191

Из этой энергетической диаграммы следует, что в зоне проводимости арсенида галлия могут существовать электроны, обладающие одной и той же энергией, но имеющие различные эффективные массы, а, следовательно, и различные подвижности:

Если P1 < P2 , то m1*< m2*, а это значит, что μ1 > μ2.

Таким образом, в полупроводнике могут существовать свободные электроны с разными подвижностями: «легкие» электроны с малой эффективной массой и с большой подвижностью в центральной долине и «тяжелые» электроны с большой эффективной массой и с малой подвижностью в боковых д о- линах.

С ростом электрического поля в полупроводнике свободные электроны, приобретая дополнительную энергию превышающую ∆W1 , получают возмож-

ность перейти из центральной долины в боковые. Там они станут «тяжелыми». До этой причине средняя подвижность всех свободных электронов с увеличением электрического поля уменьшается. Подвижности «легких» и «тяжелых» электронов могут отличаться в десятки раз.

Контрольные вопросы

1.Что такое энергетическая зона?

2.Какие зоны называют валентной, проводимости, запрещенной?

3.Какой электрон называют электроном проводимости?

4.Что такое дырка?

5.Какой полупроводник называется широкозонным?

6.В чем суть туннельного эффекта?

7.Какие существуют типы электропроводности полупроводников?

8.Что такое дрейфовая скорость?

9.Что такое подвижность электрона (дырки)?

11.4.Контактные явления

Втвердотельных схемах СВЧ в основном используют два типа контактов: полупроводник-полупроводник и металл-полупроводник. Для контактов полупроводник-полупроводник обычно используют один и тот же полупроводник, легированный акцепторами и донорами (р-п переход). Контакт р-п может быть в зависимости от назначения толстым и тонким, протяженным в поперечном направлении и локальным. Самыми распространенными из контактов ме- талл-полупроводник является два: омический, образованный, например, металлом и полупроводником n-типа при отрицательной разности работ выхода металла и полупроводника, и так называемый контакт Шоттки, образованный ме-

192

таллом и полупроводником п-типа при положительной разности работ выхода. Омический контакт широко применяется в пассивных частях схем СВЧ, а также в диодах и транзисторах. Контакт Шоттки положен в основу работы одного из самых распространенных диодов СВЧ.

Свойства р-п контактов. Поверхность, по которой контактируют слои р- и п-, называется металлургической границей, а приле гающая к ней область объемных зарядов – собственно р-п переходом (англ. – p-n junction). При контакте р- и п- полупроводников электроны из полупроводника п-типа диффундируют в полупроводник р-типа, а дырки в обратную сторону до тех пор, пока из-за образующегося пространственного заряда уровни их химических потенциалов не выровняются. На контакте при этом появится разность потенциалов

φ0.

В области перехода имеется объемный заряд доноров и акцепторов (положительный в п-области и отрицательный в р-области). Подвижные носители почти все ушли из перехода, поэтому его сопротивление очень велико. Если к переходу приложить напряжение таким образом, чтобы объемный заряд увеличился (для этого надо к п-области приложить положительное напряжение), то сопротивление перехода еще более увеличится. Такое состояние перехода называется запертым, а соответствующее напряжение – обратным (обратно смещенный переход; англ. – inverted junction). При обратной по отношению к рассмотренной полярности приложенного напряжения объемный заряд в переходе уменьшится и соответственно сопротивление перехода тоже уменьшится. Такое состояние перехода будет называться открытым, а напряжение – прямым

(прямосмещенный переход; англ. – forward-biased junction).

Вольтамперная характеристика перехода имеет несимметричный вид. При прямом напряжении идет большой ток, носящий экспоненциальный характер, при обратном – очень маленький, который определяется током проводимости и не зависит от напряжения. Если к контакту приложить переменное напряжение, то ток будет протекать в основном в одну сторону (выпрямление).

Импульсные (высокочастотные) свойства р-п перехода в запертом состоянии определяются так называемой барьерной емкостью, которая образуется на слое пространственного заряда толщиной l : для резкого р-п перехода (когда Nд>>Nа, , где Nд и Nа – концентрация примесей соответственно в n- и p- областях) практически весь слой объемного заряда находится в n-области :

Здесь S – площадь р-n-перехода; ε – относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; ε0 – электрическая постоянная; U – приложенное

напряжение.

Барьерная емкость зависит от разности потенциалов U. С увеличением обратного смещения барьерная емкость довольно быстро уменьшается. Это обусловлено тем, что при этом возрастает средняя толщина слоя объемного за-

193

ряда. Из приведенного выше выражения видно, что барьерная емкость является нелинейной характеристикой перехода.

Импульсные свойства в открытом состоянии р-п контакта определяются диффузионной емкостью, обусловленной диффузией неосновных носителей в р-п переход:

j = j0 [exp(U /ϕT ) −1] – прямой диффузионный ток через р-п-переход; τ – время жизни носителей заряда (τn ~ τp); ϕT = kT / e – тепловой потенциал; k – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура.

Обычно она значительно выше барьерной (Сб ≈ 1 пФ, СD ≈ 1 мФ). Однако ее шунтирует малое сопротивление прямосмещенного р-п перехода. Диффузионная и барьерная емкости являются нежелательными, поскольку обе ухудшают высокочастотные свойства р-п перехода, применяемого в конкретном приборе.

Свойства контакта металл-полупроводник. Исторически первыми по-

лупроводниковыми приборами были диоды на основе контакта металла с полупроводником. В таких приборах осуществлялось выпрямление слабых токов, а контакт осуществлялся путем соприкосновения металлической иглы с кристал-

лом полупроводника. Точечно-контактные диоды (англ. – point-contact diode)

послужили позже основой для создания целого направления приборов, известных сейчас под названием приборов с контактом Шоттки.

Границы энергетических зон в полупроводнике в окрестности контакта с металлом оказываются деформированными (загнуты вверх на величину контактной разности потенциалов ϕ0 = (ΦM − ΦH ) / e , где ΦM и ΦH – работа вы-

хода электрона соответственно из металла и полупроводника). Образуемый на границе барьер потенциалов получил название барьера Шоттки (англ. – schottky barrier). Используя уравнение Пуассона, можно определить толщину обедненного электронами (запорного) слоя полупроводника:

где n0 – концентрация электронов в полупроводнике.

Если к контакту приложить внешнюю разность потенциалов, повышающую высоту барьера (обратное напряжение – «минус» на металле), ширина обедненного слоя растет, а сопротивление контакта увеличивается. Если внешнее напряжение приложено так, что барьер понижается (прямое напряжение –

194

"плюс" на металле), то ширина обедненного слоя также уменьшается. В этом случае будет уменьшаться сопротивление обедненного слоя. На этом явлении основаны выпрямляющие свойства подобного контакта.

ВАХ при подаче прямого напряжения на барьер будет также определяться экспоненциальной зависимостью, как и в случае р-п перехода:

где J0 = 14 evT n0S ; vT – тепловая скорость электронов.

В отличие от р-п перехода ток через барьер Шоттки определяется не диффузионными скоростями носителей vD (дырок и электронов), а тепловыми скоростями электронов vT, поскольку в контакте отсутствуют неосновные носители. Поэтому при одних и тех же прямых напряжениях ток через барьер Шоттки будет значительно выше, чем ток через р-п переход (vT > vD). Следует отметить, что резкий рост ВАХ для диодов Шоттки наблюдается при напряжении ~ 0,2-0,3 В в отличие от германиевых и кремниевых диодов, для которых соответствующие значения составляют соответственно ~ 0,4–0,5 и ~ 0,6–0,7 В. При подаче обратного напряжения результирующий ток через барьер определяется разностью exp(–|q|U/kбТ) – 1. Таким образом, как и в случае р-п перехода, на контакте возможно выпрямление переменных токов (детектирование). Сам переход в случае обратного смещения можно использовать как нелинейную емкость Сб ≈ А(φ0–|U|)–1. Отметим, что в связи с отсутствием p-области диффузионная емкость такого перехода практически равна нулю. Барьерная емкость в отличие от р-п перехода определяется только толщиной запорного слоя полупроводника и может быть технологически выполнена меньшей, чем у р-п переходов. По этой причине высокочастотные свойства контакта Шоттки значительно выше, чем у р-п переходов.

Контакт Шоттки может быть получен при напылении на полупроводник (кремний, арсенид галлия) таких металлов, как золото, платина, тантал, вольфрам, молибден, нихром. Он был теоретически исследован еще в 30-х годах XX-го столетия, однако практическое применение получил сравнительно недавно только в связи с достигнутыми успехами в технологии изготовления.

Инжектирующие и омические контакты. Инжектирующими контак-

тами (англ. – injecting contact) называются несимметричные переходы, с помощью которых носители вводятся (инжектируются) из низкоомного сильнолегированного слоя в слаболегированный высокоомный слой. Контакты с резкой несимметрией в концентрациях акцепторов Na и доноров Nд создают однонаправленную инжекцию неосновных носителей из одной области в другую. В случае Nд >> Na будет происходить инжекция электронов. Отношение электронной и дырочной составляющих тока связано с концентрацией следующим образом

195

В резко несимметричных переходах это отношение будет достигать нескольких порядков, что демонстрирует явно выраженный односторонний характер токопрохождения.

Омическими контактами (англ. – ohmic contact) называют контакты металла и полупроводника, обладающие линейной вольтамперной характеристикой. Омические контакты имеются практически в любом полупроводниковом приборе (контактные площадки, аноды и катоды в диоде Ганна, исток и сток в полевых транзисторах).

В полупроводнике n-типа на границе с металлом образуется обогащенный электронами слой ℓn, обладающий хорошей проводимостью. Ток в таком контакте будет линейно зависеть от напряжения при любой полярности. Наиболее часто для омических контактов используются такие металлы, как алюминий, олово, свинец, золото.

Контрольные вопросы

1.Какие электрические переходы вы знаете?

2.Какие процессы происходят в равновесном p-n-переходе?

3.Какие основные параметры электронно-дырчатого перехода?

4.Каким образом можно нарушить равновесие в p-n-переходе?

5.Какое выражение имеет ток через p-n-переход?

6.Каковы особенности работы диода Шоттки?

7.Какие основные преимущества барьера Шоттки?

8.Какие свойства омического контакта, в чем физика процессов, какие металлы используются для осуществления омического контакта?