Публикации / ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ

1. Общие сведения об электрических переходах

1. 1. Электрические полупроводниковые переходы.

Работа большинства по­лупроводниковых и микроэлектронных приборов основана на использовании свойств электрических переходов, под которыми понимают переходные слои между двумя твердыми телами с различными типами проводимости или с различными значениями проводимости.

Примеры важнейших переходов.

1) Между полупроводниками р-и n - типа (это р - n - переход или электронно-дырочный переход - сокращенно ЭДП).

2) Между полупроводником и металлом (это переход Шоттки или переход "металл-полупроводник").

3) Между полупроводником и металлом через диэлектрик (это структуры металл-диэлектрик (окисел) - полупроводник; МДП или МОП ).

Если электрическое сопротивление перехода при одной полярности при­ложенного к нему напряжения больше, чем при другой, то такой переход явля­ется выпрямляющим. Он используется для выпрямления переменного электри­ческого тока, преобразования и генерации электрических сигналов. На основе таких переходов формируются диоды, транзисторы, варакторы и др. электрон­ные приборы.

Если величина сопротивления перехода не зависит от полярности прило­женного к нему напряжения, то такой переход является невыпрямляющим. Не­выпрямляющие переходы (или омические контакты) широко используются для формирования электрических выводов от полупроводниковых областей различ­ных электронных приборов и интегральных микросхем.

1.2. Электронно-дырочный переход.

Электронно-дырочный или

р- n - пере­ход - это переходный слой между полупроводниками р- и n-типа, обедненный подвижными носителями зарядов и имеющий диффузионное (контактное) электрическое поле.

Объемное представление ЭДП дано на рис.1.2.1.  На этом рисунке показаны р и n - полупроводниковые области, разделенные металлургической границей, т.е. границей, при которой расстояние между полупроводниками не превышает постоянной кристаллической решетки. По обе стороны границы расположены два тонких слоя, составляющие собственно переход, и достаточно толстые об­ласти полупроводников р - и n - типа.

Толстая область р -типа характерна тем, что в ней заряды отрицательных ионов акцепторной примеси скомпенсированы зарядами дырок, а толстая об­ласть n - типа - тем, что в ней положительные заряды ионов донорной примеси скомпенсированы зарядами электронов. Вследствие этого обе толстые области полупроводников электрически нейтральны

Тонкие области полупроводников имеют пониженные концентрации элек­тронов и дырок, но такие же концентрации ионов, как и толстые области. Вследствие этого заряды электронов и дырок не могут полностью компенсиро­вать заряды ионов примесей что приводит к образованию в этих областях объ­емных электриче­ских зарядов: по­ложительною в n- области и отрица­тельного в р - об­ласти.

Между объ­емными зарядами существует элек­трическое поле, называемое кон­тактным или диффузионным. Наличие этого поля является главным фактором, придающим переходу целый ряд таких свойств, которые делают его основным структурным элементом всей полупроводниковой и в значительной мере интегральной элек­троники.

Рис. 1.2.1 Объемное представление ЭДП

2. Образование электронно-дырочного перехода

Рассмотрим образование ЭДП пользуясь рис.2.1

2.1 Исходное состояние: имеются два полупроводника - один р- типа, а дру­гой n- типа. Структуры электрических зарядов и распределения НЗ в этих по­лупроводниках представлены на рис. 2. 1, а, б, из которых видно, что , .

2.2 При создании металлургического контакта между полупроводниками и отсутствии внешнего электрического поля (U_вн) в приконтактных областях полупроводников происходят следующие физические процессы.

1) На границе р- и n - полупроводников возникают градиенты концентра­ции электронов и дырок, обусловленные разностями концентраций ∆p=p_po-p_no и ∆n=n_no-n_po. Под действием градиентов концентраций происходит, встречная диффузия: дырок из р- в n - область (т.к. p_po>>p_no), а электронов - из n области в р - область (т.к. n_no>n_po ) - рис.2.1,в,г. Встречная диффузия ОНЗ вызывает:

• образование диффузионного тока, состоящего из дырочной и электрон­ной составляющих: ;
• рекомбинацию электронов и дырок, вследствие чего часть зарядов по­ложительных и отрицательных ионов примесей оказывается не скомпенсиро­ванной.

Рис.2.1.

Совокупности некомпенсированных электрических зарядов ионов обра­зуют два равных по величине объемных заряда; положительный в и области и отрицательный в р - области.

Динамика образования объемных зарядов показана на рис. 2.1, г, а конеч­ный результат образования их - на рис. 2.1, д.

2) Между положительным и отрицательным объемными зарядами возни­кает контактное (диффузионное) поле Ек, направленное всегда из n- в p-область и существующее только в области перехода (рис.2.1,е). На этом процесс формирования ЭДП заканчивается.

3) Электрическое поле Ек оказывает следующие воздействия на электри­ческие носители заряда, находящиеся в объеме ЭДП:

• вызывает дрейф неосновных НЗ через переход электронов из р- в n- об­ласть, а дырок - из n- в р- область (рис.2.1, ж). Следствием дрейфа является по­явление и рост дрейфового тока   имеющего направление, про­тивоположное направлению диффузионного тока (рис. 2.1, в и 2.1,ж).
• замедляет (тормозит) диффузию основных НЗ, вследствие чего через переход проходят только те ОНЗ, которые имеют энергию, достаточную для преодоления тормозящего действия поля, что приводит к уменьшению диффу­зионного тока I_дф.

Таким образом, градиенты концентрации электронов и дырок вызывают диффузионный поток ОНЗ, а контактная разность потенциалов - дрейфовый по­ток НОНЗ. Нарастание диффузионного и дрейфового потоков ИЗ продолжается до тех пор, пока они не уравняются, вследствие чего суммарный ток через пере­ход станет равным нулю:

4) Тормозящее действие поля Ек относительно диффузионного потока НЗ 0 рассматривается как потенциальный барьер (ПБ), существующий только для основных НЗ. Основным параметром этого барьера является его высота, обо­значаемая U_ПБ

Высоту ПБ определяют из распределения электрического потенциала φ по структуре ЭДП (рис. 2.1,з);

- на металлургической границе φ=0;

- слева от этой границы в р - области φ<0 (т.к. объемный заряд отрицательный), по мере удаления от границы потенциал возрастает, достигает макси­мума на границе с нейтральной областью, а в нейтральной области остается по­стоянным (φ_p<0=const).

- справа от металлургической границы в n - области φ > 0 (т.к. объем­ный заряд положительный), возрастает по мере удаления от границы; достигает максимума на границе с нейтральной областью и остается постоянным в ней (φ_n > 0 = const)

Разность потенциалов на границе ЭДП, называемая контактной. опреде­ляется как разность между φ_n, и φ_p, и обозначается U_k:

U_k = (0,3 - 0,5) В для германиевых и U_k = (0,6 - 0,8) В - дня кремниевых переходов.

Высота потенциального барьера при отсутствии внешнего напряжения определяется величиной контактной разности потенциалов:

В простейшем примитивном случае ПБ можно представить в виде "гор­ки", на которую накатываются шарики (электроны и дырки) с различными ско­ростями (энергиями) - рис.2.2.з). "Горку" преодолевают лишь те электроны и дырки из числа основных НЗ, энергия которых превышает энергию высоты ПБ () и именно они образуют диффузионный ток I_дф. Поэтому, изменяя U_ПБ до можно управлять величиной тока I_дф.

Для неосновных НЗ потенциальный барьер не существует, т.к. соответст­вующие им шарики (электроны и дырки) не закатываются на "горку", а скаты­ваются с нее.

5) Толщина ЭДП определяется глубиной проникновения обедненных об­ластей в р - и n - полупроводники. Глубина проникновения в р- область обозна­чается δ_p, а в n- область – δ_n поэтому толщина перехода δ равна .

Величины δ_n и δ_p определяются концентрациями примеси в полупроводниках N_д и N_а.

При Na = Na - переход является симметричным, а δ_n=δ_p.

Большее распространение получили несимметричные переходы, которым соответствует неравенство δ_n≠δ_p (или N_д≠N_а). Область ЭДП с большей концентрацией примеси называется эмиттером, а с меньшей - базой (рис.2.1, и). При отсутствии внешнего напряжения состояние перехода называется равновесным, а его толщина обозначается δ₀ и определяется следующим выра­жением:

Для симметричного перехода ;

где N = N_а=N_д концентрации донорной и акцепторной примесей, а для резкого несимметричного перехода при N_а>>N_{д  .}

6) Рекомбинация электронов и дырок в переходе обедняет его подвижны­ми НЗ, вследствие чего сопротивление перехода r_пер возрастает и достигает со­тен Ом. По этой причине ЭДП иногда называют запорным слоем.

7)  Энергетическая диаграмма ЭДН стро­ится на основе энергетических диаграмм используемых полупроводников, ха­рактерных фиксированным расположением валентных зон и зон проводимости относительно уровней Ферми W_f (рис.2.2,а). Для находящихся в контакте р- и n- полупроводников, как для единой системы, уровень Ферми должен быть об­щим (единым), что возможно только при смещении энергетических зон полупроводников относительно друг друга на величину 

Рис 2.2. Энергетическая диаграмма ЭДП