаче внешнего напряжения для электронно-дырочного p-n-перехода характерны три состояния: равновесное; прямосмещенное); обратносмещенное).

Равновесное состояние p-n-перехода рассматривается при отсутствии напряжения на внешних зажимах. В этом случае потенциальный барьер, возникающий на границе двух областей, препятствует равномерному распределению носителей по всему объему полупроводника. Преодолеть этот барьер в состоянии лишь те основные носители, у которых достаточно энергии и они образуют через переход диффузионный ток I_диф. Кроме того, в каждой области имеются неосновные носители, для которых поле p-n-перехода будет ускоряющим, эти носители образуют через переход

дрейфовый ток I_др , который чаще называют тепловым или током насыщения I₀. Суммарный ток через равновесный p-n-переход будет равен нулюСвободное движение носителей через электронно-дырочный переход возможно при снижении потенциального барьера p-n-перехода. При этом происходит инжекция носителей заряда, т.е. их переход из области эмиттера в область базы в другую под действием внешнего напряжения. Область эмиттера легируется примесными атомами значительно сильнее, чем база. За счет разной концентрации примесных атомов в несимметричных переходах имеет место односторонняя инжекция: поток носителей из области с низкой концентрацией примесных атомов (из базы) очень слабый и им можно пренебречь.

При прямой полярности внешнего источника равновесное состояние перехода нарушается, так как поле этого источника, накладываясь на поле p-n-перехода, ослабляет его, запрещенная зона перехода уменьшается, потенциальный барьер снижается, сопротивление перехода резко уменьшается, диффузионная составляющая тока при этом возрастает в «е^u/t» раз и является функцией приложенного напряжения

(2.1)

где  _t = kT/q  температурный потенциал (при комнатной температуре  _t = 0,025В);

k  постоянная Больцмана;

T  температура;

q  заряд электрона.

Составляющая тока I_о в идеализированном переходе при воздействии прямого внешнего напряжения остается практически без изменения. Следовательно, прямой результирующий ток через идеальный p-n-переход

(2.2.)

и окончательно

(2.3)

Уравнение (2.1) идеального p-n-перехода определяет основные вольтамперные характеристики полупроводниковых приборов.

При построении ВАХ перехода по (2.1) видно, что для идеального p-n-перехода при напряжениях, больших нуля, характерен режим заданного прямого тока, а не напряжения. Для реальной ВАХ при учете омического падения напряжения в слое базы, внешнее напряжение распределяется между p-n-переходом и слоем базы (сопротивление базы r_б при малой площади перехода может составлять десятки Ом), поэтому уравнение (1.1), описывающее статическую ВАХ (рис. 2.1) реального перехода, можно записать следующим образом

(2.4)

При обратной полярности внешнего источника полярность внешнего источника напряжения совпадает с полярностью контактной разности потенциалов, потенциальный барьер p-n-перехода повышается, запрещенная зона перехода расширяется. При малых значениях обратного напряжения через p-n-переход будет наблюдаться движение и основных носителей, образующих ток, противоположно направленный току дрейфа

(2.5)

Результирующий ток через p-n-переход при действии обратного напряжения

(2.6)

Уравнение (1.4) описывает обратную ветвь обратносмещенного перехода (рис. 22.1).

При U_обр, большем 3_t, диффузионный ток через переход прекращается. При этом ток неосновных носителей продолжает течь через переход.

Отношение прямого и обратного тока называется коэффициентом выпрямления.

К_выпр =I_пр/I_обр = exp U/_t, (2.7)

Очевидно, что К_выпр имеет очень большую величину и характеризует выпрямительные свойства р-п перехода

Обратный ток в общем случае носит название тока термогенерации и имеет большую величину; тогда как тепловой ток при комнатной температуре вообще не учитывается ( в Si p-n переходе), так как он на 23 порядка меньше обратного тока. У германиевых переходов тепловой ток на 6 порядков больше, чем у кремниевых, поэтому в германиевых структурах этим током пренебрегать нельзя.

В реальном переходе наблюдается значительная зависимость тока неосновных носителей от приложенного напряжения. При действии обратного напряжения, когда расширяется запрещенная зона, область перехода сильно обедняется носителями, при этом процесс рекомбинации замедляется и процесс генерации оказывается неуравновешенным. Избыток генерируемых носителей захватывается электрическим полем и переносится в нейтральные слои (электроны в n-область, а дырки  в p-область). Эти потоки и образуют ток термогенерации. Этот ток слабо зависит от температуры и сильно зависит от величины приложенного обратного напряжения; уместно вспомнить упрощенную формулу зависимости скорости движения электрона в ускоряющем электрическом поле от приложенного напряжения

(2.8)

С увеличением приложенного напряжения скорость электрона увеличивается, растет число соударений его с атомами в узлах решетки (ударная ионизация), что приводит к появлению новых носителей заряда. Увеличение числа зарядов приводит к увеличению тока неосновных носителей, температура перехода увеличивается, а это, в свою очередь, приводит к нарушению ковалентных связей и росту носителей. Процесс может принять лавинообразный характер и привести к пробою p-n-перехода (рис. 1.1). Различают следующие виды пробоев:

туннельный (при напряженности поля перехода свыше 10⁶ В/см, до точки «а»);

электрический (вызван ударной ионизацией, после точки «а»), этот тип пробоя иногда называют лавинным, при этом в переходе идут обратимые процессы и после снятия обратного напряжения он восстанавливает свои рабочие свойства. При электрическом пробое нарастание тока почти не вызывает изменения напряжения, что позволило использовать эту особенность характеристики для стабилизации напряжения;

тепловой возникает в результате сильного разогрева перехода (после точки «б»); процессы, которые идут при этом в переходе, необратимы, и рабочие свойства перехода после снятия напряжения не восстанавливаются (вот почему в справочной литературе строго ограничивается величина обратного напряжения на переходах диодов и транзисторов).

Рис. 2.1. ВАХ реального электронно-дырочного p-n-перехода

Анализируя прямую и обратные ветви вольтамперной характеристики, приходим к выводу, что p-n-переход хорошо проводит ток в прямосмещенном состоянии и очень плохо в обратносмещенном, следовательно, p-n-переход имеет вентильные свойства и его можно использовать для преобразования переменного напряжения в постоянное, например, в выпрямительных устройствах в блоках питания.