Тучкевич володимир максимович

(нар.1904 р.)

Дослідив генерацію і рекомбінацію електронів і дірок в германії, який легований різними домішками, положення домішкових рівнів.

Отримав чисті монокристали германію.

БУРАК ЯРОСЛАВ ЙОСИПОВИЧ

(нар.1931р.)

Вивчав термодинамічні процеси у власних напівпровідниках, запропонував термодинамічну модель власних напівпровідників.

ЛАШКАРЬОВ ВАДИМ ЄВГЕНОВИЧ

(1903-1974)

Вивчив вплив домішок на напівпровідники з германію та ін. Визначені коефіцієнти дифузій і розчинності ряду електрично активних домішок в германію, вияснені умови і причини виникнення дефектів структури кристалів, обчислені перетини захоплення носіїв обох знаків рядом домішок.

ГОРБАНЬ ІВАН СТЕПАНОВИЧ

(нар.1928р.)

Визначив енергетичний спектр домішкових центрів у кристалах карбіду кремнію.

ТОВСТЮК КОРНІЙ ДЕНИСОВИЧ

(1922-2004)

Ввів (1972 р.) методи теорії поля в проблему взаємодії домішок в напівпровідниках, що стало поворотним пунктом у розвитку напівпровідникового матеріалознавства.

§143. Р-n перехід і його вольт-амперна характеристика

Границя контакту двох напівпро­відників, один з яких має електронну, а інший діркову провідність, називається електронно-дірковим переходом (або p-n переходом).

Ці переходи мають велике практичне значення, будучи основою роботи багатьох напівпровідникових приладів.

Отриматиp-n- перехід при безпосередньому контакті двох напівпровідників практично неможливо, оскільки їх поверхні містять величезну кількість домішок, різноманітних дефектів, що змінюють властивості напівпровідників.

Одним із поширених методів виготовлення p-n- переходів єметод сплавлення. Кристал германіюn-типу з „таблеткою” індію, яка покладена на нього, нагрівається в печі при температурі500 - 600°С в атмосфері водню або аргону. При цьому індій розплавляється і розчиняє в собі германій. При повільному охолодженні із розплаву випадає германій, який насичений індієм. Він кристалізується у формі монокристала. Оскільки германій, що містить індій, маєp-провідність, то на границі розплаву, що закристалізувався, і монокристала германію, що маєn-провідність, утворюєтьсяp-n- перехід.

Електронно-дірковий перехід може бути отриманий також дифузієюакцептор­ної домішки у донорний напівпровідник або донорної домішки в акцепторний напівпровідник. Глибина проникнення до­мішки і заляганняp-n- переходу визначається температурою і часом проведення дифузії. Власне переходом служить границя, що відділяє області з різними типами провідності.

Для створення p-n- переходу використовують такожметод іонного легування, при якому поверхневий шар напівпровідника даного типу провідності за допомогою іонного пучка легують домішкою, що надає цьому шару провідність протилежного знака.

Розглянемо фізичні процеси, що відбуваються в p-n- переході (рис. 369). Будемо вважати, що концентрація доноріві концентрація акцепторіводнакові. Дляn – області основними носіями є електрони і при не дуже низьких температурах концентрація електронів вn- області практично дорівнює концентрації донорних атомів –. Вp- області основні носії – дірки, і концентрація дірок в цій області дорівнює концентрації акцепторних атомів -.

Крім основних носіїв, ці області містять неосновні носії: n- область – дірки,p- область – електрони. Розрахунок показує, що концентраціяу разів більша за вn- області, а концентраціяв разів більша за концентрацію електронівp- області.

На рис. 370показана енергетична схемаp i n-областей у момент, коли їх подумки склали.

Відмінність у концентрації одно­типних носіїв в контактуючих областях напівпровідника приводить до виникнення дифузійних потоків електронів зn- області вp- областьі дифузійного потоку дірок ізp- області вn- область.

Область n, із якої дифундували електрони, заряджається позитивно, аp- область, із якої дифундували дірки – негативно. Це приводить до того, що рівень Фермі знижується, а рівень Ферміпідвищується. Перетікання електронів справа наліво і дірок зліва направо від­бувається доти, доки рівень Фермівn- області не встановиться на однаковій висоті з рівнем Фермі вp- області (рис. 371). При розміщенні цих рівнів на однаковій висоті міжn- іp- областями встановлюється рівновага, при якій потік електронів ізn- області вp- областьзрівноважується потоком електро­нів ізp- області вn- область, а потік дірок ізp- області вn- областьзрівноважується потоком дірок ізn- області вp- область:

; .

Позначимо густини струмів, що відповідають потоку через; потоку–; потоку–; потоку–. В рівноважному стані черезp-nпроходять потоки основних носіїв. Причому

, .

Додаючи ліві і праві сторони цих рівностей, отримуємо

.

Густина повного струму через рівноважний p-n- перехід

.

Розрахунки показують, що для рівноважного стану p-n-переходу:

, ,

де і– дифузійна довжина електронів вn- області і дірок вp- області відпо­відно,і– середній час їх життя.

У n-області напівпровідника внас­лідок переходу електронів поблизу границі залишається нескомпенсований позитивний об’ємний заряд нерухомих іонізованих донорних атомів. Уp-області напівпровідника, внаслідок переходу дірок, поблизу границі утворюється від'ємний об'ємний заряд нерухомих іонізованих акцепторів. Ці об’ємні заряди утворюють біля границі подвійний електричний шар, який характеризується контактною різницею потен­ціалів, що не дозволяє подальший перехід електронів у напрямкуі дірок у напрямку. Контактна різниця потенціалів міжnіpобластями дорівнює різ­ниці робіт виходуі, яка поділена на елементарний заряд:

.

Якщо концентрація донорів і акцепторів у nіp- областях однакова, то товщини шаріві, в яких локалізуються рухомі заряди, рівні.

В області p-n- переходу енергетичні зони деформуються, внаслідок чого виникають потенціальні бар’єри як для елек­тронів, так і для дірок. Висота потенціального бар’єра, тим більша, чим більше відношення концентрації основних носіїв до концентрації цих носіїв в інший області напівпровідника.

Енергетичні рівні акцепторного напівпровідника підняті відносно рівнів донорного напівпровідника на висоту, яка дорівнює , і підйом відбувається на товщині подвійного шаруd. Товщина подвійного шару тим більша, чим менша концентрація основних носіїв вnіp-об­ластях напівпровідника.

Товщина dшаруp-n- переходу в на­півпровідниках становить. При,іT=300 K контактна різниця потенціалів.

Опір запірного шару можна змінити за допомогою зовнішнього електричного поля.

Прикладемо доp-n-переходу, що знаходиться в рівновазі, зовнішнє елек­тричне поле, яке напрямлене протилежно до поля контактного шару, підключивши доp- області позитивний полюс джерела напруги, а доn- області – негативний (рис. 372). Це поле, напрямок якого називаєтьсяпрямим, викликає пониження потенціального бар’єра для основних носіїв до

,

де – зовнішня різниця потенціалів. Тому потік електронів ізn- області вp- область і потік дірок ізpуn- область збільшаться вразів, що приведе до збільшення вразів густини струмів основних носіїві:

, .

Густини ж неосновних носіїв струму ізалишаються незмінними. Густина повного струму

,

де - густина струму насичення.

Цей струм називається прямим.

Прикладемо доp-n-переходу зовнішнє електричне поле, яке напрямлене відn- провідника до p-провідника, тобто поле, яке співпадає з полем контактного шару (рис. 373). Плюсовий полюс джерела струму підключений доn- області, а мінус – доp- області. Під дією різниці потенціалівзовнішнього поля, напрямок якого називаєтьсязворотнім, розширюється запірний шар і потенціальний бар’єрр-п-переходу підвищується, що викличе зменшення вразів потоку основних носіївіі густини струміві, що відповідають цим потокам. У результаті

, .

Зміна висоти бар’єра не змінить потоків електронів і дірок.

Густина повного струму через р-п-перехід дорівнює:

.

Цей струм називається зворотним.Об’єднуючи виразиі, отримуємо

.

Це співвідношення є рівнянням вольт-амперної характеристики р-п- переходу.

При збільшенні зовнішньої різниці потенціалів , а густина струмупрямує до граничного значення

,

абсолютну величину якого

називають густиною струму насичення. Як видно,визначається потоком черезр-п- перехід неосновних носіїв. Оскільки концентрація цих носіїв невисока, тоє незначною величиною. Для германієвих-- переходів вона становить порядку. При прикладанні дор-п-переходу зовнішньої різниці потенціалів у прямому напрямку сила струму через перехід зростає за експоненціальним законом і вже при незначних напругах досягає великих значень.

При густина зворот­ного струму, а при. Відношення.

Отже, p-n-перехід практично має односторонню провідність. Вольт-амперна характеристикаp-n-переходу має вигляд, зображений на рис. 374.