ВАХ перехода металл-полупроводник

ВОПРОС 1

С каждой движущейся массой вещества связан волновой процесс, а длина волны определяется соотношением

; где n – постоянная Планка, m – масса тела, v – скорость движения.

Это соотношения называется «постулат Луи де Бройля»

 

Электрон может двигаться только по такой орбите, вдоль которой укладывается целое число его волн. Остальные орбиты для электрона запрещены.

В изолированном атоме с одним электроном скорость движения электрона по разрешенной орбите устанавливается такой, при которой центробежная сила уравновешивает силу притяжения «-» электрона к «+» ядру.

Каждой разрешенной орбите соответствует своя скорость и кинетическая энергия электрона.

Двигаясь по разрешенной орбите электрон не расходует энергию.

Электрон может переходить с одной разрешенной орбиты на другую.

Полная энергия электронов называется энергетическим состоянием атомов. Каждой разрешенной орбите соответствует свое энергетическое состояние, которое на диаграмме представляется в виде энергетического уровня.

Электрон-вольт – энергия, которую приобретает электрон, разгоняясь в электрическом поле с разностью потенциалов 1В.

 

С увеличением номера орбиты абсолютное значение энергии уменьшается, то есть энергетический уровень возрастает (так как энергия связи в атоме отрицательна)

 

Величину n называют главным квантовым числом и используют для описания дискретных свойств микромира

 

Разрешенный энергетический уровень, характеризуемый главным квантовым числом n расщепляется на ряд близкорасположенных подуровней. Взаимодействие атомов в решетке приводит к тому, что их энергетические уровни расщепляются на большое количество почти слившихся подуровней, образующих энергетические зоны.

Энергетические зоны могут быть разрешенными и запрещенными.

РИСУНОК 2 – расщепление энергетических уровней атомов, связанных в кристаллической решетке

Всегда существует некоторая не равная нулю вероятность того, что энергия электрона совпадает с подуровнем одной из разрешенных энергетических зон. Вероятность пребывания электрона в запрещенной зоне равна нулю.

принцип Паули: На любом энергетическом уровне одновременно может находиться не более двух электронов, отличающихся моментами импульса или спинами.

 

В силу принципа минимизации энергии системы электроны стремятся занять низшие энергетические уровни, излучив кванты избыточной энергии. В результате электроны не скапливаются на отдельных энерг уровнях, а равномерно заполняют разрешенные энергетические зоны, начиная с нижних. Верхнюю из заполненных энергетических зон принято называть валентной, так как ее электроны способны взаимодействовать с соседними атомами, обеспечивая молекулярные связи. Разрешенные энергетические зоны, располагающиеся ниже валентной, всегда полностью заполнены электронами. Валентная зона может быть заполнена полностью или частично. Все кристаллы с неполностью заполненной валентной зоной являются проводниками электрического тока. Кристаллы, у которых валентная зона заполнена электронами полностью, а в следующей по порядку более высокой энергетической зоне электронов нет, - неэлектропроводник и представляет собой идеальный изолятор.

Проводящие свойства кристалла зависят от ширины запрещенной зоны, разделяющей валентную зону и зону проводимости

 

а) проводник; б) полупроводник; в) изолятор

1 – зона проводимости; 2 – валентная зона; 3 – запрещенная зона

Сопротивление полупроводников уменьшается с ростом температуры

Если удельное сопротивление

- проводники

- изоляторы

- полупроводники

 

 

ВОПРОС 2

В следствие малой ширины запрещенной зоны полупроводника тепловые колебания атомов способны сообщить валентным электронам энергию, достаточную для перехода из заполненной валентной зоны в свободную зону проводимости. Каждый такой переход приводит к возникновению пары носителей заряда: свободного электрона в зоне проводимости и свободного энергетического состояния (дырки) в валентной зоне.

Генерация пар свободных зарядов делает кристалл способным проводить электрический ток. Электропроводность такого кристалла называется собственной.

 

 

ВОПРОС 5

Изолированный кристалл n-типа электрически нейтрален. Сумма положительных и отрицательных зарядов в нем равна нулю. Также электрически нейтрален кристалл p-типа

 

а) б) в)

Рисунок 10

Сразу после соприкосновения кристаллов начнется диффузия дырок из p-области в n-область и диффузия электронов в обратном направлении. Встречаясь, электроны и дырки рекомбинируют, при этом вблизи граничной области образуется 2 слоя.

p-область приобретает нескомпенсированный отрицательный заряд, то есть слой отрицательных ионов;

n-область приобретает нескомпенсированный положительный заряд. Между двумя разноименно заряженными слоями возникает электрическое поле, называемое запирающим.

Напряженность этого поля препятствует диффузии дырок и электронов (диффузионному току).

 

При некотором значении напряженности диффузионный ток прекратится. Этому значению напряженности соответствует определенная контактная разность потенциалов и определенная ширина слоя, в котором рекомбинировали подвижные носители зарядов.

 

В кристалле существуют еще и неосновные носители заряда. Под действием напряженности поля они начнут дрейфовать навстречу диффундирующим зарядам, возникает дрейфовый ток, направленный навстречу диффузионному току.

 

Рисунок 12 – ВАХ p-n перехода

1 – прямая ветвь; 2 – обратная ветвь при лавинном пробое; 3 – обратная ветвь при тепловом пробое; 4 – обратная ветвь при туннельном пробое.

 

Прямую и обратную ветви ВАХ изображают в различном масштабе, поскольку в нормальном режиме работы p-n перехода обратный ток на несколько порядков меньше прямого тока. При достижении обратным напряжением некоторой критической величины (Uпроб) происходит резкое уменьшение сопротивления p-n перехода. Это явление называют пробоем p-n перехода, а соответствующее ему напряжение – напряжением пробоя. Различают электрический и тепловой пробои. В свою очередь, электрический пробой бывает лавинным и туннельным. Если при движении через p-n переход под действием электрического поля неосновные носители заряда приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов полупроводника, то в переходе начинается лавинообразное размножение носителей зарядов, что приводит к резкому увеличению обратного тока через переход при почти неизменном обратном напряжении (кривая 2). Это лавинный пробой. Другой вид пробой – туннельный. Он возникает при большой напряженности электрического поля в тонком p-n переходе между высоколегированными полупроводниками в результате тунеллирования электронов из валентной зоны p-слоя в зону проводимости n-слоя. Если температура p-n перехода возрастает в результате его нагрева обратным током и недостаточно теплоотвода, то усиливается процесс генерации пар носителей заряда. Это приводит к дальнейшему нагреву p-n перехода и увеличению обратного тока, что может вызвать разрушение p-n перехода. Тако процесс называют тепловым пробоем.

 

ВОПРОС 7

 

Рисунок 11

 

Обозначим через собственную контактную разность потенциалов объединенного слоя. Если к p-n переходу подключить источник ЭДС, на клеммах которого будет напряжение U, то разность потенциалов на границах контактного слоя изменится. Включение p-n перехода в электрическую цепь, когда «+» источника присоединяется к p-области, а «-» к n-области называется прямым. Разность потенциалов контактного слоя в этом случае обозначается . Включение, при котором к p-области присоединяется «-» источника тока, а к n-области – «+» источника, называется обратным. Соответствующая разность потенциалов -

;

При прямом включении p-n перехода потенциальный барьер уменьшается, что приводит к увеличению диффузионного тока и уменьшению встречного дрейфового тока. Результирующий ток называется прямым, он совпадает с диффузионным.

 

При обратном включении p-n перехода потенциальный барьер увеличивается, что приводит к уменьшению диффузионного тока и увеличению дрейфового тока. Результирующий ток называется обратным и совпадает с дрейфовым током.

 

Таким образом, p-n переход, включенный в прямом направлении, пропускает электрический ток, а в обратном – не пропускает.

ВОПРОС 6

Рисунок 12 – ВАХ p-n перехода

1 – прямая ветвь; 2 – обратная ветвь при лавинном пробое; 3 – обратная ветвь при тепловом пробое; 4 – обратная ветвь при туннельном пробое.

 

Прямую и обратную ветви ВАХ изображают в различном масштабе, поскольку в нормальном режиме работы p-n перехода обратный ток на несколько порядков меньше прямого тока. При достижении обратным напряжением некоторой критической величины (Uпроб) происходит резкое уменьшение сопротивления p-n перехода. Это явление называют пробоем p-n перехода, а соответствующее ему напряжение – напряжением пробоя. Различают электрический и тепловой пробои. В свою очередь, электрический пробой бывает лавинным и туннельным.

Туннельный пробой возникает при большой напряженности электрического поля в тонком p-n переходе между высоколегированными полупроводниками в результате тунеллирования электронов из валентной зоны p-слоя в зону проводимости n-слоя. Для электрического пробоя характерна обратимость, заключающаяся в том, что первоначальные свойства p-n перехода полностью восстанавливаются, если отключить источник ЭДС от перехода. Благодаря этому оба вида пробоя используются в качестве рабочих режимов в полупроводниковых диодах.

Эффект прохождения электрона сквозь узкий потенциальный барьер называют туннельным эффектом. Для преодоления потенциального барьера валентные электроны должны получить энергию извне. Однако, как известно из курса физики, электроны могут просочиться сквозь узкий потенциальный барьер даже тогда, когда их энергия меньше высоты потенциального барьера. При тунеллировании электрон должен оставаться на одном и том же энергетическом уровне

 

ВОПРОС 8

 

В современных полупроводниковых приборах применяются также контакты между металлами и полупроводниками. Процессы в таких переходах зависят от работы выхода электронов, то есть от той энергии, которую должен затратить электрон, чтобы выйти из металла или полупроводника. Чем меньше работа выход, тем больше электронов может выйти из данного тела

Рисунок 17 – Контакт металла (М) с полупроводником

Если в контакте металла с полупроводником n-типа (рис 17а) работа выхода электронов из металла Ам меньше, чем работа выхода из полупроводника, то будет преобладать выход электронов и металла. Поэтому в слове полупроводника около границы накапливаются основные носители (электроны) и этот слой становится обогащенным. Сопротивление этого слоя будет малым при любой полярности приложенного напряжения. Такой переход не обладает выпрямляющими свойствами. Его называют невыпрямляющим (омическим) контактом.

Подобный же невыпрямляющий переход получается в контакте металла с полупроводником p-типа (рис 17б). если работа выхода электронов из полупроводника меньше чем у металла.

Иные свойства имеет переход как на рисунке 17в. В этом случае электроны будут переходить главным образом из полупроводника в металл и в приграничном слое полупроводника образуется область, обедненная основными носителями и потому имеющая большое сопротивление. Здесь создается сравнительно высокий потенциальный барьер, высота которого будет существенно изменяться в зависимости от полярности приложенного напряжения. Такой переход обладает выпрямительными свойствами. Этот потенциальный барьер называется барьер Шотки, а полупроводниковые диоды называются диодами Шотки. В диодах Шотки отсутствуют процессы накопления и рассасывания зарядов. Поэтому диоды обладают значительно более высоким быстродействием по сравнения с обычными p-n переходами. Аналогичные выпрямляющие свойства имеет контакт металла с полупроводником p-типа при Ам < Ап.

 

ВОПРОС 11

 

Рис 20 эквивалентная схема p-n перехода

-емкость перехода; - сопротивление (прямое или обратное) перехода; - объемное сопротивление областей, примыкающих к обеим сторонам объединенного слоя

 

В p-n переходе есть Rо – сопротивление постоянному току, и Rдиф – сопротивление переменному току

 

Дифференцирование уравнения (1) с учетом формулы (2) дает простое соотношение для расчета дифференциального сопротивления в заданной точке ВАХ:

ВОПРОС 9

Рисунок 12 – ВАХ p-n перехода

1 – прямая ветвь; 2 – обратная ветвь при лавинном пробое; 3 – обратная ветвь при тепловом пробое; 4 – обратная ветвь при туннельном пробое.

 

Зависимость тока через p-n переход от величины напряжения называется его ВАХ. При расчете ВАХ предполагается, что электрическое поле вне объединенного слоя отсутствует. ВАХ p-n перехода описывается выражением

Где I – ток, текущий через p-n переход; q – заряд электрона; Uвн – напряжение, приложенное к p-n переходу; k – постоянная Больцмана; T – температура по Кельвину; Io – обратный ток (ток насыщения)

 

Выражение (1) принято называть уравнением Эберса-Молла. Это уравнение представляет наиболее общий вид теорет. ВАХ p-n перехода и является основой для любых других более точных описаний физических процессов в переходе. Для прямого напряжения можно пренебречь 1 по сравнению с экспотенциальной составляющей

При обратном напряжении порядка 0,1 – 0,2В экспотенциальное выражение в выражении (1) много меньше единицы:

На практике ток прямой много меньше тока прямого теоретического

ВАХ перехода металл-полупроводник

Расчет транспортных процессов носителей заряда в структуре металл-полупроводник, исходящий из представления термоэлектронной эмиссии с поверхности полупроводника и собирания термоэлектронов поверхностью металла дает следующее выражение для ВАХ:

Где , где А – коэффициент, зависящий от свойств материала;

- контактная разность потенциалов; U – напряжение, приложенное к переходу металл-полупроводник

 

 

ВОПРОС 10

Объединенный слой имеет свою ширину L. При нарушении условия равновесия границы объединенного слоя не остаются постоянными.

Возрастание обратного напряжения уменьшает число основных носителей в области объемного заряда, в результате объединенный слой расширяется. Возрастание прямого напряжения вызывает рост инжекции в область объемного заряда, увеличивается число подвижных носителей, ширина объединенного слоя уменьшается.

Диффузионное введение при снижении высоты энергетического барьера носителей заряда через переход из областей, где они были основными в области, где они становятся неосновными, называется инжекцией носителей заряда.

Инжекция носителей изменяет распределение концентрации подвижных носителей в объединенном слое и вблизи его границ. Это измененное распределение концентрации носителей заряда принято считать неравновесной концентрацией, обозначая:

Pn – для дырок; Np – для электронов.

Процесс выведения подвижных носителей заряда из областей полупроводника, где они являются неосновными, под действием ускоряющего поля p-n перехода, созданного обратным напряжением, называется экстракцией.

Расчеты показывают, что ширина объединенного слоя может быть определена следующим соотношением:

 

 

Где - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала;

- электрическая постоянная; Nак – концентрация акцепторной примеси в переходе; Nдон – концентрация донорной примеси в переходе; «+» соответствует обратному включению; «-» соответствует прямому включению электронно-дырочного перехода

 

ВОПРОС 12

Ток или напряжение, подводимые к p-n переходу, могут изменяться во времени по величине или по знаку через очень короткие интервалы времени. В реальном p-n переходе эти изменения не могут произойти мгновенно из-за инерционности процессов перезаряда емкости p-n перехода. Поэтому стационарное значение тока или напряжения устанавливается в течение некоторого промежутка времени. Переходные процессы сильно зависят от числа инжекторов носителей. Если уровень инжекции невелик, то основное влияние на время установления (tуст) сопротивления прямо включенного перехода и время восстановления сопротивления (tвосст) обратно включенного перехода оказывает процесс перезаряда барьерной емкости перехода

При высоких уровнях инжекции накопление и рассеивание инжектированных носителей определяет время переключения p-n перехода

 

рис 21 переходные процессы в реальном p-n переходе

время установления сопротивления прямо включенного перехода определяется инжекцией носителей по обе стороны объединенного слоя и их диффузионным перемещением в области проводника, примыкающие к этому слою, уменьшающих объемное сопротивление областей до стационарного значения.

Коммутация p-n перехода из прямо включенного в обратно включенное состояние сопровождается резким увеличением обратного тока за счет интенсивного рассеивания неравновесных носителей в объединенном слое p-n перехода с последующим экспоненциальным уменьшением этого тока до стационарного значения теплового тока Io. Время восстановления определяется по формуле:

 

Плотность заряда переключения определяется концентрацией инжектированных носителей в области полупроводника и геометрией всей полупроводниковой структуры.

 

Для плоскопараллельной конструкции:

 

Где - плотность тока переключения; q – заряд электрона; - неравновесные концентрации неосновных носителей инжектированных соответственно в p и n области; W – протяженность всей полупроводниковой структуры, расположенной между внешними электродами; - скорость рассеивания носителей, определяемая процессами дрейфа носителей через переход и из рекомбинацией

 

 

С учетом (13), (14), (15) соотношение (12) примет вид:

 

Для уменьшения tвосст необходимо уменьшить объем полупроводниковой структуры и увеличивать скорость рекомбинации неравновесных носителей. Последнее достигается созданием ловушечных центров рекомбинации, возникающих при введении в исследуемый материал нейтральных примесей (чаще всего золота)

ВОПРОС 13

полупроводниковым диодом называют прибор с одним или несколькими элект. переходами и двумя внешними выводами. Диоды классифицируются по их назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, конструктивно-технологическими особенностями, виду исходного полупроводника.

 

По назначению различают следующие виды диодов: выпрямительные, детекторные, смесительные, модуляторные, умножительные, универсальные.

 

Существуют и другие классификационные признаки:

1) по частоте (высокочастотные, диоды, диоды СВЧ)

2) для работы в импульсном режиме (импульсные)

3) по виду ВАХ (диоды с N-образной или S-образной характеристикой, или диоды с отрицательным сопротивлением)

В зависимости от соотношения между шириной объединенного слоя перехода и периметром, диоды подразделяются на: точечные, микросплавные и плоскостные.

 

Одним из распространенных способов получения p-n перехода является вплавление. Очень широко используется вплавление индия, являющегося акцептором для германия; алюминия в кристалл кремния n-типа; вплавление фосфора или сурьмы в кремний p-типа

 

 

Рис 22 методы получения p-n переходов

а) сплавной; б) мезаструктура; в) точечный; г) планарный

электронно-дырочный переход можно получить, осуществляя диффузию примеси в исходную пластину полупроводника p- или n-типа. Уменьшение емкости p-n перехода осуществляется химическим путем: стравливается часть кристалла с одной стороны и получается мезаструктура. Малую емкость p-n перехода имеют также точечные диоды. Для изготовления такого перехода, электролитически заостренная металлическая игла приваривается к кристаллу полупроводника импульсом тока до 1А (метод формовки). Современным методом создания полупроводниковых приборов из кремния является планарная технология, основу которой составляет метод фотолитографии

 

рис 23 последовательность операций планарной технологии