10.2. Контактные явления в полупроводниках

В полупроводниковых приборах используются специфические явления, возникающие на границе раздела как между полупроводниками р— и n-типов, так и между этими полупроводниками и диэлектриками, а также металлами.

А. Контактные явления на границе полупроводников р— и n-типов.

Для удобства анализа воспользуемся идеализированной плоскопараллельной конструкцией границы раздела полупроводников (рис. 10.4, а). Рассмотрим сначала явления на границе раздела идеальных полупроводников n— и р-типов, в которых будем пренебрегать термогенерацией, т. е. неосновными носителями.

Вследствие разности концентраций свободных дырок и электронов по обе стороны от границы раздела полупроводников при разомкнутой цепи источника энергии из полупроводника р-типа часть дырок диффундирует в полупроводник n-типа, а из полупроводника n-типа часть электронов диффундирует в полупроводник р-типа, полностью рекомбинируя между собой. В результате вдоль границы раздела полупроводников возникают слои неподвижных отрицательных и положительных ионов соответственно со стороны полупроводников р— и n-типов, которые образуют р-п переход. Абсолютные значения зарядов обоих слоев одинаковые. Возникающее между этими слоями электрическое поле с напряженностью E препятствует дальнейшей диффузии свободных дырок и электронов через границу раздела. При некотором значении напряженности электрического поля в р-п переходе диффузия через границу раздела полностью прекращается. Если на границе раздела (х = 0 на рис. 10.4, б) принять значение потенциала j(0) = 0, то распределение

потенциала в полупроводниках р— и n-типов будет определяться зависимостью

(10.3)

Разность потенциалов Dj на р-п переходе называется высотой потенциального барьера. Если к свободным торцам полупроводников р— и n-типов подключить источник энергии с напряжением U < 0, то высота потенциального барьера возрастет и в цепи не будет тока. Если напряжение источника U > 0, то высота потенциального барьера уменьшится и в цепи возникнет электрический ток. Следовательно, в идеальном р-п переходе может быть электрический ток диффузии основных носителей I_диф только одного направления.

Явление термогенерации несколько изменит процессы в p-n переходе. При увеличении потенциального барьера под действием внешнего источника энергии ток уже не равен нулю. Вследствие малой интенсивности термогенерации значение этого тока невелико.

Б. Явления в приграничном слое полупроводника под действием электрического поля. Рассмотрим процессы в поверхностном слое полупроводника n-типа, приняв наличие в нем подвижных основных (электроны) и неосновных (дырки) носителей зарядов. Для полупроводника p-типа явления аналогичны. Для анализа воспользуемся идеализированной моделью двухслойного плоского конденсатора (слой полупроводника n-типа имеет контакт с одной пластиной конденсатора и отделен от другой пластины вакуумным промежутком), подключенного к источнику электрической энергии (рис. 10.5).

В зависимости от значения и полярности приложенного к конденсатору напряжения явления в слое полупроводника на границе с вакуумом имеют различный характер.

При отсутствии напряжения (U = 0) основные и неосновные носители распределены равномерно в объеме полупроводника (рис. 10.5). При указанной на рис. 10.6 полярности напряжения (U > 0) в слое полупроводника на его границе с вакуумом под действием электрического поля концентрация электронов возрастает. Одновременно снижается концентрация дырок за счет усиления рекомбинации. Остальная часть полупроводника остается электрически нейтральной. Пограничный слой с избытком основных носителей называется обогащенным слоем. Его удельная проводимость велика.

Если изменить полярность напряжения U = U₁ < 0, то концентрация электронов в приграничном слое уменьшится, а концентрация дырок незначительно увеличится (рис. 10.7). Приграничный слой с недостатком основных носителей называется обедненным слоем. Его удельная проводимость мала.

При определенном значении напряжения U₂ < U₁ < 0 в тонком слое полупроводника у его границы раздела с вакуумом концентрация дырок может превысить, концентрацию электронов, что приводит к изменению в нем типа электропроводности (рис. 10.8). Приграничный слой, проводимость которого определяется неосновными носителя ми, называется инверсным слоем. Его удельная проводимость и толщина возрастают с увеличением абсолютного значения напряжения U₂.

В. Контактные явления на границе диэлектрика и полупроводника. Различные вещества имеют различную работу выхода электронов, т.е. наименьшую энергию, необходимую для вывода одного электрона из вещества в вакуум. Этот процесс количественно определяется значением потенциала выхода j, равного отношению работы выхода к заряду электрона.

Рассмотрим явления, которые при этом возникают на границе раздела диэлектрика и полупроводника, приняв в последнем наличие основных и неосновных носителей.

Для полупроводников n— и p-типов на основе кремния потенциал выхода практически одинаковый: j_Si(n) = j_Si(p) » j_Si » 4,8 В, а для диэлектрика из двуокиси кремния j_SiO2 » 4,4 В. В результате происходит переход части электронов из диэлектрика в полупроводник, так что приграничный слой у диэлектрика заряжается положительно, а у полупроводника — отрицательно. Возникающее между слоями элект рическое поле напряженностью E препятствует этому процессу, приводя его в равновесное состояние. Под действием этого электрического поля аналогично рассмотренным выше процессам (см. рис. 10.6 и 10.8) в приграничном слое у полупроводника n-типа образуется обогащенный слой (рис. 10.9), а у полупроводника p-типа — инверсный, а за ним обедненный слой (рис. 10.10).

Г. Контактные явления на границе полупроводника и металла. Если потенциал выхода для металла j_м меньше потенциала выхода для полупроводника n-типа j_Si(n), то происходит преимущественный переход электронов из металла в полупроводник, в приграничном слое которого возникает обогащенный слой подобно представленному на рис. 10.9. Такой контакт проводит ток в обоих направлениях и используется для конструирования выводов полупроводниковых приборов.

Если потенциал выхода для металла j_м больше потенциала выхода для полупроводника j_Si(n), то у границы раздела в металле образуется слой с отрицательным зарядом, а в полупроводнике — обедненный слой с положительным зарядом. Такой контакт обладает односторонней проводимостью.

Электрические переходы такого типа называются барьерами Шотки по имени исследовавшего их ученого.