Политех в Сети

Сайт для Учебы

4.2.ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Рейтинг пользователей: / 0
ХудшийЛучший 

Полупроводниковые приборы изготавливают на основе электронно-дырочных переходов. Электронно-дырочный переход представляет собой переходный слой между областями полупроводников с различными типами проводимости. Свойства перехода определяются соотношением доноров и акцепторов, их распределением по объемам и областей и геометрией этих областей. Такой переход не может быть создан путем простого соприкосновения двух полупроводниковых кристаллов с разными типами электропроводности. Необходимо создать между областями и металлургическую границу. Электронно-дырочные переходы создаются с помощью определенных технологических процессов либо выращиванием в специальной газовой среде, либо сплавлением материалов различной проводимости. При создании сплавных переходов вплавляют, например, трехвалентный индий в монокристалл кремния с проводимостью. При этом атомы индия диффундируют в кристаллическую решетку кремния и создают там область с - проводимостью.

В сплавных переходах изменение концентрации от проводимости - типа к проводимости Типа происходит на расстоянии порядка 0,1 мкм. Это расстояние составляет ширину металлургической границы. Будем понимать под металлургической границей поверхность в полупроводниках, на которой концентрация доноров в - области равна концентрации акцепторов в - области. Если концентрация доноров в - области равна концентрации акцепторов в - области, то переход называется симметричным. Чаще используют несимметричные переходы, для которых . Если концентрации примесей различаются на порядок, то переход называется односторонним.

Из-за градиента концентраций носителей возникает их диффузионное движение. Дырки движутся из - области в - область, а электроны из -области в -область. Диффузия сопровождается перераспределением зарядов в узком слое шириной вблизи металлургической границы. Этот узкий слой и представляет собой - переход (рис. 3.2). В результате часть -области оказывается положительной по отношению к - области, а часть - области – отрицательной по отношению к - области. На рисунке показаны только примесные атомы, то есть акцепторные атомы справа и донорные атомы слева. В приконтактных слоях - области остается некомпенсированный положительный заряд неподвижных ионов донорных примесей, возникающий вследствие диффузии электронов в - область Точно также в - области остаются некомпенсированными отрицательные заряды неподвижных ионов акцепторных примесей. Этот двойной слой неподвижных электрических зарядов создает электрическое поле . Направление напряженности электрического поля и распределение потенциала в области - перехода показано на рис. 4.2 и 4.3.

описание: 3

Рис. 4.2. Электронно-дырочный переход

Высота потенциального барьера в области - перехода определяется как контактная разность электростатических потенциалов в и -слоях:

. (4.6)

описание: 3



Рис. 4.3. Распределение потенциала в области перехода

Вектор напряженности электрического поля направлен так, что поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей. Вместе с тем под действием этого поля возникает дрейфовое движение неосновных носителей зарядов – дырок из - области в - область и электронов из - области в - область. Дрейфовое движение носителей зарядов порождает дрейфовый ток. Таким образом, через-переход протекает два тока – диффузионный ток За счет основных носителей и дрейфовый ток (ток проводимости) За счет неосновных носителей. Электронно-дырочный переход в целом нейтрален, поскольку положительный заряд слева от металлургической границы равен отрицательному заряду справа от нее. Высота потенциального барьера всегда автоматически устанавливается именно такой, при которой наступает динамическое равновесие на переходе и суммарный ток через переход равен нулю:

. (4.7)

На рис.4.4 показано распределение концентрации носителей в переходе. В качестве примера взяты концентрации, характерные для германия. В полупроводнике Типа концентрации основных и неосновных носителей составляют соответственно и , а в полупроводнике Типа концентрация примесей меньше и поэтому и .

описание: 3

Рис.4.4. Распределение концентрации носителей в германиевом Переходе

Как видно из рисунка в переходе концентрация электронов плавно меняется от до , а концентрация дырок от до . В результате этого в средней части перехода получается «обедненный» слой с малой концентрацией носителей. Например, на самой границе концентрация электронов составляет , то есть она в 10000 раз меньше, чем в области , а концентрация дырок равна и она тоже в 10000 раз меньше, чем в области . Соответственно и удельная электрическая проводимость перехода будет во много раз меньше, чем у остальных областей полупроводников. Таким образом, в переходе получается запирающий слой, обладающий большим сопротивлением по сравнению с сопротивлением остальных областей и полупроводников

Рассмотрим физические процессы в электронно-дырочном переходе при подключении к областям и внешнего источника постоянного напряжения . Подсоединим источник напряжения минусом к -области, а плюсом к -области. Поскольку сопротивление обедненного слоя намного больше сопротивлений и -областей, то все внешнее напряжение оказывается приложенным непосредственно к переходу. При этом высота потенциального барьера на переходе уменьшается до величины (рис.4.3). Напряжение, уменьшающее высоту потенциального барьера, называется прямым. Напряженность электрического поля в переходе и ширина обедненного слоя уменьшаются. При этом равновесное состояние перехода нарушается диффузионным движением электронов из - области в -область и дырок из -области в обратном направлении. Для одностороннего перехода . Поэтому диффузионное движение электронов из -области в -область значительно интенсивнее, чем дырок в обратном направлении. Вследствие этого у границ обедненного слоя повышается концентрация неосновных носителей: электронов в -области и дырок в -области. Эти концентрации являются неравновесными и равны для электронов в - области и Для дырок в -области. Так как в И -областях возникают градиенты концентраций дырок и электронов, то дырки диффундируют от границы перехода в в -область, постепенно рекомбинируя с электронами, а электроны диффундируют в -область, постепенно рекомбинируя с дырками. В результате концентрация неосновных носителей экспоненциально уменьшается до равновесных концентраций у внешних границ и -областей. Связь между неравновесными и равновесными концентрациями определяется следующими соотношениями:

, (4.8)

, (4.9)

Избыточные граничные концентрации равны:

, (4.10)

. ( 4.11)

Таким образом, при прямых напряжениях на переходе граничные концентрации превышают равновесные и имеет место процесс, называемый инжекцией, которая сопровождается введением носителей в области полупроводника, где они являются неосновными. У несимметричных переходов инжектирующий слой обладает меньшим удельным сопротивлением и называется эмиттер. Слой с большим удельным сопротивлением называется базой.

Если поменять направление полярности внешнего источника, то высота потенциального барьера возрастает до величины (рис.4.3). Напряжение при этом называется обратным. При обратном напряжении ширина обедненного слоя увеличивается и через переход будет протекать небольшой ток неосновных носителей. Дырки из -области и электроны из -области диффундируют к границам перехода, электрическое поле которого является для них ускоряющим. При этом граничные концентрации неосновных носителей уменьшаются по сравнению с равновесными концентрациями. Этот процесс называется экстракцией. Формулы для избыточных концентраций справедливы и в этом режиме, только напряжение в них будет со знаком минус. При этом избыточные концентрации отрицательны и по модулю не превышают равновесных концентраций.

Сопротивление перехода при обратном напряжении велико. Дрейфовый ток неосновных носителей из-за большого значения напряженности поля на - переходе практически не зависит от величины обратного напряжения. Поэтому его принимают равным току насыщения перехода , то есть предельному значению тока через переход в обратном направлении. Этот ток называется еще тепловым током, так как он сильно зависит от температуры. При увеличении температуры на 10 градусов значение этого тока удваивается.