Глава 7. Полупроводниковые элементы.

7.1.Электрические переходы.

Электрическим переходом называется переходной слой между областями твердого тела с различными типами электропроводности или разными значениями удельной проводимости. Электрические переходы используются практически во всех полупроводниковых приборах и являются их важнейшими структурными элементами. Физические процессы в переходах лежат в основе принципа действия большинства полупроводниковых приборов.

Переход между областями полупроводника с электропроводностью - и типа называют электронно-дырочными или p-n переходами. Чаще всего эти области создают в монокристалле полупроводника, используя различные технологические методы легирования, т.е. контролируемого введения примесей. Параметры и характеристики переходов определяются распределением концентраций примесей и геометрией областей.

Поверхность, разделяющая области с дырочной и электронной проводимостью, называется металлургической границей перехода. Если она плоская, то и p-n-переход называется плоским. В реальных переходах имеются неплоские краевые эффекты, однако, если они слабо влияют на электрические параметры, то p-n-переход считают приближенно плоским и движение носителей заряда, изменение электрического поля и потенциала рассматриваются только вдоль одной координаты х, перпендикулярной металлургической границе.

Переходы между областями с различной концентрацией примесей одного типа называют электронно-электронными (n⁺-n) или дырочно-дырочными (p⁺-p). При этом сильнолегированную область с высокой концентрацией примесей (различие более, чем на порядок) отмечают значком «+» при букве, обозначающей проводимость.

Переходы между различными полупроводниками, отличающимися шириной запрещенной зоны, называют гетеропереходами. Полупроводники должны иметь близкие кристаллические структуры. Гетеропереходы могут быть типов p-n, n⁺-n и p⁺-p . Гетеропереходы широко применяются в излучающих и фотоэлектрических приборах (светодиоды, фотодиоды и др.). Свойство односторонней инжекции в p-n-гетеропереходах с сильнолегированной базой может быть использовано в биполярных транзисторах. Гетеропереходы между полупроводниками одного типа проводимости применяются для создания полевых сверхвысокочастотных транзисторов и сверхскоростных интегральных схем.

Распространенными являются электрические переходы металл-полупроводник. Они образуются, например, нанесением на тщательно очищенную поверхность полупроводника тонкой металлической пленки. В некоторых приборах используются переходы между металлом и диэлектриком, между диэлектриком и полупроводником.

7.2 Классификация p-n переходов.

Электронно-дырочные переходы классифицируют по резкости металлургической границы и по соотношению удельных сопротивлений слоев.

Ступенчатыми переходами называют переходы с идеальной границей, по одну сторону которой находятся акцепторы с постоянной концентрацией , а по другую – доноры с постоянной концентрацией . Такие переходы наиболее просты для анализа и поэтому все реальные переходы стараются, если это возможно, рассматривать как ступенчатые.

Плавными переходами называют такие, у которых в районе металлургической границы концентрация одного типа примеси постепенно уменьшается, а другого типа – растет. Сама металлургическая граница в этом случае соответствует равенству примесных концентраций , т.е. лежит в том месте, где полупроводник является компенсированным. Все реальные переходы – плавные, степень их приближения к ступенчатым переходам зависит от градиента эффективной концентрации в районе металлургической границы.

По соотношению концентраций примесей в и слоях переходы делят на симметричные, несимметричные и односторонние.

В симметричных переходах имеет место соотношение , где – концентрация дырок в слое; – концентрация электронов в -слое, т.е. концентрации основных носителей в обоих слоях почти одинаковы. Такие переходы используются сравнительно редко и не являются типичными. Гораздо большее распространение имеют несимметричные переходы, в которых выполняется неравенство или и концентрации различаются в несколько раз и более. Именно такие переходы будут анализироваться в дальнейшем, причем для определенности будет считаться, что слой более низкоомный, чем слой , т.е. . Полученные выводы легко использовать при обратном соотношении концентраций.

В случае резкой асимметрии, называют односторонними и обычно обозначают символами (или ).

7.3 Структура p-n перехода.

Концентрации примесей и свободных носителей в каждом из слоев перехода показаны на рис 7.1а.

– концентрация акцепторной примеси;

– концентрация донорной примеси;

– концентрация дырок в слое;

– концентрация электронов в слое;

– концентрация электронов в слое;

– концентрация дырок в слое.

Рис. 7.1

Поскольку здесь концентрация электронов в слое значительно больше, чем в слое , то часть электронов диффундирует из слоя в слой . При этом в слое вблизи границы окажутся избыточные электроны, которые будут рекомбинировать с дырками до тех пор, пока не будет выполнено условие равновесия . Соответственно в этой области уменьшится концентрация свободных дырок и "обнажатся" некомпенсированные отрицательные заряды акцепторных атомов. Слева от металлургической границы "обнажатся" некомпенсированные положительные заряды ионов доноров, поскольку часть электронов перешла отсюда в слой (рис 7.1б). Аналогичные рассуждения действительны для дырок слоя , которые частично диффундируют в слой . Однако в несимметричном переходе, в котором , диффузия дырок в слой малосущественна, поскольку разность концентраций значительно меньше разницы , а именно этими разностями определяются градиенты концентраций и диффузионные токи.

Область образовавшихся пространственных зарядов и есть область перехода. Часто эту область называют обедненным слоем, имея в виду резко пониженную концентрацию подвижных носителей в обеих ее частях.

В большинстве случаев p-n - переход можно идеализировать так, как показано на рис. 7.1в.

Рис.7.2

Переход в целом нейтрален, т.е. положительный заряд в левой части и отрицательный заряд в правой части одинаковы. При этом условии различие в концентрациях акцепторной и донорной примесей неизбежно связано с различием в протяженности обоих зарядов: в слое с меньшей концентрацией примеси (в нашем случае в слое), область объемного заряда должна быть шире. Следовательно, несимметричный переход в основном сосредоточен в высокоомном слое.

Пространственные заряды в переходе образуют электрическое поле, которое направлено так, что оно ограничивает диффузию носителей. В равновесном состоянии диффузионные потоки носителей, обусловленные градиентами концентраций, в любой точке равны дрейфовым потокам тех же носителей, обусловленных градиентом потенциала и направленных навстречу диффузионным потокам.

Рассмотрим переход с точки зрения зонной теории. В отсутствие контакта совокупность и –слоев характеризуется диаграммой на рис 7.2а.

При наличии контакта уровень Ферми должен быть единым, а это приводит к неизбежному искривлению зон, различию электростатических потенциалов и и образованию потенциального барьера (рис 7.2б). При этом основная масса электронов - слоя диффундирует слева направо в область перехода, но не может преодолеть потенциальный барьер и, проникнув в переход на некоторую глубину, "отражается" и возвращается в -слой (рис. 7.2в). Дырки -слоя независимо от энергии беспрепятственно "всплывают" в слой и образуют поток слева направо. Этот поток уравновешивается встречным потоком достаточно энергичных дырок слоя, способных преодолеть барьер. Аналогичная ситуация имеет место по отношению к электронам: электроны слоя свободно "скатываются" в слой. Этот поток уравновешивается потоком наиболее энергичных электронов слоя. Основная масса дырок этого слоя, "пытающаяся" диффундировать в слой, отражается потенциальным барьером (рис.7.2в). Глубина проникновения отражаемых носителей в переходе тем больше, чем выше их энергия.

В области перехода на рис. 7.2б показаны ионизированные атомы доноров слева и акцепторов справа. Как известно, уровни этих ионов расположены вдоль всего соответствующего слоя, но на рис.7.2б они показаны только в пределах перехода, чтобы подчеркнуть, что заряд ионов на этих участках не скомпенсирован. Действительно, расстояние между дном зоны проводимости и уровнем Ферми увеличивается вправо, а значит, на участке p-n перехода быстро убывает вероятность заполнения этой зоны электронами и концентрация электронов резко падает. Аналогично обстоит дело и по отношению к акцепторным ионам. Очевидно, что ионы, показанные на рис. 7.2б соответствуют ионам, образующим пространственный заряд на рис. 7.1.

Высота потенциального перехода в равновесном состоянии определяется как разность электростатических потенциалов в n-и p-слоях и равна

(7.1)

где - температурный потенциал ( K – постоянная Больцмана, q- заряд электрона).

Ширина обедненного слоя в n-и p-областях неодинакова, и односторонний переход практически целиком расположен в слое с меньшей концентрацией примеси. Для ширина p-n перехода для равновесного состояния определяется как

. (7.2)