РАЗНОВИДНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДОВ

 

1.4.1   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.

Рисунок 1.16 Упрощенная энергетическая диаграмма p-n гетероперехода в равновесном состоянии.

 

На рисунке 1.16 приведена упрощенная энергетическая диа­грамма n-p перехода между арсенидом галлия р-типа (DW_P = 1,5 эВ) и германием n-типа (DW_n = 0,67 эВ) в состоянии равновесия (U = 0). При контакте полупровод­ников происходит перераспределение носителей зарядов, приводящее к выравниванию уровней Ферми p- и n-областей и возникновению энергетического барьера для элек­тронов n-области q×U_kn и. для дырок p-области q×U_кp, при­чем U_кn > U_кp.

Рисунок 1.17 Упрощенная энергетическая диаграмма p-n гетероперехода, включенного в прямом состоянии.

 

В состоянии равновесия ток через n-p переход равен нулю. 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).

 

1.4.2 Контакт между полупроводниками одного типа электропроводности

 

Контакт полупроводников с одним типом электропро­водности, но с разной концентрацией примесей обознача­ют р⁺-р или п⁺-п (знаком "плюс" отмечается полупро­водник с большей концентрацией примесей). В таких кон­тактах носители из области с большей концентрацией при­меси переходят в область с меньшей концентрацией. При этом в области с повышенной концентрацией нарушается компенсация зарядов ионизированных атомов примеси, а в другой области создается избыток основных носителей зарядов. Образование этих зарядов приводит к появлению на переходе собственного электрического поля и кон­тактной разности потенциалов, определяемой следующи­ми соотношениями: для p⁺-р перехода

;

для n⁺-n перехода     .

В этих переходах не образуется слой с малой концентра­цией носителей зарядов, и их сопротивление определяет­ся в основном сопротивлением низкоомной области. По­этому при прохождении тока непосредственно на контак­те падает небольшое напряжение и выпрямительные свойст­ва этих переходов не проявляются. В p⁺-p и n⁺-n- переходах отсутствует инжекция неосновных носителей из низкоомной области в высокоомную. Если, например, к переходу   n⁺-n подключен источник тока плюсом к n-области, а минусом к n⁺-области, то из n⁺-области в n-область будут переходить электроны, являющиеся в ней основ­ными носителями зарядов. При изменении полярности внешнего напряжения из n⁺-области в n-область должны инжектироваться дырки, однако их концентрация мала, и этого явления не происходит. Переходы типа p⁺-p и n⁺-n возникают при изготовле­нии омических контактов к полупроводникам.

Рисунок 1.18 Энергетическая диаграмма p-i перехода.

 

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.

 

1.4.3 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.

 

1.4.4 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.

 

1.4.5 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.

Рис. 1.20 Образование обедненного слоя на поверхности полупроводника n-типа.

Рис. 1.21 Изменение типа электропроводимости на поверхности полупроводника n-типа.

 

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.