Основы теории электропроводности полупроводников

Промежуточное положение между p⁺-p- или n⁺-n- и p-n переходом занимают p-i и n-i переходы. Такие переходы образуются между двумя пластинами, одна из которых имеет электронную или дырочную электропроводность, а другая - собственную.

На рис 1.18 показаны энергетическая диаграмма и изменение концентраций на границе двух полупроводников с p- и i-областями. Вследствие разности концентраций носителей зарядов в p- и i-областях происходит инжекция дырок из p-области в i-область и электронов из i-области в p-область. Вследствие малой величины инжекционной составляющей электронного тока потенциальный барьер на границе перехода создается неподвижными отрицательными ионами акцепторов р-области и избыточными дырками i-области, диффундирующими в нее из p-области. Поскольку >> , глубина распространения запирающего слоя в i-области значительно больше, чем в р-области.

Рисунок 1.18. Энергетическая диаграмма p-i перехода.

4.3 Контакт металла с полупроводником

Свойства контакта металла с полупроводником зависят от работы выхода электронов из металла (W_0м) и из полупроводника (W_0n или W_0p). Электроны переходят из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода. При контакте металла с электронным полупроводником при выполнении условия W_0n < W_0p электроны переходят из полупроводника в металл. Если осуществлен контакт металла с дырочным полупроводником и выполняется условие W_0м < W_0p, будет происходить переход электронов в полупроводник. И в том, и в другом случае произойдет обеднение свободными носителями заряда приконтактной области полупроводника.

Обедненный слой обладает повышенным сопротивлением, которое может изменяться под воздействием внешнего напряжения. Следовательно, такой контакт имеет нелинейную характеристику и является выпрямляющим. Перенос зарядов в этих контактах осуществляется основными носителями, и в них отсутствуют явления инжекции, накопления и рассасывания зарядов. Таким образом, выпрямляющие контакты металл-полупроводник малоинерционны и служат основой создания диодов с барьером Шоттки, обладающих высоким быстродействием и малым временем переключения.

Если при контакте металла с полупроводником выполняется условие W_0м < W_0м или W_0м > W_0p, то приконтактный слой полупроводника обогащается основными носителями заряда и его сопротивление становится низким при любой полярности внешнего напряжения. Такой контакт имеет практически линейную характеристику и является невыпрямляющим.

4.4 Омические контакты

Омическими называют контакты, сопротивление которых не зависит от величины и направления тока. Другими словами, это контакты, обладающие практически линейной вольт-амперной характеристикой. Омические контакты обеспечивают соединение полупроводника с металлическими токопроводящими элементами полупроводниковых приборов. Кроме линейности вольт-амперной характеристики, эти контакты должны иметь малое сопротивление и обеспечивать отсутствие инжекции носителей из металлов в полупроводник. Эти условия выполняются путем введения между полупроводником рабочей области кристалла и металлом полупроводника с повышенной концентрацией примеси (рис. 1.19). Контакт между полупроводниками с одинаковым типом электропроводности является невыпрямляющим и низкоомным. Металл выбирают так, чтобы обеспечить малую контактную разность потенциалов. Одним из способов получения омических контактов является введение в металл примеси, которой легирован полупроводник. В этом случае при сплавлении металла с полупроводником в контактной области образуется тонкий слой вырожденного полупроводника, что соответствует структуре, изображенной на рис. 1.19.

Рисунок 1.19. Структура омического контакта.

4.5 Явления на поверхности полупроводника

В результате взаимодействия полупроводника и окружающей среды на поверхности кристалла образуются различные соединения, отличающиеся по своим свойствам от основного материала. Кроме того, обработка кристалла приводит к дефектам кристаллической решетки на поверхности полупроводника. По этим причинам возникают поверхностные состояния, повышающие вероятность появления свободных электронов или незаполненных ковалентных связей. Энергетические уровни поверхностных состояний могут располагаться в запрещенной энергетической зоне и соответствовать донорным и акцепторным примесям.

Поверхностные состояния меняют концентрацию носителей заряда, и в приповерхностном слое полупроводника возникает объемный заряд, приводящий к изменению уровня Ферми. Поскольку в состоянии равновесия уровень Ферми во всем кристалле полупроводника одинаков, поверхностные состояния вызывают искривление энергетических уровней в приповерхностном слое полупроводника.

В зависимости от типа полупроводника и характера поверхностных состояний может происходить обеднение или обогащение поверхности кристалла носителями заряда.

Обеднение возникает в том случае, если поверхностный заряд совпадает по знаку с основными носителями заряда. На рис. 1.20 показано образование обедненного слоя на поверхности полупроводника n-типа при такой плотности поверхностных состояний, что уровни W_in и W_фn не пересекаются. Повышение плотности пространственного заряда может привести к пересечению уровня Ферми с уровнем середины запрещенной зоны (рис. 1.21), что соответствует изменению типа электропроводности у поверхности полупроводника. Это явление называют инверсией типа электропроводности, а слой, в котором оно наблюдается, - инверсным слоем.

Если знаки поверхностного заряда и основных носителей противоположны, происходит обогащение приповерхностной области основными носителями зарядов. Такую область называют обогащенным слоем (рис. 1.22).

Электропроводность приповерхностного слоя полупроводника может изменяться под действием электрического поля, возникающего за счет напряжения, прикладываемого к металлу и полупроводнику, разделенным диэлектриком. Если предположить, что до включения напряжения поверхностные состояния на границе полупроводника и диэлектрика отсутствуют, то электропроводности приповерхностного слоя и объема полупроводника будут одинаковыми.

При включении напряжения между металлом и полупроводником возникает электрическое поле, и на поверхности металла и в приповерхностном слое полупроводника, как на пластинах конденсатора, накапливаются заряды. Например, если полупроводник электронный и к нему прикладывается отрицательное напряжение, то под действием электрического поля у поверхности увеличиваются концентрация электронов и электропроводность приповерхностного слоя полупроводника (см. рис. 1.22). При изменении полярности напряжения концентрация электронов в приповерхностном слое уменьшается, а дырок - увеличивается. В связи с этим электропроводность приконтактной области уменьшается, стремясь к собственной. Увеличение напряжения приводит к тому, что концентрация дырок становится выше концентрации электронов и происходит изменение (инверсия) типа электропроводности слоя. При этом электропроводность приповерхностного слоя увеличивается. Зависимость электропроводности приповерхностного слоя полупроводника n-типа от напряжения показана на рис. 1.23. Это явление принято называть эффектом поля.

ЛИТЕРАТУРА

1. Алехин, В.А. Электротехника и электроника. Компьютерный лабораторный практикум в программной среде TINA-8. Учебное пособие для вузов. / В.А. Алехин. - М.: РиС, 2014. - 208 c.

2. Астапенко, В.А. Фотоэлектроника. Часть 1. Серия: Электроника в техническом университете. Прикладная электроника / В.А. Астапенко, С.М. Мовнин, Ю.Ю. Протасов. - М.: Янус-К, 2010. - 654 c.

3. Бараночников, М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 2. 2-е изд. / М.Л. Бараночников. - М.: ДМК, 2014. - 888 c.

4. Барыбин, А.А. Электроника и микроэлектроника. Физико-технологические основы / А.А. Барыбин. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 424 c.

5. Барыбин, А.А. Электроника и микроэлектроника. Физико-технологические основы / А.А. Барыбин. - М.: Физматлит, 2008. - 424 c.

6. Белоус, А.И. Космическая электроника. В 2 т. Т. 2 / А.И. Белоус, В.А. Солодуха, С.В. Шведов. - М.: Техносфера, 2015. - 488 c.

7. Белоус, А.И. СВЧ - электроника в системах радиолокации и связи. Техническая энциклопедия. В 2 кн. Кн. 1 / А.И. Белоус, М.К. Мерданов, С.В. Шведов. - М.: Техносфера, 2016. - 688 c.

8. Белоус, А.И. Космическая электроника. В 2 т. Т. 1 / А.И. Белоус, В.А. Солодуха, С.В. Шведов. - М.: Техносфера, 2015. - 696 c.

9. Белоус, А.И. СВЧ - электроника в системах радиолокации и связи. Техническая энциклопедия. В 2 кн. Кн. 2 / А.И. Белоус, М.К. Мерданов, С.В. Шведов. - М.: Техносфера, 2016. - 728 c.

10. Белоусов, В.В. Судовая электроника и электроавтоматика: Учебник / В.В. Белоусов, В.А. Волкогон.. - М.: Колос, 2008. - 645 c.

11. Борисенко, В.Е. Наноэлектроника: теория и практика: Учебник / В.Е. Борисенко, А.И. Воробьева, А.Л. Данилюк, Е.А. Уткина. - М.: БИНОМ. ЛЗ, 2013. - 366 c.

12. Борисенко, В.Е. Наноэлектроника. Теория и практика: Учебник. 2-е изд., пер. и доп. / В.Е. Борисенко, А.И. Воробьева, А.Л. Данилюк и др.. - М.: Бином, 2013. - 366 c.

13. Борисенко, В.Е. Наноэлектроника. Теория и практика: учебник / В.Е. Борисенко, А.И. Воробьева, А.Л. Данилюк и др.. - М.: Бином, 2015. - 366 c.

14. Борисенко, В.Е. Наноэлектроника / В.Е. Борисенко. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. - 223 c.

15. Вадутов, О.С. Электроника. математические основы обработки сигналов. практикум 3-е изд., испр. и доп. учебное пособие для академического бакалавриата / О.С. Вадутов. - Люберцы: Юрайт, 2016. - 101 c.

Размещено на Allbest.ru