49. Что означает термин: примесные полупроводники? Приведите и охарактеризуйте основные электрофизические параметры, характеризующие примесный полупроводник.

В квантовой физике доказывается, что различного рода дефекты кристаллической решетки, а также появление в узлах «нестандартного» атома примеси приводит к существенному изменению энергетического спектра системы микрочастиц в кристалле. На энергетической диаграмме это проявляется в появлении новых уровней энергий, расположенных в запрещенной зоне. Эти уровни являются следствием существенного изменения свойств полупроводников и механизмов электропроводности.

Энергетические уровни донорной примеси расположены очень близко к «дну» зоны проводимости. Количество таких уровней очень велико, однако, как и ранее, в целях упрощения энергетической диаграммы на рисунке показаны лишь отдельные уровни, позволяющие мысленно представить физическую картину происходящих процессов. Типичное значение разницы энергий между наиболее высокорасположенным донорным уровнем и дном зоны проводимости W_D имеет порядок 10^-2 эВ.

В полупроводнике, легированном донорной примесью, который чаще называют примесным полупроводником n - типа, концентрация «свободных» электронов значительно больше концентрации дырок Электронов больше и их называют основными носителями заряда, дырки – неосновными.

В полупроводнике, легированном акцепторной примесью, который чаще называют примесным полупроводником р - типа, наоборот, концентрация «свободных» дырок значительно больше концентрации электронов Дырок больше и их называют основными носителями заряда, электроны – неосновными.

50. Что такое структуры полупроводниковой электроники? Поясните какие физические процессы и параметры характеризуют электронно-дырочную структуру (идеальный диод) в состоянии термодинамического равновесия и при отсутствии напряжения.

Структура полупроводникового изделия – система граничащих и находящихся в контакте твердых тел, различающихся по типу электропроводности, по количеству введенной примеси или по величине объемного удельного электрического сопротивления, обеспечивающая выполнение изделием его функции.

Математическая модель электронно-дырочной структуры (идеальный диода) строится на основе следствий, вытекающих из предположений о термодинамического равновесия.

Поскольку внутри обедненного слоя есть внутреннее электрическое поле Е, то можно говорить о том, что между границами обедненных областей имеет место контактная разность потенциалов.

Для любой поверхности, расположенной в области объемного заряда, суммарные токи электронов и дырок равны, поэтому на основании можем записать

Так как Е есть производная от разности потенциалов с другим знаком, то, решая дифференциальное уравнение ,можно получить выражение, определяющее контактную разность потенциалов на р – n переходе

Контактная разность потенциалов есть произведение теплового потенциала на натуральный логарифм произведения концентраций основных и неосновных носителей заряда, деленного на квадрат собственной концентрации. Для кремния Помножив величину на величину заряда q получаем величину потенциального барьера, образовывающегося на энергетической диаграмме р – n структуры

где N_E (N_V) – эффективная плотность состояний в зоне проводимости (в валентной зоне), значение которых примерно равны 2^х10^-19 1/см^-3; k =1,38 10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана; – ширина запрещенной зоны.

Можно численными расчетами показать, что величина потенциального барьера зависит, главным образом, от величины запрещенной зоны полупроводника

Решая дифференциальное уравнение Пуассона для р – n структуры, можно найти полную ширину обедненного слоя

Обедненный слой несимметричного перехода, как отмечалось уже, расширяется в сторону меньшей концентрации и при резко несимметричном переходе практически полностью лежит в слабо легированной области полупроводника.

51. Поясните особенности функционирования идеального диода при приложении к нему внешнего прямого напряжения. Нарисуйте и охарактеризуйте вольт - амперную характеристику идеального диода при прямом включении. Диффузная и барьерная емкости электронно-дырочной структуры.

При приложении к электронно-дырочной структуре внешнего постоянного напряжения возможны два способа его подачи на р – n переход.

1. Прямым включением идеального диода называется такое его включение при котором к р полупроводнику приложен положительный потенциал источника, а n полупроводнику – отрицательный.

2. Обратным включением идеального диода называется такое его включение при котором к n полупроводнику приложен положительный потенциал источника, а р полупроводнику – отрицательный.

Рис. Вольт-амперная характеристика идеального диода при прямом (слева) и обратном (справа) включениях

Анализируя ВАХ, следует отметить следующее.

ВАХ диода при прямом включении существенно нелинейна. Она имеет сходство с хоккейной клюшкой. Зависимость между током и напряжением носит «пороговый» характер: при малых напряжениях ток близок к нулю, а затем, достигая некого «порога» напряжения U^ж, начинает резко расти.

График ВАХ содержит два участка. Первый участок – начальный

(0 < U < U^ж) – характеризуется током малой величины и медленным его нарастанием с ростом напряжения. Для кремния это диапазон напряжений (0 – 0,6) В, для германия (0 – 0,3) В. На втором участке (а,b) происходит резкое возрастание тока при незначительном (U ~ U^ж) изменении напряжения (в пределах десятых долей вольта). При этом изменению тока на порядок (в 10 раз) соответствуют изменения напряжения на 2,3 φ_Т (< 60 мВ).

Если при изменении напряжения меняется заряд, то это равносильно появлению электрической емкости. При прямом включении возникает инжекция и, затем, «впрыснутый» заряд перемещается за счет диффузии. В основе этого – напряжение. Меняя напряжение, можно менять заряд и, следовательно, электронно-дырочную структуру можно характеризовать емкостными свойствами, связанными с диффузией

где - время жизни избыточных носителей заряда.

Величину называют диффузионной емкостью.

При обратном включении электронно-дырочная структура обладает емкостными свойствами и ведет себя подобно электрическому конденсатору. Емкость такого конденсатора называется барьерной емкостью электронно-дырочной структуры

52. Охарактеризуйте особенности функционирования идеального диода при приложении к нему внешнего обратного напряжения. Нарисуйте и охарактеризуйте вольт - амперную характеристику идеального диода при обратном включении. Диффузная и барьерная емкости электронно-дырочной структуры.

При обратном включении идеального диода в нем будут происходить следующие процессы

А. В результате суперпозиции исходного внутреннего Е_ИСХ и внешнего Е_ВНЕШ электрических полей результирующая напряженность электрического поля внутри обедненного слоя увеличится.

Это приводит к тому, что, имевшее место в состоянии равновесия, равенство (1.18) токов нарушается. Диффузионный ток становится меньше дрейфового.

Б. Из-за того, что в обедненном слое преобладает дрейфовое движение носителей заряда, происходит постоянное «вытягивание» результирующим электрическим полем неосновных носителей из р и n областей, граничащих с обедненным слоем . Как говорят, на границах обедненного слоя имеет место экстракция неосновных носителей заряда. «Вытянутые» неосновные носители электрическим полем «перебрасываются» через обедненный слой в противоположную соседнюю область, где они становятся основными. Важно, что концентрация неосновных носителей вблизи границ обедненной области уменьшается и становиться меньше, чем в пространстве вблизи контактов.

В. Так как вблизи границы обедненного слоя концентрация неосновных носителей меньше равновесной, а в местах подключения выводов источников концентрация их будет почти равновесной (т. е. больше), то можно утверждать, что имеет место пространственная разность концентраций и возникнет диффузия: неосновные носители от приконтактных областей начнут двигаться к границам обедненного слоя. При этом по мере их движения вглубь р и n областей от выводов они также рекомбинируют.

Г. Чтобы прилегающие к обедненному слою, р и n полупроводники по-прежнему оставались электронейтральными, вступает в действие механизм компенсации заряда, обеспечивающий протекание тока через внешние выводы.

Рис. Вольт-амперная характеристика идеального диода при прямом (слева) и обратном (справа) включениях.

Следует отметить, что ВАХ диода при обратном включении также нелинейна и содержит два участка. Первый участок – начальный – характеризуется ростом тока. На втором участке (c,d) ток не меняется.

Если опять же вспомнить классификацию компонентов электрической цепи, то диод на втором участке напоминает источник тока, приближающийся по свойствам к идеальному (к источнику тока I₀ с большим внутренним дифференциальным сопротивлением R)

При обратном включении электронно-дырочная структура обладает емкостными свойствами и ведет себя подобно электрическому конденсатору. Емкость такого конденсатора называется барьерной емкостью электронно-дырочной структуры

53. Охарактеризуйте особенности функционирования структуры металл-полупроводник (идеального диода Шоттки) при приложении к ней внешнего напряжения. Нарисуйте и сравните вольт - амперные характеристики электронно-дырочной структуры и идеального диода Шоттки. Что такое омические (невыпрямляющие) контакты?

Если осуществить прямое включение диода Шоттки, то есть к металлу приложить положительный потенциал, а полупроводнику – отрицательный, то состояние термодинамического равенства токов будет нарушено.

У полупроводника, подключенного к отрицательному потенциалу источника все уровни, в том числе и уровень Ферми, будут смещаться вверх на величину qU, что приведет к понижению энергетического барьера для электронов, переходящих в металл. Плотность электронов, идущих из полупроводника в металл станет равной

Если осуществить обратное включение диода Шоттки, то есть к металлу приложить отрицательный потенциал, а полупроводнику – положительный, то состояние термодинамического равенства токов также будет нарушено.

У полупроводника, подключенного к положительному потенциалу источника все уровни, в том числе и уровень Ферми, будут смещаться вниз на величину -qU, что приведет к увеличению энергетического барьера для электронов, переходящих в металл. Плотность электронов, идущих из полупроводника в металл станет равной

.

Рис. 1.19. Вольт-амперные характеристики электронно-дырочной структуры и идеального диода Шоттки

Омические (невыпрямляющие) контакты. Контакты такого типа используются практически во всех полупроводниковых приборах для формирования внешних выводов от полупроводниковых областей. Для омического контакта характерна близкая к линейной зависимость тока от напряжения (как для резистивного элемента). Сопротивление протекающему току омического контакта должно быть малым.