Переход металл-полупроводник

Эффект Шоттки, полученный на основе контактаметалл-полупроводник, заключается в различной величине работы выхода электронов из металла и полупроводника различной проводимости Могут использоваться различные структуры переходов металл-полупроводник с разной работой выхода электронов: А_м - работа выхода электронов из металла; А_П - работа выхода электронов из полупроводника.

Если А_м < А_П переход типа Ме –п не обладает выпрямляющими свойствами, так как при таких условиях будет преобладать выход электронов из металла и при любой полярности напряжения на переходе сопротивление слоя полупроводника будет малым, поскольку этот слой обогащен основными носителями. Такой контакт (невыпрямляющий) используется во всех полупроводниковых приборах в месте соединения области с внешним выводом и его называют омическим.

Если А_П < А_м переход типа Ме- р также не обладает выпрямляющими свойствами, так как из полупроводника в металл выходит гораздо большее количество электронов, чем в обратном направлении, и в приграничном слое образуется область, обогащенная основными носителями-дырками, которая

имеет низкое сопротивление независимо от полярности напряжения внешнего источника.

Очевидно, что в двух других случаях (А_П < А_м и переход типа Ме- п, а также А_м < А_п и переход типа Ме- р) в приграничном слое полупроводника будет создаваться обедненный основными носителями слой. Этот слой будет иметь большое сопротивление и в зависимости от полярности приложенного напряжения будет меняться высота потенциального барьера, поэтому такой переход обладает выпрямляющими свойствами.

Особенности перехода Шоттки:

1. На переходе таких приборов создается значительно меньшее падение напряжения (0,1-0,2 В), чем на электронно-дырочном переходе (рис. 1.5): при прохождении даже небольшого начального тока через контакт с большим сопротивлением на нем выделяется тепловая энергия, способствующая появлению дополнительных носителей.

2. Отсутствие инжекции неосновных носителей заряда.

3. Переходы работают только на основных носителях, следовательно, в приборах, изготовленных на основе эффекта Шоттки, практически отсутствует диффузионная емкость, связанная с накоплением и рассасыванием носителей.

Рис. 2.4. ВАХ диода Шоттки (ДШ) и обычного диода

4. Отсутствие диффузионной емкости существенно повышает быстродействие приборов, поэтому диоды, выполненные на основе такого контакта, обладают значительно лучшими переключающими свойствами, чем диоды на основе контакта полупроводник - полупроводник.

.

Динамическое равновесие p-n-перехода. Образование электронно-дырочного перехода вблизи границы, разделяющей области полупроводника с различным типом электропроводности, обусловлено следующими явлениями. Диффузия основных носителей p- и n-областей в противоположную область приводит к возникновению вблизи границы объемных электрических зарядов – положительного в n-области и отрицательного в p-области, как показано на рис. 3.1, а. Эти заряды обусловлены появлением нескомпенсированных ионизированных атомов донорной примеси (положительные неподвижные заряды) в n-области и нескомпенсированных ионизированных атомов акцепторной примеси (отрицательные неподвижные заряды) в p-области.

Между нескомпенсированными зарядами в n- и p-областях возникает электрическое поле напряженностью , называемое внутренним, и контактная разность потенциалов (рис. 3.1, б ,

где – постоянная Больцмана; – абсолютная температура; – заряд электрона; , – концентрация акцепторной и донорной примеси соответственно; – концентрация примеси в собственном полупроводнике; , – электрический потенциал p- и n-области соответственно. Электрическое поле препятствует дальнейшей диффузии носителей заряда через переход, при этом возникает потенциальный энергетический барьер для основных носителей величиной .

Вектор напряженности внутреннего электрического поля в p-n-переходе направлен от n-области к p-области. Поэтому возникшее электрическое поле вызывает дрейфовый перенос носителей из области, где они являются неосновными, в ту область, где они становятся основными носителями. Электроны дрейфуют из p-области в n-область, а дырки наоборот. Дрейфовый ток имеет направление, встречное диффузионному . При отсутствии внешних воздействий на переход устанавливается состояние динамического равновесия, при котором суммарный ток через переход равен нулю: , т.е. число диффундирующих носителей равно числу дрейфующих носителей.

Ширина перехода определяется следующим выражением:

, (2.15.)

где – абсолютная диэлектрическая проницаемость полупроводника; , – глубина проникновения перехода в p- и n-область соответственно.

Область p-n-перехода, характеризующуюся низкой концентрацией подвижных носителей заряда, можно рассматривать как квазидиэлектрик, поскольку подвижные носители заряда из нее удаляются внутренним электрическим полем и диффузией. По этой причине p-n-переход часто называют обедненным слоем.

Прямое включение p-n-перехода. Если к переходу подключить внешний источник с напряжением , как показано на рис. 3.2, а, таким образом, что вектор напряженности образованного им электрического поля будет направлен встречно вектору напряженности внутреннего поля , то в результате уменьшится разность потенциалов между областями (рис. 3.2, б):

, (2.16)

напряженность суммарного электрического поля в p-n-переходе также уменьшится:

, (2.17)

соответственно снизится высота потенциального барьера до величины и сузится область p-n-перехода. Причем зависимость ширины перехода от напряжения на нем описывается выражением

. (2.18)

Большое число основных носителей оказывается способным преодолеть снизившийся потенциальный барьер p-n-перехода, и через него начинает протекать значительный ток, который будет расти при увеличении приложенного напряжения, поскольку будет расти число носителей, способных преодолеть пониженный потенциальный барьер. Диффузионная составляющая тока через p-n-переход будет значительно выше дрейфовой составляющей . Ток, протекающий через переход, называют прямым током , а напряжение рассмотренной полярности называется прямым напряжением и считается положительным. При прямом включении p-n-перехода происходит инжекция носителей заряда – диффузионный перенос основных носителей в область, где они становятся неосновными.

Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных p-n-переходов, в которых концентрация легирующей примеси в одной из областей перехода много выше, чем в другой области. В таком переходе более легированную область называют эмиттер, а менее легированную – база. Инжекцию в таких переходах можно считать односторонней, поскольку преобладает инжекция носителей из эмиттера в базу.

Обратное включение p-n-перехода. Если к переходу подключить внешний источник с напряжением , как показано на рис. 3.3, а, таким образом, что вектор напряженности образованного им электрического поля будет сонаправлен с вектором напряженности внутреннего поля , то в результате увеличится разность потенциалов между областями (рис. 3.3, б):

, (2.19)

напряженность суммарного электрического поля в p-n-переходе также увеличится

, (2.20)

соответственно повысится высота потенциального барьера до величины и расширится область p-n-перехода. Зависимость ширины перехода от обратного напряжения на нем описывается выражением

. (2.21)

В таких условиях основные носители оказываются неспособными преодолеть повысившийся потенциальный барьер p-n-перехода, и через него протекает незначительный по величине ток неосновных носителей, для которых суммарное поле перехода является ускоряющим, т.е. . Таким образом, обратный ток перехода в отличие от прямого является дрейфовым, его величина практически не зависит от напряжения, поскольку не меняется число носителей, создающих его. Напряжение рассмотренной полярности называется обратным напряжением и считается отрицательным. При обратном включении p-n-перехода происходит экстракция носителей заряда – дрейфовый перенос неосновных носителей в область, где они становятся основными.