Глава 3. Электронно-дырочный переход

В полупроводниковых приборах, в том числе в микросхемах главную роль играют электрические переходы.

Электрическим переходом в полупроводниках называют границу между двумя областями с резко различными физическими свойствами (типом проводимости, величиной проводимости и др.) и прилегающими к этой границе тончайшими слоями полупроводника. Возможны несколько видов электрических переходов.

• Электронно-дырочные (или р-п переходы) – это переходы между двумя областями полупроводника с различными типами проводимости (р- и п- тип).

• Электронно-электронные (n⁺--п переходы) или дырочно-дырочные (p⁺--p переходы) – это переходы между двумя областями с одинаковым типом проводимости (р- или п- тип), но с сильно различающимися концентрациями примеси (основных носителей), следовательно – с разной величиной проводимости.

• Переходы металл-полупроводник. Это переходы, в которых одна из областей является металлом.

• Гетеропереходы – это переходы между двумя полупроводниками, имеющими различную ширину запрещенной зоны W.

Электрические переходы нельзя получить путем механического контакта двух областей с разными физическими свойствами из-за того, что поверхности кристаллов загрязнены оксидами и атомами других веществ. Препятствием является и воздушный зазор, который не удается полностью устранить при механическом контакте. Наиболее существенную роль в электронике играют электронно-дырочные переходы, меньшую – контакт металл-полупроводник. Они подробно будут рассмотрены далее.

3.1. Образование и свойства р-п перехода

Электронно-дырочным переходом (или р-п переходом) называ­ют границу между электронной и дырочной областями в кристалле полупроводника с прилегающими неравновесными слоями. Кристалли­ческая структура на границе электронной и дырочной областей не должна быть нарушенной. Это означает, что р-п переход нельзя получить механическим соединением пластинок р- и n-типа. Гра­ница раздела проводимостей р- и n-типа должна быть получена в едином кристалле (некоторые широко распространенные технологи­ческие способы получения р- и n-областей в одном кристалле бу­дут кратко рассмотрены в одном из последующих разделов). Элект­ронно-дырочные переходы составляют основу всех полупроводниковых приборов. Поэтому понимание физических основ образования р-п переходов и их свойств является необходимой предпосылкой успешно­го изучения и применения полупроводниковых приборов. Без р-п перехода немыслимы электронные приборы.

Ф изические процессы при образовании р-п перехода довольно сложны. Однако далеко не все они имеют решающее значение. Поэтому при рассмотрении учитывают только главные процессы. С учетом ря­да упрощений образование р-п перехода может быть объяснено сравнительно просто /2/. Пусть в едином кристалле германия полу­чена резкая граница d между областями р- и n-типа, как пока­зано на рис.3.1 (границу d называют металлургическим переходом). В области p дырки с концентрацией p_p являются основными, а электроны n_p - неосновными носителями. В n-области основными носителями являются электроны с концентрацией n_n, неосновными – дырки p_n . На границе d образовалась резкая разница в концент­рациях дырок p_p >> p_n и электронов n_n >> n_p , т.е. имеет место градиент концентрации свободных носителей.

Пример 3.1

Пусть Ng = Na =10¹⁶ см ^–3 (симметричный переход). Определить разность концентраций  n, p на границе перехода.

Примем n_i=p_i=10¹⁸ см ^–3.

1. согласно (1.3) p_p  Na =10¹⁶ см ^–3,

согласно (1.2) см^-3.

p= p_p p_n=10^18(10⁶1)=999999^ 10¹⁰ 10¹⁶ см ^–3.

2. согласно (1.1) n_n  Ng =10¹⁶ см ^–3,

согласно (1.4) см^-3.

n= n_n n_p=10^18(10⁶1)=999999^ 10¹⁰ 10¹⁶ см ^–3.

Разность концентраций  n и p огромна.

Дырки из приграничного слоя области p под воздействием градиента кон­центрации диффундируют в об­ласть n (для выравнивания концентрации по всему объе­му, необходимого при термо­динамическом равновесии). В результате диффузионного перехода дырок (имеющих по­ложительный заряд) из облас­ти p в область n нарушается электрическая нейтральность областей p и n. Слева, в приграничном слое области р остаются неском­пенсированные отрицательные заряды ионов акцептора, на­ходящиеся в узлах решетки и образующие неподвижный объем­ный отрицательный заряд. Справа от границы d, в приграничном слое области р пришедшие из области р дыр­ки рекомбинируют с электро­нами, оставляя нескомпенси­рованные положительные за­ряды ионов донора. Эти ионы находятся в узлах решетки и все вместе образуют неподвижный объем­ный положительный заряд.

Точно так же под воздействием градиента концентрации электро­ны диффузируют справа, из приграничного слоя области n, налево, в область p. Уходя из области n, электроны оставляют нескомпен­сированные положительные заряды ионов донора, а в области р при­шедшие электроны рекомбинируют с дырками и "обнажают" отрицатель­ные ионы акцептора, т.е. диффузия электронов тоже является причи­ной появления положительного объемного заряда в области n и от­рицательного в области р. Результирующие объемные заряды обусловлены совместно диффузией дырок и электронов. Не скомпенсированные (неподвижные) объемные заряды создают внутреннее электрическое поле E_i (градиент потенциала), направленное от области п в об­ласть р. Сила воздействия поля E_i на электрические заряды ды­рок и электронов противоположна силам диффузии и препятствует дальнейшей диффузии. Таким образом, выравнивание концентрации ды­рок и электронов по всему объему не происходит. Процесс заканчива­ется установлением динамического равновесия, при котором силы диф­фузии уравновешены встречными силами внутреннего электрического поля. При этом из приграничных слоев р- и n-областей ушли под­вижные носители (возник обедненный слой), а между областями р и n образовалась разность потенциалов ₀, называемая потенци­альным барьером. В новой системе (р-область, р-п переход, n-область) в следствие термодинамического равновесия устанавливается общий для всей системы уровень Ферми , на котором выравнивается уровни областей и (см. рис. 3.2). Узкая обедненная область (шириной h₀ ) с объем­ными зарядами и потенциальным барьером ₀, включающая в себя приграничные слои р- и п-областей, называется электронно-дыроч­ным переходом, или р-п переходом. Ширина р-n перехода изме­ряется микрометрами и долями микрометра /2/. В области р-п пе­рехода полупроводник неоднородный, а концентрация - неравновесная. Например, в n-области концентрация основных носителей – электронов изменяется от минимальной на границе a (равной n_i) до равновесной n_n на границе перехода с равновесной n-областью. В соответствии с (2.13) изменяться положение уровня Ферми на протяжении перехода от (на границе a) до (на границе перехода с равновесной n-областью). Так как уровень Ферми системы постоянен, то искривляются энергетические уровни (зоны) в п-области вверх на величину (рис. 3.2). Аналогично, в соответствии с (2.15) изменяется положение уровня Ферми в левой половине р-п перехода от (на границе a) до (на границе перехода с равновесной р-областью) и искривляются энергетические уровни (зоны) в р-области вниз на величину . В области p точно так же, как и в области n, за исключением при­граничного слоя, входящего в р-п переход, условия остались не­изменными: концентрация равновесная, полупроводник однородный.