Глава 3 электрические переходы в полупроводниковых приборах

3.1. Электрические переходы

Электрическим переходом называют переходный слой между областями твердого тела с различными типами электропроводности (n-полупроводник, р-полупроводник, металл, диэлектрик) или обла­стей с одинаковым типом электропроводности, но с различными значениями удельной проводимости. Чаще всего используется электрический переход между полупроводниками n- и р-типа, назы­ваемый эпектронно-дырочным переходом или р-n-переходом. Пе­реходами с одинаковым типом электропроводности являются элект­ронно-электронные () и дырочно-дырочные () переходы. Знак «+» отмечает область с большей концентрацией примеси: в первом случае доноров, во втором акцепторов. Широкое примене­ние получили переходы металл-полупроводник (МП).

Электрические переходы могут создаваться как на основе полу­проводников с одинаковой шириной запрещенной зоны, т.е. одина­ковых материалов (гомопереходы), так и с различными значениями ширины (гетеропереходы). Заметим, что предельным случаем гетероперехода является контакт металл-полупроводник (у металла нет запрещенной зоны).

3.2. Электронно-дырочный переход в равновесном состоянии

3.2.1. Структураp-n-перехода

Структурой любого полупроводникового прибора принято назы­вать последовательность расположения областей с различными электрофизическими свойствами. Как правило, она отражается в на­звании (обозначении) типа перехода. Структура р-n-перехода показана на рис. 3.1,а. Практически пере­ход получается односторонней диф­фузией акцепторов в полупроводник n-типа с равномерным распределени­ем доноров (рис. 3.1,б), в результате чего концентрация акцепторов убывает от сечения =0, где про­изводилась диффузия. Плоскость с координатой, где , называетсяметаллургической границей, на ней эффективная кон­центрация примеси (рис. 3.1,в). Припреобла­дает влияние акцепторов, при– влияние доноров. Полупро­водники с двумя типами примеси называюткомпенсированными.

Для удобства рассмотрения вместо эффективной концентра­ции акцепторного типа мы будем писать , а вместо эффектив­ной концентрации донорного типа – и говорить просто об акце­пторах и донорах.

Распределение концентраций примесей в простейшем случае показано на рис. 3.2. Технология получения реальных р-n-переходов в полупроводниковых приборах будет изучаться в разделе кур­са по микроэлектронике. Здесь же мы рассмотрим идеализирован­ный случай, чтобы не усложнять картину излишними подробностя­ми. Для этого будем считать, что р-n-переход создается как бы в результате механического контакта однородного р-полупроводника (не зависит от координаты) с однороднымn-полупроводником (не зависит от координаты), как показано на рис. 3.2. Из-за скачкообразного перехода откв сечении такой переход считается резким. Если >>(или>>), то переход считает­ся резким и несимметричным. При=переход считается рез­ким и симметричным.

3.2.2. Образование p-n-перехода

Рассмотрим процесс образования p-n-перехода при контакте p- и n-полупроводников.

1. В исходном состоянии (до контакта) p- и n-полупроводники бы­ли электрически нейтральными (см. § 2.1.3): заряд основных носите­лей в каждом полупроводнике компенсировался зарядом ионов при­меси и неосновных носителей.

2. Концентрация основных и неосновных носителей в р-полупроводникеи, а вn-полупроводнике и(см. формулы (2.19) и (2.21)). Поэтому при контакте появля­ется градиент концентрации дырок () и электронов ().

3. Градиент концентрации вызовет диффузионное движение ды­рок из приконтактного слоя р-полупроводника в n-полупроводник, а градиент концентрации электронов – диффузионное движение электронов из приконтактной области n-полупроводника в р-полу-проводник (рис. 3.3,а).

4. Уход основных носителей приводит к нарушению электричес­кой нейтральности в приконтактных областях вблизи плоскости : в р-полупроводнике окажется нескомпенсированный отрицательный заряд неподвижных акцепторных ионов (обозначены знаком «ми­нус» в квадратной рамке), а в n-полупроводнике – нескомпенсиро­ванный положительный заряд неподвижных донорных ионов (обоз­начены знаком «плюс» в квадратной рамке).

Кроме того, носители, перешедшие в другой полупроводник, должны рекомбинировать с основными носителями этого полу­проводника. Гибель основных носителей при рекомбинации также приведет к нарушению электрической нейтральности и увеличе­нию нескомпенсированных зарядов ионов слева и справа от плос­кости контакта.

Итак, вблизи плоскости контакта образуется двойной электриче­ский слой, а следовательно, появляется напряженность электричес­кого поля Е (рис. 3.3,б).

5. Появившееся электрическое поле является тормозящим (соз­дает потенциальный барьер) для диффундирующих через контакт основных носителей каждого полупроводника. Поэтому по мере рос­та поля, создающего потенциальный барьер, его смогут преодоле­вать только те основные носители, которые имеют достаточную энергию (больше высоты барьера).

Таким образом, будет происходить уменьшение диффузионных потоков основных носителей по сравнению с начальным.

6. Однако появившееся электрическое поле Е является ускоря­ющим для неосновных носителей каждого полупроводника (отсутст­вие барьера). Под действием ускоряющего поля должны появиться дрейфовые потоки неосновных носителей: электронов из р-области в n-область и дырок из n-области в р-область (на рис. 3.3,в показаны штриховыми линиями).

7. Начавшийся рост электрического поля в переходе, а следова­тельно, уменьшение диффузионных потоков и рост дрейфовых по­токов будут происходить до тех пор, пока при некотором значении напряженности поля не наступит равновесие: диффузионный по­ток дырок из р-области сравняется со встречным дрейфовым пото­ком дырок изn-области, а диффузионный поток электронов из n-об­ласти уравновесится встречным дрейфовым потоком электронов из р-области. Это равновесное значение на­пряженности электрического поля Ек соот­ветствует разности потенциалов кото­рую называютконтактной разностью потенциалов или диффузионным потен­циалом (рис. 3.3.г).

Образовавшаяся переходная об­ласть вблизи плоскости контакта, в которой нескомпенсирован­ные заряды ионов создают поле и которая из-за ухода и реком­бинации бедна подвижными носителями заряда, называетсяр-п-переходом или обедненным слоем.

На рис. 3.4 показано распределение концентраций подвижных основных и неосновных носителей в р-n-структуре. Знаками «–» и «+» в квадратных рамках показано нахождение в переходе ионов ак­цепторов и доноров, а индексом «0» указывается равновесное зна­чение концентрации.

Полупроводники до образования контакта были электрически нейтральными, поэтому вся структура после контакта должна оста­ваться нейтральной. Так как области вне обедненного слоя оста­лись нейтральными, то обедненный слой в целом должен быть элек­трически нейтральным. А это возможно, если отрицательный заряд ионов акцепторов в слое по величине равен положительному за­ряду ионов доноров в слое:

(3.1)

Обозначим (см. рис. 3.4) толщину обедненного слоя , а его части в р- иn-полупроводнике ,. Тогда при площади сеченияS

(3.2)

При этом считаем, что все атомы примесей ионизированы. Из (3.1) и (3.2) следует

(3.3)

Таким образом, протяженность частей обедненного слоя обратно пропорциональна концентрации примесей. Это естественно, так как при меньшей концентрации примеси (например, ) требуется боль­шой объем (), чтобы «набрать» тот же заряд, необходимый для сохранения условия электронейтральности (3.1). Если переход рез­кий и несимметричный (>>), то из (3.3): обедненный слой располагается в основном в полупроводнике с меньшей концентра­цией примеси, обычно называемойбазовой областью (на рис. 3.4 базовой является n-область).