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.

Гетеропереходы

Гетеропереход образуется двумя полупроводниками, различающимися шириной запрещенной зоны. Параметры кристаллических решеток полупроводников, составляющих гетеропереход, должны быть близки, что ограничивает выбор материалов. В настоящее время наиболее исследованными являются пары: германий-арсенид галлия, арсенид галлия-мышьяковидный индий, германий-кремний. Различают n-p и p-n гетеропереходы (на первое место ставится буква, обозначающая тип электропроводности полупроводника с более узкой запрещенной зоной). На основе гетеропереходов возможно также создание структур n-n и p-p.

Поскольку потенциальные барьеры для дырок и электронов различны, при приложении к гетеропереходу прямого напряжения смещения он обеспечит эффективную инжекцию дырок из полупроводника с большей шириной запрещенной зоны (рис. 1.17).

20.Биполярным транзистором называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор, имеющий в своей структуре два взаимодействующих p-n-перехода и три внешних вывода, и предназначенный, в частности, для усиления электрических сигналов. Термин “биполярный” подчеркивает тот факт, что, принцип работы прибора основан на взаимодействии с электрическим полем частиц, имеющих как положительный, так и отрицательный заряд, - дырок и электронов. В дальнейшем для краткости будем его называть просто – транзистором.

Структура транзистора, изготовленного по диффузионной технологии, приведена на рис. 3.1. Как видно из рисунка, транзистор имеет три области полупроводника, называемые его электродами, причем две крайние области имеют одинаковый тип проводимости, а средняя область - противоположный. Структура транзистора, приведенная на рис. 3.1, называется n-p-n-структурой. Электроды транзистора имеют внешние выводы, с помощью которых транзистор включается в электрическую схему. Одна из крайних областей транзистора, имеющая наименьшие размеры, называется эмиттером (Э). Она предназначена для создания сильного потока основных носителей заряда (в данном случае электронов), пронизывающего всю структуру прибора (см. рис 3.1). Поэтому эмиттер характеризуется очень высокой степенью легирования (N_DЭ = 10 ¹⁹ - 10 ²⁰ см ^-3). Другая крайняя область транзистора, называемая коллектором (К), предназначена для собирания потока носителей, эмитируемых эмиттером. Поэтому коллектор имеет наибольшие размеры среди областей транзистора. Легируется коллектор значительно слабее эмиттера (подробнее вопрос о выборе концентрации атомов примеси в коллекторе рассмотрен ниже). Средняя область транзистора называется базой (Б). Она предназначена для управления потоком носителей, движущихся из эмиттера в коллектор. Для уменьшения потерь электронов на рекомбинацию с дырками в базе ее ширина W_Б делается очень маленькой (W_Б << L_n), а степень легирования - очень низкой - на 3...4 порядка ниже, чем у эмиттера (N _АБ<<N _DЭ). Между электродами транзистора образуются p-n-переходы. Переход, разделяющий эмиттер и базу, называется эмиттерным переходом (ЭП), а переход, разделяющий базу и коллектор, - коллекторным переходом (КП). С учетом резкой асимметрии эмиттерного перехода (N _DЭ >>N _АБ) он характеризуется односторонней инжекцией: поток электронов, инжектируемых из эмиттера в базу, значительно превосходит встречный поток дырок, инжектируемых из базы в эмиттер.

Режимы работы транзистора

В зависимости от того, в каких состояниях находятся переходы транзистора, различают режимы его работы. Поскольку в транзисторе имеется два перехода (эмиттерный и коллекторный), и каждый из них может находиться в двух состояниях (открытом и закрытом), различают четыре режима работы транзистора. Основным режимом является активный режим, при котором эмиттерный переход находится в открытом состоянии, а коллекторный - в закрытом. Транзисторы, работающие в активном режиме, используются в усилительных схемах. Помимо активного, выделяют инверсный режим, при котором эмиттерный переход закрыт, а коллекторный - открыт, режим насыщения, при котором оба перехода открыты, и режим отсечки, при котором оба перехода закрыты

Наряду с транзисторами n-p-n- структуры, существуют транзисторы с симметричной ей p-n-p-структурой, в которых используется поток дырок. Условные обозначения n-p-n- и p-n-p-транзисторов, используемые в электрических схемах, приведены на рис.3.2. Стрелка на выводе эмиттера показывает направление эмиттерного тока в активном режиме. Кружок, обозначающий корпус дискретного транзистора, в изображении бескорпусных транзисторов, входящих в состав интегральных микросхем, не используется. Принцип работы n-p-n- и p-n-p-транзисторов одинаков, а полярности напряжений между их электродами и направления токов в цепях электродов противоположны. В современной электронике наибольшее распространение получили транзисторы n-p-n-структуры, которые, благодаря более высоким значениям подвижности и коэффициента диффузии электронов по сравнению с дырками (m _n> m _p; D_n>D_p), обладают большим усилением и меньшей инерционностью, чем транзисторы p-n-p- структуры. Поэтому ниже рассматриваются именно n-p-n- транзисторы.

21. Фотоэлектрические явления – это электрические явления (изменение электропроводности, эмиссия электрона, возникновение ЭДС и другие), происходящие в веществе при воздействии на него электромагнитного излучения оптического диапазона. ФЭЯ возникают в тех случаях, когда энергия поглощённого веществом фотона () затрачивается на квантовый переход электрона с состояния с большей энергией. Если в твёрдых телах (металлах и полупроводниках) энергия фотонов достаточна для преодоления электронами поверхности потенциального барьера, то возникает фотоэлектронная эмиссия – внешний фотоэффект. При меньших значениях поглощения энергии в полупроводнике возникают неравновесные носители заряда (электроны и дырки проводимости), что проявляется в изменении электропроводности и возникновении в нём ЭДС – внутренний фотоэффект. Рассмотрим внутренний фотоэффект и две его составляющие: эффект фотопроводимости (фоторезистивный эффект) и фотогальванический эффект.

Эффект фотопроводимости в полупроводнике.

Оптическое излучение взаимодействует с веществом (полупроводником), частично отражается от поверхности, частично поглощается полупроводником и частично проходит через кристалл без поглощения. Каждый процесс характеризуется своими коэффициентами.

1) Коэффициент отражения

-отношение мощности отражения к мощности излучения, падающего на поверхность

2) Коэффициент пропускания

-отношение мощности излучения, прошедшего через полупроводник, к мощности излучения, падающего на поверхность

3) Коэффициент поглощения

-относительное изменение мощности падающего излучения в слой полупроводника единичной толщины

На расстоянии мощность светового излучения уменьшается в e раз.

Энергетические параметры связаны с переносимой излучением энергией и характеризуют излучение безотносительно к действию его на какой-либо приёмник. В области фотометрии вместо мощности P в Вт используют Ф[Лм](в люменах)-световой поток.

 

Плотность фотонов N0-число фотонов, падающих на единицу поверхности полупроводника в единицу времени при монохроматическом световом потоке. Тогда световой поток равен:

Запишем выражение для светового потока, взаимодействующего с кристаллом:

ФЭЯ проявляются в основном при поглощении светового излучения.

Механизмы поглощения:

1) Собственное (основное)

2) Примесное

3) Экситонное

4) Решётчатое

5) Свободными носителями

 

1)Энергия затрачивается на разрыв валентной связи, атомы переводят электроны в ЗП, энергия фотона при этом больше

В диапазоне волн , а , коэффициент поглощения резко падает, поэтому спектр собственного поглощения имеет чётко выраженную границу, называемую красной границей фотоэффекта. Красная граница соответствует минимуму энергии фотона для перевода электрона из ВЗ в ЗП. Переходы электронов из ВЗ могут быть прямые и непрямые. При прямом переходе импульс электрона практически не изменяется, так как импульс фотона ничтожно мал, то им можно пренебречь. Непрямые переходы происходят в полупроводниках с экстремумами ВЗ и ЗП, расположенными в разных точках области квазиимпульсов.

Для соблюдения закона сохранения импульсов требуется участие третьей частицы -фонона. Энергия, затраченная на прямой переход, меньше, чем затраченная на непрямой. Но вероятность непрямого перехода мала, поскольку для непрямого перехода необходима встреча трёх частиц в одном месте.

Коэффициент с непрямым переходом связан меньше, чем с прямым. С понижением вначале происходят непрямые переходы (требуется меньше энергии), с ростом энергии фотона будут происходить только прямые. На величину , кроме типа полупроводника, влияет температура. При росте температуры ширина ЗЗ падает и смещается в область длинных волн.

2) При примесном поглощении энергия фотона затрачивается на ионизацию примесей. При этом .

Коэффициент примесного поглощения на несколько порядков меньше коэффициента собственного поглощения, так как плотность примесного состояния гораздо меньше плотности состояний в разрешённых зонах. Электроны в атомах примесей могут находиться и в возбуждённом, и в невозбуждённом состоянии, поэтому степень ионизации будет различной, тогда спектр примесного поглощения состоит из нескольких экстремумов. С ростом температуры происходит тепловая ионизация. Коэффициент при этом падает, так как число неионизованных примесей тоже падает.

3) При экситонном поглощении энергия фотона расходуется на образование экситона. Экситон – электронейтральное возбуждение в атоме (кристалле), обусловленное появлением связанных друг с другом электрона и дырки. При экситонном поглощении энергия фотона меньше , поэтому электрон из ВЗ не может перейти в ЗП, однако электрон способен удалиться от атома, оставаясь связанным с оставшейся дыркой. Связанная пара может перемещаться вдоль кристалла, но, будучи связанной, не создаёт электричество и ток. Влияние экситонной проводимости косвенное. Столкновение с экситоном или фононом может привести: 1)к потере им энергии, что эквивалентно возвращению энергии к валентному донору; 2)к получению энергии, то есть электрон переходит в ЗП с образованием дырки в ВЗ. В обоих случаях экситон расщепляется.

4) Если кристаллическая решётка содержит атомы различных веществ, то её можно рассматривать как систему электрических диполей. Диполи интенсивно поглощают энергию на частоте собственных колебаний. Поглощение излучения сопровождается появлением большого числа фононов. При этом тепловая энергия полупроводника растёт, поэтому концентрация свободных носителей растёт, изменяется их подвижность и энергия.

5) Поглощение излучения свободными носителями в ЗП и ВЗ связано с переходом с одних энергетических уровней на другие в пределах зоны. Зоны близко, поэтому спектр без экстремумов и непрерывный. невелик из-за малой концентрации свободных носителей.

Фотопроводимость.

При эффективной фотопроводимости происходит изменение электропроводности полупроводника под действием оптического излучения. Если световой поток отсутствует Ф=0, T=const, то проводимость (темновая или обычная) рассчитывается:

. При поглощении излучения в полупроводнике появляются избыточные носители Ф 0=const, =const. Наступает динамическое равновесие с избыточными концентрациями и , поэтому проводимость изменяется на -фотопроводимость. . Полная проводимость при этом: .

При собственном поглощении красная граница фотопроводимости совпадает с красной границей . При уменьшении длины волны резко растёт. При достижении некоторой величины длины волны падает. Причина уменьшения -уменьшение области генерации избыточных носителей, так как растёт, общее количество избыточных носителей падает. При собственном поглощении происходит генерация пар = , поэтому проводимость называют бинарной.

При примесном поглощении растёт концентрация носителей только одного знака и фотопроводимость называется униполярной. На проводимость могут влиять и экситоны, которые способны переносить энергию по кристаллу и возбуждать носителей заряда из примесей или ловушек. Они сами могут увеличить фотопроводимость, распадаясь в областях неоднородностей на два свободных носителя.

Поглощение энергии свободными носителями не меняет их концентрацию, но увеличивает их , и фотопроводимость называют -проводимостью.

При решётчатом поглощении температура растёт и на фотопроводимость оказывают влияние два взаимопротивоположных фактора: 1) с ростом температуры растёт концентрация свободных носителей, поэтому растёт; 2)падает , поэтому падает .

Эффективное поглощение характеризуется квантовым выходом полупроводника:

(отношение числа неравновесных избыточных носителей к плотности поглощённых фотонов)

ФЭЯ в электрических переходах(фотогальванический эффект).

Рассмотрим идеальный p-n-переход, облучённый монохроматическим световым потоком с энергией фотонов, превышающей . При собственном поглощении в переходе и прилегающих к нему областях генерируются избыточные носители(электроны и дырки). Электрическое поле перехода разделяет носители, перемещая дырки в p-область, а электроны – в n-область. Процессу разделения подвергаются носители, генерируемые в обеднённом слое и прилегающих областях с шириной меньше либо равной диффузионной длины. Возникает дрейфовый фототок неосновных неравновесных носителей заряда . Неравновесные основные носители (электроны n-области и дырки p-области) не могут преодолеть потенциальный барьер и остаются в области генерации. В результате разделения оптически генерируемых носителей в n-области появляется избыточный отрицательный заряд, а в p-области – избыточный положительный. Возникающая, таким образом, разность потенциалов, называется фотоЭДС (Eф) или напряжением холостого хода Uхх при разомкнутой цепи. Уровни Ферми при этом смещаются друг относительно друга на величину фотоЭДС.

Потенциальный барьер, как и при прямом смещении, понижается до величины q(l0-UM), при разомкнутом – понижается до q(l0-Uхх), что приводит к появлению тока диффузии. Он направлен навстречу дрейфовому фототоку. И при Ф=const эти токи компенсируют друг друга и I=Iдр-Iф=0.

ФотоЭДС приложено к переходу в прямом направлении и увеличивается с ростом интенсивности светового потока:

-ток насыщения.

Uхх не может превысить величину контактной разности потенциалов перехода. В противном случае из-за полной компенсации поля не будет разделения оптически генерируемых носителей.

Дрейфовый фототок: , следовательно, дрейфовый фототок пропорционален концентрации неосновных носителей, генерируемых в единицу времени в области размером Lф=l+Ln+Lp, где l – толщина перехода. Концентрация носителей пропорциональна величине потока, значит, световой поток и и фототок связаны между собой линейной зависимостью: I=kФ. При подключении нагрузки к освещённому переходу разность потенциалов создаётся только частью носителей заряда, а остальная часть участвует в создании фототока и обеспечивает ток нагрузки.

22. Термоэлектрический эффект Зеебека. Причины возникновения термо-ЭДС. Энергетические диаграммы. Термоэлектрический эффект Пельтье.