Неравновесное состояние полупроводника

Неравновесное состояние полупроводника возникает под влиянием каких-либо внешних воздействий, в результате которых концентрация носителей заряда в полупроводнике может измениться. Такими внешними воздействиями могут быть облучение светом, ионизирующее облучение, воздействие сильного элект­рического поля, приводящее к разрыву ковалентных связей, и ряд других.

В ре­зультате подобных воздействий в полупроводнике помимо равновесных носите­лей заряда, образующихся вследствие ионизации примесных атомов и тепловой генерации, появляются дополнительные носители заряда, которые называют не­равновесными, или избыточными. В полупроводниковых приборах неравновес­ное состояние в большинстве случаев возникает при введении в полупроводник (или выведении из него) дополнительных носителей заряда через электронно-ды­рочный переход. Введение через электронно-дырочный переход дополнительных носителей заряда называют инжекцией, а выведение — экстракцией.

Тема 2. Электронно-дырочный переход.

1.Формирование р-п-перехода

Электронно-дырочным переходом, или р-п-переходом, называют переходный слой, возникающий при контакте двух полупроводников с различным типом элек­тропроводности.

Получить р-п-переход непосредственным соприкосновением двух полупроводников практически невозможно, так как на их поверхности со­держится огромное количество примесей, загрязнений и всевозможных дефектов, резко меняющих свойства полупроводника.

Для создания р-п-переходов исполь­зуют различные технологические приемы, изменяющие тип электропроводности той или иной области монокристалла:

1-й способ - путем диффузии в монокристалл р-типа донорных примесей можно получить в нем область п-типа (рис. 1.61, а), расположенную левее сечения х₀.

2-й способ - выращивание на поверхности кристалла монокристал­лического слоя, повторяющего кристаллографическую ориентацию кристалла, но имеющего противоположный тип электропроводности (рис. 1.61, б), такие слои называют эпитаксиальными.

Границу х₀, разделяющую п- и р-области монокрис­талла, называют металлургической границей. Если на границе раздела концент­рация примесей скачком изменяется от N_d к N_a, (например, при эпитаксиальном наращивании слоев), то такой переход называют резким. Если вблизи металлургической границы концентрация примеси изменяется плавно, что имеет место при диффузии примеси, то такой переход называют плавным.

Если п- и р-области каким-либо образом разделены, то их энергетические диаграм­мы имеют вид:

В этом случае уровни Ферми разнесе­ны на величину Е_по = E_Fn - Е_Fр.

Уровень Ферми – энергетический уровень, который при абсолютном нуле температур разделяет полностью заполненные квантовые состояния от полностью незаполненных.

2.Р-п-переход при отсутствии внешнего напряжения.

При осуществлении металлургического контакта между п- и р-областями (рис. 1.62,6) вследствие различия концентраций однотип­ных носителей заряда возникают диффузионные потоки электронов из п-области в р-область и дырок из р-области в п-область.

При этом п-область заряжается по­ложительно, а р-область отрицательно, что приводит к понижению всех энергети­ческих уровней, в том числе и уровня Ферми в п-области, и повышению их в р-области.

Диффузия электронов слева направо и дырок справа налево происходит до тех пор, пока постепенно поднимающийся уровень Ферми в р-области не устано­вится на одной высоте с постепенно опускающимся уровнем Ферми в п-области.

В результате энергетическая диаграмма примет вид, показанный на рис. 1.62, в, при этом на границе раздела образуется энергетический барьер, высота которого рав­на разности уровней Ферми в неконтактируемом состоянии полупроводников:

Следствием диффузионного перемещения электронов и дырок является уменьшение их концентрации вблизи границы раздела х₀ (рис. 1.62, г), в результате чего между сечениями х„ и х_р образуется обедненный подвижными носителями заряда слой, в котором расположены положительные заряды доноров и отрицательные заряды ак­цепторов (рис. 1.62, д).

Электроны (и дырки), находясь в хаотическом движении, способны перемещать­ся через электронно-дырочный переход из одной области полупроводникового кристалла в другую, создавая потоки носителей заряда, обозначенные на рис. 1.62 цифрами от 1 до 4.

Потоки 1 и 3 называют потоками основных носителей заряда (ПОН), потоки 2 и 4 — потоками неосновных носителей заряда (ПНН).

Для ПОН поле в переходе является тормозящим. Поэтому переходить из п-области в р-об­ласть могут только те электроны, энергия которых выше , и, соответственно, переходить из р-области в п-область могут только те дырки, энергия которых ниже уровня .

Для ПНН поле в переходе является ускоряющим, поэтому все неоснов­ные носители заряда способны перемещаться из одной области в другую. При отсутствии на переходе внешнего напряжения ПОН и ПНН уравновешивают друг друга, поэтому ток через переход равен нулю.

Высота барьера равна контактной разности потенциалов и обычно состав­ляет десятые доли вольта. Чем больше концентрация примесей, тем выше кон­центрация основных носителей и тем большее число их диффундирует через границу. Плотность объемных зарядов возрастает, и увеличивается контактная разность потенциалов, т. е. высота потенциального барьера. При этом тол­щина п - р-перехода уменьшается, так как соответствующие объемные заряды образуются в приграничных слоях мень­шей толщины.

Одновременно с диффузионным пере­мещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием электри­ческого поля контактной разности по­тенциалов. Это поле перемещает дырки из п-области обратно в р-область и электроны из р-области обратно в п-область.

При постоянной темпе­ратуре п - р-переход находится в состоя­нии динамического равновесия. Каждую секунду через границу в противополож­ных направлениях диффундирует опре­деленное число электронов и дырок, а под действием поля столько же их дрейфует в обратном направлении.

3.Р-п-переход при прямом напряжении.

Пусть источник внешнего напряже­ния подключен положительным полюсом к полупроводнику р-типа (рис. 2.2, а). Такое напряжение, у которого поляр­ность совпадает с полярностью основ­ных носителей, называется прямым. Дей­ствие прямого напряжения , вызы­вающее прямой ток через переход, поясняется потенциальной диаграммой на рис. 2.2, б.

Электрическое поле, создаваемое в р-п-переходе прямым напряжением, действует навстречу полю контактной разности потенциалов. Это показано на рисунке векторами . Результи­рующее поле становится слабее, и разность потенциалов в переходе умень­шается, т. е. высота потенциального барьера понижается, возрастает диф­фузионный ток, так как большее число носителей может преодолеть понижен­ный барьер. Ток дрейфа при этом почти не изменяется, так как он зависит глав­ным образом от числа неосновных носителей, попадающих за счет своих тепловых скоростей на р-п-переход из п- и р-областей. Если пренебречь паде­нием напряжения на сопротивлении областей п и р, то напряжение на переходе можно считать равным . Для сравнения на рис. 2.2,б штриховой линией повторена потенциальная диа­грамма при отсутствии внешнего напря­жения. Как известно, в этом случае токи равны и компенсируют друг друга.

При прямом напряжении ,и поэтому полный ток через переход, т. е. прямой ток, уже не равен нулю:

Введение носителей заряда через по­ниженный под действием прямого напря­жения потенциальный барьер в область, где эти носители являются неосновными, называется инжекцией носителей заряда. Слово «инжекция» означает «введение, впрыскивание». Область полу­проводникового прибора, из которой ин­жектируются носители, называется эмиттерной областью или эмиттером. А область, в которую инжектируются не­основные для этой области носители заряда, называется базовой областью или базой. Таким образом, если рас­сматривать инжекцию электронов, то п-область является эмиттером, а р-область — базой. Для инжекции дырок, наоборот, эмиттером служит р-область, а базой — п-область.

Обычно концентрация примесей, а следовательно, и основных носителей в п- и р-областях весьма различна. Поэтому инжекция электронов из об­ласти с более высокой концентрацией основных носителей преобладает. Соот­ветственно этому области и называют «эмиттер» и «база».

При прямом напряжении не только понижается потенциальный барьер, но также уменьшается толщина запирающе­го слоя (d_np < d) и его сопротивление в прямом направлении становится ма­лым (единицы — десятки Ом).

Поскольку высота барьера при отсутствии внешнего напряжения состав­ляет несколько десятых долей вольта, то для значительного понижения барьера и существенного уменьшения сопротив­ления запирающего слоя достаточно под­вести к р-п-переходу такое же прямое напряжение (десятые доли вольта). По­этому большой прямой ток можно полу­чить при очень небольшом прямом напряжении.

Очевидно, что при некотором прямом напряжении можно вообще уничтожить потенциальный барьер в р-п-переходе. Тогда сопротивление перехода, т. е. за­пирающего слоя, станет близким к нулю и им можно будет пренебречь. Прямой ток в этом случае возрастет и будет зависеть только от сопротивления п- и р-области.

Рассмотрим еще характер прямого тока в разных частях цепи (рис. 2.2, а). Электроны из п-области движутся через переход в р-область, а навстречу им из р-области в п-область перемещаются дырки, т. е. через переход протекают два тока: электронный и дырочный. Во внешних проводниках, конечно, движутся только электроны. Они перемещаются в направлении от минуса источника к п-области и компенсируют убыль электро­нов, диффундирующих через переход в р-область. А из р-области электроны уходят по направлению к плюсу источни­ка, и тогда в этой области образуют­ся новые дырки. Такой процесс происхо­дит непрерывно, и, следовательно, не­прерывно протекает прямой ток.

У левого края области электрон­ный ток имеет наибольшее значение. По мере приближения к переходу этот ток уменьшается, так как все большее число электронов рекомбинирует с дыр­ками, движущимися через переход на­встречу электронам, а дырочный ток , наоборот, увеличивается. Полный прямой ток в любом сечении, ко­нечно, один и тот же:

Это следует из основного закона последовательной электрической цепи: во всех частях такой цепи ток всегда одинаков.

Так как толщина перехода очень мала и он обеднен носителями, то в нем рекомбинирует мало носителей и ток здесь не изменяется. А далее электро­ны, инжектированные в р-область, рекомбинируют с дырками. Поэтому по мере удаления от перехода вправо в р-области ток продолжает уменьшать­ся, а ток увеличивается. У правого края р-области ток наименьший, а ток наибольший.

На рисунке 2.3 показано изменение этих токов вдоль оси х для случая, когда ток преобла­дает над током , вследствие того что и подвижность электронов боль­ше подвижности дырок. Конечно, при прямом напряжении кроме диффузион­ного тока есть еще ток дрейфа, вызван­ный движением неосновных носителей. Но если он очень мал, то его можно не принимать во внимание.

4.Р-п-переход при обратном напряжении.

Пусть источник внешнего напряже­ния подключен положительным полюсом к области п, а отрицательным - к об­ласти р (рис. 2.4, а).

Под действием такого обратного напряжения через переход протекает очень небольшой обратный ток , что объясняется следующим образом.

Поле, создаваемое обратным напряжением, складывается с полем контактной разности потенциалов. На рис. 2.4, а это показывают одина­ковые направления векторов . Результирующее поле усиливается, и высота потенциального барьера теперь равна (рис. 2.4, б).

Уже при небольшом повышении барьера диффу­зионное перемещение основных носителей через переход прекращается, т. е. , так как собственные скорости носителей недостаточны для преодоле­ния барьера. А ток проводимости остается почти неизменным, поскольку он определяется главным образом числом неосновных носителей, попадаю­щих на п - р-переход из п- и р-об-ластей. Выведение неосновных носителей через п - р-переход ускоряющим электри­ческим полем, созданным обратным напряжением, называют экстракцией но­сителей заряда (слово «экстракция» озна­чает «выдергивание, извлечение»).

Таким образом, обратный ток представляет собой ток проводимости, вызванный перемещением неосновных носителей. Обратный ток получается очень небольшим, так как неосновных носителей мало и, кроме того, сопро­тивление запирающего слоя при обрат­ном напряжении очень велико. Действи­тельно, при повышении обратного на­пряжения поле в месте перехода стано­вится сильнее и под действием этого поля больше основных носителей «вы­талкивается» из пограничных слоев вглубь п- и р-областей. Поэтому с уве­личением обратного напряжения уве­личивается не только высота потен­циального барьера, но и толщина запирающего слоя (d_o6p > d). Этот слой еще сильнее обедняется носителями, к его сопротивление значительно воз­растает, т. е. .

Уже при сравнительно небольшом обратном напряжении обратный ток становится практически постоянным. Это объясняется тем, что число неосновных носителей ограничено. С повышением температуры концентрация их возрастает, и обратный ток увеличивается, а обрат­ное сопротивление уменьшается.