4.11. Контакт между полупроводниками с одним типом электропроводности

Контакт между полупроводниками с одним типом электропроводности, но с разной концентрацией примесей обычно называют n⁺ – n или р⁺ – р переходом. Область с большей концентрацией примесей обозначают n⁺ или р⁺ , а область с меньшей концентрацией примесей – n или р.

Переходы n⁺ – n или р⁺ – р возникают при изготовлении омических контактов к полупроводникам. Омические контакты – это контакты, не обнаруживающие в определенных пределах изменения токов и напряжений отклонения от закона Ома.

Контактная разность потенциалов в этом случае может быть рассчитана по тем же формулам, что и для электронно-дырочного перехода:

, или .

Переходы n⁺ – n или р⁺ – р обладают несколькими особенностями:

1. При контакте полупроводников с одним типом проводимости отсутствует область с малой концентрацией основных носителей заряда. Из-за этого внешнее напряжение в таких переходах падает не на узкой области перехода, а на высокоомном материале, то есть в области с низкой концентрацией примесей. В низкоомной области перехода напряженность поля получается малой;

2 . Переходы n⁺ – n и р⁺ – р не обладают выпрямляющими свойствами, и ток через них как прямой, так и обратный определяется в основном сопротивлением высокоомной области;

3. При обеих полярностях напряжения через n⁺ – n или р⁺ – р переходы не происходит инжекции неосновных носителей заряда из низкоомной области в высокоомную. Действительно, если напряжение приложено, например, к р⁺ – р переходу так, что минус источника присоединен к высокоомной области р, то это аналогично прямому включению диода, причем из области р в область р⁺ вводятся дырки (основные носители). При противоположной полярности в область р будут переноситься электроны, но так как в области р⁺ концентрация электронов ничтожно мала, то инжекция их будет пренебрежимо малой.

Промежуточным случаем между р-п переходом и переходами n⁺ – n или р⁺ – р являются переходы n – i и p – i. Эти переходы образуются при контакте примесного и собственного полупроводников.

В переходе, например, p – i пространственный заряд создается как неподвижными атомами акцепторов в р-области, так и избыточными дырками в i- области, перешедшими в результате диффузии из р-области.

Толщина n – i и p – i, переходов значительно больше, а высота потенциального барьера ниже, чем у р – п перехода. Обычно материал базы большинства диодов имеет высокое сопротивление, поэтому структура перехода близка к n – i или p – i переходу.

4.12. Работа выхода

Свободные электроны в кристаллах хаотически движутся между узлами кристаллической решетки. Внутри кристалла действие положительных ионов на свободный электрон в среднем скомпенсировано. Если электрон в результате хаотического движения пересекает поверхность кристалла, то на него будет действовать сила притяжения со стороны положительных ионов, которая возвращает его обратно в кристалл. Это говорит о том, что потенциальная энергия внутри кристалла меньше, чем вне его.

Следовательно, на границе твердого тела существует энергетический барьер, препятствующий выходу электрона из кристалла. Его могут покинуть лишь электроны, имеющие энергию, достаточную для преодоления этого барьера. Чем выше температура, тем больше будет электронов, способных преодолеть этот барьер. Явление выхода из вещества электронов за счет тепловой энергии называется термоэлектронной эмиссией.

Обозначим W₀ – энергию электрона, вышедшего из полупроводника в вакуум и покоящегося относительно кристалла (рис. 4.21). Тогда для перевода электрона со дна зоны проводимости, где он имеет нулевую скорость, в вакуум без сообщения ему скорости потребуется энергия W, равная

.

Э нергия W, отделяющая край зоны проводимости от уровня вакуума, называется энергией электронного сродства. Иногда ее называют истинной или внешней работой выхода. Численно она равна работе, необходимой для перевода покоящегося в твердом теле электрона в вакуум, без сообщения ему кинетической энергии.

Величина называется термодинамической работой выхода электрона, которая определяется как работа, необходимая для переноса электрона с уровня Ферми на бесконечно большое расстояние в вакуум. Термодинамическая работа выхода определяется одинаково как для металла, так и для полупроводника, разница состоит только в том, что у металла электроны могут находиться на уровне Ферми, а в полупроводнике на уровне Ферми не может быть электронов.

Для собственного полупроводника термодинамическая работа выхода

,

то есть работа выхода электрона из собственного полупроводника зависит от ширины запрещенной зоны, температуры и соотношения эффективных масс электронов и дырок.

Для донорного полупроводника при слабой ионизации примесей имеем

.

При сильной ионизации

.

Если при сильной ионизации работа выхода определяется концентрацией примеси и температурой полупроводника, то при слабой ионизации она, кроме того, зависит еще и от глубины залегания уровня донорной примеси в запрещенной зоне.

Для акцепторного полупроводника, соответственно, при слабой и сильной ионизации примеси выражения для работы выхода приобретают следующий вид:

;

.

То есть работа выхода в акцепторном полупроводнике, кроме температуры, зависит еще от ширины запрещенной зоны.

Из сравнения вышеприведенных формул следует, что работа выхода из дырочного полупроводника больше, чем из электронного.