В современных полупроводниковых приборах, помимо контактов с электронно-дырочным переходом, применяются также контакты между металлом и полупроводником. Процессы в таких переходах зависят от так называемой работы выхода электронов, т. е. от той энергии, которую должен затратить электрон, чтобы выйти из металла или полупроводника. Чем меньше работа выхода, тем больше электронов может выйти из данного тела. Рассмотрим процессы в различных металлополупроводниковых переходах.
Если в контакте металла с полупроводником n-типа работа выхода электронов из металла Амменьше, чем работа выхода из полупроводника Ап,то будет преобладать выход электронов из металла в полупроводник. Поэтому в слое полупроводника около границы накапливаются основные носители (электроны), и этот слой становится обогащенным, т. е. в нем увеличивается концентрация электронов. Сопротивление этого слоя будет малым при любой полярности приложенного напряжения, и, следовательно, такой переход не обладает выпрямляющими свойствами. Его называют невыпрямляющим (омическим) контактом. Подобный же невыпрямляющий переход получается в контакте металла с полупроводником р-типа (рис. 12б), если работа выхода электронов из полупроводника меньше, чем из металла (Ап < Ам).В этом случае из полупроводника в металл уходит больше электронов, чем в обратном направлении, и в приграничном слое полупроводника также образуется область, обогащенная основными носителями (дырками), имеющая малое сопротивление. Оба типа невыпрямляющих контактов широко используются в полупроводниковых приборах при устройстве выводов от п-и р-областей. Для этой цели подбираются соответствующие металлы. Иные свойства имеет переход, если в контакте металла с полупроводником п-типа Ап < Ам. В этом случае электроны будут переходить главным образом из полупроводника в металл и в приграничном слое полупроводника образуется область, обедненная основными носителями и поэтому имеющая большое сопротивление. Здесь создается сравнительно высокий потенциальный барьер, высота которого будет существенно изменяться в зависимости от полярности приложенного напряжения. Такой переход обладает выпрямляющими свойствами. Подоⰱ乿ᑟ蜿Уѿ䐽ѻӿхѿѽٯ蠹葲ᔨѫҲѿ⑷ബѷўؿսꑯ?౷ٿп䐽пᑿష蘿Ի䐼షп䐽♶кйй䜮ᑛѯеֽ٫ѹѬ▛䀾脳խ䕾Ѿ꒿쓽䝾кѼ钿оսӻ萾ћ ؿѾѢԵؽݾ葾ⰰѬ᰽䙫Ի(ัѹ䑠ѭ䘽ѡ,$豲ᒾз尽హоꐿѮջй┹hп䰿ఴпѽѾᐼ=ѹѻիѯٸ蒿ؾ脽пзᑿпసѿ⑶,ҽѿѢӼᔿѤ萾ిၸ듪пѲӺᐭнйဢᐷస핿ҵѿӣх∪ӽ՟пмဧнԿᱬзѵѿн♮ⰻе⑺ѿ఼ѶѾ䐼ѭؿ٫кᐸ¿䕵вмнѺѾҴйᑭв౺пᑻֺ⑸ؾѼ䐨᰽ᒿѿаڿᖿؽ쐼տѻзԹ်տӺఽم鐾ѽѿѶ䰼ѝл⑿кѿᑰᐾпѻ찶ѽзl蔿䒿ᔻٟᓩҾҾాѵ鲿സлⲿ蔰ѿ೮著ᑣٺᑅᓶ吳䛳ᑞ݃葤ؿաоѶ搵ѱٽѿФԽаѿిԻнಽغяҹؠӱⰶѣաѫѻ䐻ᑰѽлٟࡵط虵яӵ鐾ԺЭտؿҿѳпѿѻ薿ᑿ鑽мпосмѶзవᐻᰬ蔨ѧдѱж౺ѢѵӸܿѫе␠д䑿ѿíѿᐻҷ萻վ۳ؿн쐿ѿԽصѯչяؽ౯葽ȷᐷ౿命ׅ౾з䲾ؾĮuؿѿ⑂Ծ落ٗ䑠ѿᐹѾзѻԼЭ옿٫ҿйѰо⒵ѿչжѽѯыоᒿ౿ᑽ䑧ѿӇവ▿ӭѿѾҽһ鑷⑷۷ాѻဿѫо䙺ᑸҽ>ѿѫѹтѠ钿䒶ѿлѭівйᑿпԯн落ᐷ鐶ѵؿѸ䐲䘾ష䗟џнѯٷٺжлоѵѿнԷేиѺxҿᑲಿ⑳ѿв┺ппᔻԽпиеплпӔо葥ѽ䳷ы浛䐻к♿౿ܷ袣з蔷⑬䑿ҵѿѺ;⑷1пѺоѯᐷᱱտѻ葢⑸ꑿпᑫѾ蘻Կꐽѿۻѵſ֬౷Կй萵пشы葿瑽షꑿ౯ѻѿ⑿аѾӳշᐾнᒿݻо䐿Ѷ䰽葱пۿһᐹ峏ҽеᐢ呷տ౿Ѿُо⑻яۯթԹпЭ葡ⒻѾй豩ӷ쐷ص✸ѿѾి䐵ٲнԾпి౮пᗾѾాѽ䱾ػѿ䐻в呩ѭѨ䑿༾萿كп蕹ҿ౿ѿ落к䰾п6ѻಾܿ⑵ٲ豶ºⰿ٪萹䐴КѽѾ⓱лѿభӾ䑽Ჿпѿ┽⑿опѻѿ♶ിҷిҶнఽ鐺ಿٲᑫٷ谼монᑯЭ=гпбп萢ҿѻџվ䱵Կ萿౽ⰿְ䑟ѥѻೳᒸջ٪нѰѻ葽ѿоԿв聿ᒯ☶䐿蕯3ٻѿిпгిȭ్лҵයᓾ䑺ؾѷз㑩Ѻп蔿о葽ిэѸറ䘾䑮౻౺䘲س䖾ؿవ䩨շѿ᰼ⳣ౸ѼѾѳ♲౭ɣ഼谵پмٻмӢоⱺооĶⓧҿᑔеᕷ/վ萸హп◭Ⱑظгпլйпожп䐽ѽѫн䂶ᐿձ䓿Ѱжзսк蒿п䁮īЗԽѰ⑿☿ݝѪѷ䓾ѷѵԻݿѩۿоѾ䝗іѬ蹻Ѿоп┿葿ЩాѿѼᑷ䙽䑷谻ݽٞ鑿ӯ⓯쐿пᐯ搿٥ҾбпѲмرп䐽ؿмұٿѰԿٲѿоַᐽ萺!䔾плЯ䰺༽䐴о䑱о葯оѲီ耪ٽѿпѥᑏѾ䰵ѽ౽еп<ٳᐾᲿⱿж╷ׂ㱳Ѣ䘺౯౯ݭ葷ݵᐷᐾ蒽ᔱн☿пӾѫѨѾҾо摷o=ؿѿ蕿౹н౽ѾпѰоѦ谽虳䐿䑽ൽ萵лᒿуԼѵӿᱰ쐷ѼѿѾѵѲѾ蕯ᘿؿؾ샼ࠠ落䓽Ұ葿䑽旲йདм䳳Ѳ萿䑿ѹ䘾ۻкս⼹฿퐹ഽгҿряжения, то связь между током и напряжением выражается законом Ома:
i = u/R или i = Gu . (18)
Ток прямо пропорционален напряжению. Коэффициентом пропорциональности является проводимость G = 1/R.
График зависимости между током и напряжением называется вольт-амперной характеристикой данного прибора, или просто характеристикой. Для прибора, подчиняющегося закону Ома, характеристикой является прямая линия, проходящая через начало координат (рис. 12).
Чем больше сопротивление R, тем меньше проводимость G и тем меньше ток при данном напряжении. Поэтому для больших сопротивлений характеристика идет более полого. Сопротивление R связано с углом наклона характеристики зависимостью:
где k – коэффициент пропорциональности, учитывающий единицы величин, входящих в формулу, и масштаб, в котором значения величин отложены на осях.
Иначе можно написать:
, (20)
где
Приборы, принцип действия которых подчиняется закону Ома, а вольтамперная характеристика имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат, называются линейными.
Существуют также приборы, у которых сопротивление не постоянно, а зависит от напряжения или тока. Для таких приборов связь между током и напряжением выражается не законом Ома, а более сложным образом, и вольтамперная характеристика не является прямой линией, проходящей через начало координат. Эти приборы называются нелинейными.
Электронно-дырочный переход, по существу, представляет собой полупроводниковый диод. Нелинейные свойства диода видны при рассмотрении его вольтамперной характеристики. Пример такой характеристики для диода небольшой мощности дан на рис. 13. Она показывает, что прямой ток в десятки миллиампер получается при прямом напряжении в десятые доли вольта. Поэтому прямое сопротивление бывает обычно не выше нескольких десятков ом. Для более мощных диодов прямой ток составляет сотни миллиампер и больше при том же малом напряжении, a Rпрсоответственно снижается до единиц и долей ома.
Характеристику для обратного тока, малого по сравнению с прямым током, обычно показывают в другом масштабе, что и сделано на рис. 13. Обратный ток при обратном напряжении до сотен вольт у диодов небольшой мощности составляет единицы или десятки микроампер. Это соответствует сопротивлению несколько сотен килоом и больше. Так как иобр>> uпр , то эти напряжения также отложены в разных масштабах. Вследствие различия в масштабах получился излом кривой в начале координат. При неизменном масштабе характеристика была бы плавной кривой, без излома.
Характеристика для прямого тока вначале имеет значительную нелинейность, так как при увеличении uпр сопротивление запирающего слоя уменьшается. Поэтому кривая идет со все большей крутизной. Но при напряжении в десятые доли вольта запирающий слой практически исчезает и остается только сопротивление п-и р-областей, которое приближенно можно считать постоянным. Поэтому далее характеристика становится почти линейной. Небольшая нелинейность здесь объясняется тем, что при увеличении тока п-и р-области нагреваются и от этого их сопротивление уменьшается.
Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро возрастает. Это вызвано тем, что уже при небольшом обратном напряжении за счет повышения потенциального барьера в переходе резко снижается диффузионный ток, который направлен навстречу току проводимости. Следовательно, полный ток iобр = iдр – iдифрезко увеличивается. Однако при дальнейшем повышении обратного напряжения ток растет незначительно. Рост тока происходит вследствие нагрева перехода за счет утечки по поверхности, а также за счет лавинного размножения носителей заряда, т. е. увеличения числа носителей заряда в результате ударной ионизации. Явление ударной ионизации состоит в том, что при более высоком обратном напряжении электроны приобретают большую скорость и, ударяя в атомы кристаллической решетки, выбивают из них новые электроны, которые, в свою очередь, разгоняются полем и также выбивают из атомов электроны. Такой процесс усиливается с повышением напряжения.
При некотором значении обратного напряжения возникает пробой п– р-перехода, при котором обратный ток резко возрастает и сопротивление запирающего слоя резко уменьшается. Следует различать электрический и тепловой пробой п – р-перехода. Электрический пробой, области которого соответствует на рис. 13 участок АБВ характеристики, является обратимым, т. е. при этом пробое в переходе не происходит необратимых изменений (разрушения структуры вещества). Поэтому работа диода в режиме электрического пробоя допустима. Специальные диоды для стабилизации напряжения – полупроводниковые стабилитроны – работают на участке БВ характеристики. Могут существовать два вида электрического пробоя, которые нередко сопутствуют друг другу: лавинный и туннельный.
Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей за счет ударной ионизации и за счет вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем. Этот пробой характерен для п – р-переходов большой толщины, получающихся при сравнительно малой концентрации примесей в полупроводниках. Пробивное напряжение для лавинного пробоя составляет десятки или сотни вольт.
Туннельный пробой объясняется явлением туннельного эффекта. Сущность последнего состоит в том, что при поле напряженностью более 105 В/см, действующем в п – р-переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Тонкие переходы, в которых возможен туннельный эффект, получаются при высокой концентрации примесей. Напряжение, соответствующее туннельному пробою, обычно не превышает единиц вольт.
Области теплового пробоя соответствует на рис. 13 участок ВГ. Тепловой пробой необратим, так как он сопровождается разрушением структуры вещества в месте п – р-перехода. Причиной теплового пробоя является нарушение устойчивости теплового режима п – р-перехода. Это означает, что количество теплоты, выделяющейся в переходе от нагрева его обратным током, превышает количество теплоты, отводимой от перехода. В результате температура перехода возрастает, сопротивление его уменьшается и ток увеличивается, что приводит к перегреву перехода и его тепловому разрушению.
характеристики зависимостью:
, (20)