Общие сведения об электрических контактах

В полупроводниковых приборах используются различные контакты, которые по способности пропускать электрический ток разделяются на две группы. Наиболее наглядно их различие можно оценить с помощью приведенной на рис. 2.1. вольтамперной характеристики (ВАХ), представляющей собой зависимость тока, протекающего через контакт от приложенного к нему напряжения.

Рис. 2.1. Вольтамперные характеристики невыпрямляющего (а) и выпрямляющего (б) контактов.

К первой группе относятся контакты, вольтамперная характеристика которых симметрична относительно начала координат (см. рис. 2.1, а). Такие контакты одинаково пропускают ток в обоих направлениях, поэтому их называют невыпрямляющими (переменный ток) или омическими, поскольку в электрической цепи они ведут себя как линейное (омическое) сопротивление. Вторую группу составляют контакты, вольтамперная характеристика которых резко асимметрична относительно начала координат (см. рис. 2.1, б). Ее прямая ветвь, соответствующая положительным напряжениям и токам, идентична рассмотренной выше, а обратная ветвь практически совпадает с осью абсцисс. Такие контакты пропускают ток только в одном (прямом) направлении, т.е. обладают односторонней проводимостью. Они могут использоваться для выпрямления переменного тока (преобразования его в постоянный ток) и поэтому называются выпрямляющими.

Выпрямляющие контакты играют исключительно важную роль в работе полупроводниковых приборов, поскольку протекающие в них физические процессы (в частности, управляемая напряжением инжекция носителей заряда) определяют принципы работы многих приборов (диодов, транзисторов, тиристоров). Наиболее широко в полупроводниковой электронике используется выпрямляющий контакт двух областей полупроводника, имеющих разный тип электропроводности (электронную и дырочную), т.е. областей полупроводников n- и p-типов. Такой контакт называется электронно-дырочным переходом или сокращенно p-n-переходом.

Другим контактом, широко распространенным в полупроводниковой электронике, является контакт полупроводника с металлом, называемый контактом металл-полупроводник. В зависимости от соотношения физи-ческих параметров металла и полупроводника, контакт металл-полу-проводник может быть как выпрямляющим, так и невыпрямляющим. Невыпрямляющие контакты используются для создания внешних выводов полупроводниковых приборов, с помощью которых эти приборы включаются в электрические цепи.

Начнем рассмотрение физических процессов с выпрямляющих кон-тактов и прежде всего, уточним определение самого понятия p-n-переход. Дело в том, что создание p-n-переходов, как и структур приборов в целом, представляет собой очень сложный технологический процесс. Главное требование к этому процессу заключается в том, чтобы на границе n- и p-об-ластей не было значительного количества дефектов кристаллической структуры полупроводника. Эта технологическая граница между n- и p-об-ластями получила название металлургической границы. При выполнении указанного выше требования по обе стороны от этой границы образуется тонкий переходный слой (толщиной в доли микрона), физические свойства которого существенно отличаются от свойств образующих его n- и p-областей полупроводника. Именно этот слой и называется p-n-переходом.

Конкретные особые свойства p-n-перехода, отличающие его от n- и p-областей, будут рассмотрены ниже, в п. 2.2, 2.3 и 2.6.

Остановимся кратко на классификации p-n-переходов, это важно для выбора конкретного перехода, на примере которого будут рассматриваться физические процессы. Можно выделить три основных направления, по которым классифицируются переходы.

Во-первых, p-n-переходы разделяются на гомогенные (гомопереходы) и гетерогенные (гетеропереходы). Различие между ними определяется шириной запрещенной зоны энергетической диаграммы n- и p-областей, образующих переход. Гомогенными называются переходы, образованные областями полупроводника с одинаковой шириной запрещенной зоны (∆W_Зn = ∆W_Зp), гетерогенными - переходы, образованные областями с разной шириной запрещенной зоны (∆W_Зn ∆W_Зp), т.е. областями разных полупроводниковых материалов. Традиционные полупроводниковые приборы используют гомопереходы, поэтому для анализа физических процессов выберем именно гомопереход. Особенности гетеропереходов рассмотрены в [1,2].

Второе направление классификации p-n-переходов связано с соотношением концентраций донорной и акцепторной примесей в n- и p-областях, образующих переход. В случае, когда концентрации примесей сопоставимы (N_D N_А), переход называется симметричным, в случае, когда концентрации примесей различаются на порядки (N_D N_А), переход называется несимметричным. Выберемдля анализа симметричный переход, поскольку процессы в нем носят более общий характер.

Наконец, третье направление классификации связано с характером распределения концентраций примесей вблизи металлургической границы. Переход, в котором концентрации донорной примеси в n-области и акцеп-торной примеси в p-области распределены равномерно, а на металлургической границе резко (скачком) уменьшаются до нуля, называется резким переходом. В случае, когда концентрация одной из примесей вблизи металлургической границы изменяется плавно, переход называется плавным. Учет плавного распределения концентрации примеси существенно усложняет расчетные выражения, поэтому для анализа выберем резкий переход.

Таким образом, физические процессы будем анализировать на примере резкого симметричного гомоперехода.