Контакт полупроводник - полупроводник

Различают два вида контактов полупроводник-полупроводник: гомопереходы - контакты между двумя различными полупроводниками гетеропереходы - переходы, образуемые на границе раздела областей с разными типами проводимости в едином объеме полупроводника. К ним относятся p-n-переходы. По структуре p-n -переходы разделяются на резкие и плавные, симметричные и несимметричные.

Если концентрации примесей N_a и N_d меняются на границе скачкообразно, то p-n -переход будет резким. В случае если концентрация доноров и акцепторов в переходе изменяется плавно, т.е. существует градиент концентрации примесей в переходе, то переход называется плавным.

Если концентрация одной примеси больше другой, образуется несимметричный
p-n -переход, а в случае их равенства переход будет симметричным.

Если концентрация одной примеси превышает концентрацию другой на несколько порядков, то переход называют односторонним и обозначают n⁺–p, если N_d>>N_a и p⁺–n, если N_a>>N_d.

Рассмотрим процессы, происходящие на границе резкого симметричного
p–n-перехода. Обозначим концентрацию акцепторов N_a, а концентрацию доноров N_d. При нормальной температуре примеси полностью ионизированы, и концентрация электронов в n-области n_n=N_d, а концентрация дырок в р-области p_p=N_a.

Наряду с основными носителями n_n и p_p в обеих областях существуют также неосновные носители p_n и n_p, образующиеся за счет тепловой генерации, связанной с переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости. Концентрации таких носителей заряда можно определить из закона действующих масс:

где n_i-концентрации собственных носителей заряда.

Так как , т.е. зависит от ширины запрещенной зоны E_g и температуры T, то для данного полупроводника концентрация неосновных носителей определяется только температурой и сильно зависит от нее.

Поскольку концентрация дырок в р-области намного выше их концентрации в n –области, а концентрация электронов в n -области намного выше их концентрации в р-области, то в контактирующих областях полупроводника возникают диффузионные потоки электронов из n-области в p-область и дырок из p -области в n –область. Электроны, перешедшие из n-области в р-область, рекомбинируют вблизи границы раздела этих областей с дырками р-области, а дырки, перешедшие из р- в n-область, рекомбинируют здесь с электронами этой области. В результате в приконтактном слое n-области практически не остается свободных электронов, в то время как в приконтактном слое р-области практически не остается дырок. При этом в слое n-области остаются неcкомпенсированные неподвижные ионы доноров, а в приконтактном слое р-области -неподвижные отрицательные ионы акцепторов. Ширину образующегося слоя объемного пространственного заряда (ОПЗ) ионов доноров обозначим через d_n, а толщину соответствующего слоя ионов акцепторной примеси в р-области обозначим через d_р. Возникновение на границе раздела n- и р-областей внутреннего поля ОПЗ ведет к уменьшению потока основных носителей из одной области в другую. Однако оно является ускоряющим для неосновных носителей, которые вытягиваются этим полем из областей n и р (порядка диффузионной длины носителей Lp в n-области и Ln в р-области. Таким образом, через переход движутся два встречных потока: диффузионный поток, образованный основными носителями и дрейфовый поток, образованный неосновными носителями.

Динамическое равновесие устанавливается при равенстве этих потоков. Поток неосновных носителей заряда определяется только температурой, т.к. их концентрация зависит от T. Поток основных носителей заряда будет превосходить поток неосновных до тех пор, пока образующаяся контактная разность потенциалов V_k не сравняет разность работ выхода электронов из обеих областей и уровни Ферми не совпадут.

Контактная разность потенциалов на границе p-n-перехода определяется выражением

где n_n и p_p - концентрации основных носителей заряда в n- и p-областях соответственно;
d_n и d_p- ширина области объемного заряда по обеим сторонам раздела электронного и дырочного полупроводников соответственно. Если переход симметричный, т.е. d_n =d_p, то его ширина будет равна

Переход электронов из n-области в р-область требует затрат энергии на преодоление потенциального барьера qV_k. Эта работа переходит в потенциальную энергию электронов, поэтому все энергетические уровни в р-области подняты относительно уровней в n-области на величину –qV_k. При этом электроны из р-области,

Рис. 9. Энергетическая диаграмма р-n- перехода в равновесном состоянии: + - ионы донорной примеси, – - ионы акцепторной примеси

где они являются неосновными носителями, могут беспрепятственно переходить в n-область, а дырки из n-области в р-область.

Энергетическая диаграмма для равновесного состояния будет иметь вид, представленный на рис. 9.

В равновесном состоянии результирующий ток через переход равен нулю. При этом диффузионный ток основных носителей полностью скомпенсирован дрейфовым током неосновных носителей.

При подаче на переход внешнего напряжения V меняется ширина объемного заряда:

Здесь знак «+» соответствует подаче не переход обратного напряжения, знак «–»– прямого. Выражение имеет смысл при прямых напряжениях 0<V<V_k

В несимметричном p-n-переходе концентрация примесей в одной области много меньше, чем в другой. Поэтому, полагая, например, n_n0 <<p_p0, получаем

где N - концентрация примесей в слаболегированной области.

Рис. 10. Вольт-амперная характеристика р-n- перехода

Изменение ширины ОПЗ вызывает соответствующее изменение высоты потенциального барьера. При прямом смещении (отрицательный потенциал подан на n-область) барьер для основных носителей уменьшается на величину q(V_k-V) а при обратном увеличивается на величину q(V_k+V), в то время как поток неосновных носителей всегда остается неизменным. В результате вольт-амперная характеристика p-n перехода имеет вид, представленный на рис. 10.

Ток через переход описывается выражением

где p_n0 и n_p0- концентрации неосновных носителей на границах перехода; D_p и D_n L_p и L_n - соответственно коэффициенты диффузии и диффузионные длины неосновных дырок и электронов; S - площадь контакта (перехода).

При достаточно больших обратных напряжениях обратный ток через переход не зависит от приложенного напряжения и принимает постоянное значение

Обратный ток называется током насыщения или тепловым током. Поскольку он определяется концентрацией неосновных носителей, то его величина сильно возрастает при увеличении температуры.

Изменение толщины ОПЗ при изменении внешнего напряжения связано с изменением величины и размеров объемных зарядов ионов примесей в n- и р-областях. Следовательно, p-n переход ведет себя как конденсатор. Так как емкость такого конденсатора связана с изменением высоты потенциального барьера, ее называют барьерной. При обратном напряжении С_бар уменьшается, а при прямом - увеличивается.

Оценить величину барьерной емкости можно, пользуясь формулой для расчета емкости плоского конденсатора:

Тогда для симметричного p-n-перехода

а для несимметричного