Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Шпоры по ТТЭ - файл ГЛАВА 3.doc


Загрузка...
Шпоры по ТТЭ
скачать (3670.4 kb.)

Доступные файлы (14):

ГЛАВА 10.doc3655kb.15.01.2005 00:00скачать
ГЛАВА 12.doc4472kb.15.01.2005 00:09скачать
ГЛАВА 14.doc1723kb.15.01.2005 00:31скачать
ГЛАВА 16.doc489kb.15.01.2005 00:52скачать
ГЛАВА 18.doc2195kb.15.01.2005 01:20скачать
ГЛАВА 1.doc41kb.13.01.2005 18:16скачать
ГЛАВА 20.doc492kb.15.01.2005 01:44скачать
ГЛАВА 2.doc718kb.13.01.2005 19:41скачать
ГЛАВА 3.doc7420kb.13.01.2005 22:41скачать
ГЛАВА 4.doc233kb.13.01.2005 23:04скачать
ГЛАВА 5 .doc6394kb.14.01.2005 14:44скачать
ГЛАВА 6.doc476kb.14.01.2005 14:59скачать
ГЛАВА 7.doc804kb.14.01.2005 23:05скачать
ГЛАВА 8.doc1338kb.14.01.2005 23:12скачать

ГЛАВА 3.doc

  1   2   3   4   5
Реклама MarketGid:
Загрузка...

ГЛАВА 3

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ

3.1. Электрические переходы


Электрическим переходом называют переходный слой между областями твердого тела с различными типами электропроводности (n-полупроводник, р-полупроводник, металл, диэлектрик) или обла­стей с одинаковым типом электропроводности, но с различными значениями удельной проводимости. Чаще всего используется электрический переход между полупроводниками n- и р-типа, назы­ваемый эпектронно-дырочным переходом или р-n-переходом. Пе­реходами с одинаковым типом электропроводности являются элект­ронно-электронные () и дырочно-дырочные () переходы. Знак «+» отмечает область с большей концентрацией примеси: в первом случае доноров, во втором акцепторов. Широкое примене­ние получили переходы металл-полупроводник (МП).

Электрические переходы могут создаваться как на основе полу­проводников с одинаковой шириной запрещенной зоны, т.е. одина­ковых материалов (гомопереходы), так и с различными значениями ширины (гетеропереходы). Заметим, что предельным случаем гетероперехода является контакт металл-полупроводник (у металла нет запрещенной зоны).

^

3.2. Электронно-дырочный переход в равновесном состоянии



3.2.1. Структура p-n-перехода

Структурой любого полупроводникового прибора принято назы­вать последовательность расположения областей с различными электрофизическими свойствами. Как правило, она отражается в на­звании (обозначении) типа перехода. Структура р-n-перехода показана на рис. 3.1,а. Практически пере­ход получается односторонней диф­фузией акцепторов в полупроводник n-типа с равномерным распределени­ем доноров (рис. 3.1,б), в результате чего концентрация акцепторов убывает от сечения =0, где про­изводилась диффузия. Плоскость с координатой, где , называется металлургической границей, на ней эффективная кон­центрация примеси (рис. 3.1,в). При преобла­дает влияние акцепторов, при – влияние доноров. Полупро­водники с двумя типами примеси называют компенсированными.

Для удобства рассмотрения вместо эффективной концентра­ции акцепторного типа мы будем писать , а вместо эффектив­ной концентрации донорного типа – и говорить просто об акце­пторах и донорах.

Распределение концентраций примесей в простейшем случае показано на рис. 3.2. Технология получения реальных р-n-переходов в полупроводниковых приборах будет изучаться в разделе кур­са по микроэлектронике. Здесь же мы рассмотрим идеализирован­ный случай, чтобы не усложнять картину излишними подробностя­ми. Для этого будем считать, что р-n-переход создается как бы в результате механического контакта однородного р-полупроводника ( не зависит от координаты) с однородным n-полупроводником ( не зависит от координаты), как показано на рис. 3.2. Из-за скачкообразного перехода от к в сечении такой переход считается резким. Если >> (или >>), то переход считает­ся резким и несимметричным. При = переход считается рез­ким и симметричным.
3.2.2. Образование p-n-перехода

Рассмотрим процесс образования p-n-перехода при контакте p- и n-полупроводников.

1. В исходном состоянии (до контакта) p- и n-полупроводники бы­ли электрически нейтральными (см. § 2.1.3): заряд основных носите­лей в каждом полупроводнике компенсировался зарядом ионов при­меси и неосновных носителей.

2. Концентрация основных и неосновных носителей в р-полупроводнике и , а в n-полупроводнике и (см. формулы (2.19) и (2.21)). Поэтому при контакте появля­ется градиент концентрации дырок () и электронов ().

3. Градиент концентрации вызовет диффузионное движение ды­рок из приконтактного слоя р-полупроводника в n-полупроводник, а градиент концентрации электронов – диффузионное движение электронов из приконтактной области n-полупроводника в р-полу-проводник (рис. 3.3,а).

4. Уход основных носителей приводит к нарушению электричес­кой нейтральности в приконтактных областях вблизи плоскости : в р-полупроводнике окажется нескомпенсированный отрицательный заряд неподвижных акцепторных ионов (обозначены знаком «ми­нус» в квадратной рамке), а в n-полупроводнике – нескомпенсиро­ванный положительный заряд неподвижных донорных ионов (обоз­начены знаком «плюс» в квадратной рамке).

Кроме того, носители, перешедшие в другой полупроводник, должны рекомбинировать с основными носителями этого полу­проводника. Гибель основных носителей при рекомбинации также приведет к нарушению электрической нейтральности и увеличе­нию нескомпенсированных зарядов ионов слева и справа от плос­кости контакта.

Итак, вблизи плоскости контакта образуется двойной электриче­ский слой, а следовательно, появляется напряженность электричес­кого поля Е (рис. 3.3,б).

5. Появившееся электрическое поле является тормозящим (соз­дает потенциальный барьер) для диффундирующих через контакт основных носителей каждого полупроводника. Поэтому по мере рос­та поля, создающего потенциальный барьер, его смогут преодоле­вать только те основные носители, которые имеют достаточную энергию (больше высоты барьера).

Таким образом, будет происходить уменьшение диффузионных потоков основных носителей по сравнению с начальным.

6. Однако появившееся электрическое поле Е является ускоря­ющим для неосновных носителей каждого полупроводника (отсутст­вие барьера). Под действием ускоряющего поля должны появиться дрейфовые потоки неосновных носителей: электронов из р-области в n-область и дырок из n-области в р-область (на рис. 3.3,в показаны штриховыми линиями).

7. Начавшийся рост электрического поля в переходе, а следова­тельно, уменьшение диффузионных потоков и рост дрейфовых по­токов будут происходить до тех пор, пока при некотором значении напряженности поля не наступит равновесие: диффузионный по­ток дырок из р-области сравняется со встречным дрейфовым пото­ком дырок из n-области, а диффузионный поток электронов из n-об­ласти уравновесится встречным дрейфовым потоком электронов из р-области. Это равновесное значение на­пряженности электрического поля Ек соот­ветствует разности потенциалов кото­рую называют контактной разностью потенциалов или диффузионным потен­циалом (рис. 3.3.г).

Образовавшаяся переходная об­ласть вблизи плоскости контакта, в которой нескомпенсирован­ные заряды ионов создают поле и которая из-за ухода и реком­бинации бедна подвижными носителями заряда, называется р-п-переходом или обедненным слоем.

На рис. 3.4 показано распределение концентраций подвижных основных и неосновных носителей в р-n-структуре. Знаками «–» и «+» в квадратных рамках показано нахождение в переходе ионов ак­цепторов и доноров, а индексом «0» указывается равновесное зна­чение концентрации.

Полупроводники до образования контакта были электрически нейтральными, поэтому вся структура после контакта должна оста­ваться нейтральной. Так как области вне обедненного слоя оста­лись нейтральными, то обедненный слой в целом должен быть элек­трически нейтральным. А это возможно, если отрицательный заряд ионов акцепторов в слое по величине равен положительному за­ряду ионов доноров в слое :

(3.1)

Обозначим (см. рис. 3.4) толщину обедненного слоя , а его части в р- и n-полупроводнике , . Тогда при площади сечения S

(3.2)

При этом считаем, что все атомы примесей ионизированы. Из (3.1) и (3.2) следует

(3.3)

Таким образом, протяженность частей обедненного слоя обратно пропорциональна концентрации примесей. Это естественно, так как при меньшей концентрации примеси (например, ) требуется боль­шой объем (), чтобы «набрать» тот же заряд, необходимый для сохранения условия электронейтральности (3.1). Если переход рез­кий и несимметричный (>>), то из (3.3) : обедненный слой располагается в основном в полупроводнике с меньшей концентра­цией примеси, обычно называемой базовой областью (на рис. 3.4 базовой является n-область).
^ 3.2.3. Энергетическая диаграмма p-n-перехода в состоянии равновесия. Формула для контактной разности потенциалов

В исходном состоянии полупроводников (до контакта) границы зон проводимости и валентной зоны совпадали, как показано на рис. 3.5,а, а уровни Ферми – нет. Уровень Ферми в р-полупроводнике находится ближе к валентной зоне, а уровень Ферми в n-полупроводнике – ближе к зоне проводимости в соответствии с формулами (2.28) и (2.27). Но удобнее воспользоваться формулой (2.9), подставляя для р-полупроводника , а для n-полупроводника , тогда

(3.4)

Когда после контакта полупроводников в структуре установится состояние равновесия, уровень Ферми во всех ее точках должен быть одинаковым. Это может быть только в том случае, когда энер­гетические диаграммы, изображенные на рис. 3.5,а, сместятся отно­сительно друг друга на ,которая с учетом (3.4) и (2.12) запишется в виде

(3.5)

Искривление границ зон на величину и отражает наличие контактной разности потенциалов, которая определяется из (3.5) де­лением на заряд электрона:

(3.6)

где величина

(3.7)

называется температурным или тепловым потенциалом (2.53а).

С учетом приближений (2.19) и (2.21) формула (3.6) приводит­ся к виду

(3.8)

Используя связь концентрации носителей (2.13): и , можно получить еще формулу:

(3.9)

Последняя формула имеет наглядный физический смысл, так как показывает, что контактная разность потенциалов определяется отношением концентрации носителей с одним знаком заряда: основных в одной области структуры и неосновных – в другой. Результат не зависит от выбора знака заряда (электронов или дырок).

Энергетическая диаграмма р-n-перехода с учетом сказанного изображена на рис. 3.5,б. На ней уровень Ферми не зависит от ко­ординаты х. К уровню Ферми «привязаны» границы зон проводимо­сти и валентной. Излом этих границ на величину характери­зует контактную разность потенциалов, которая является потенци­альным барьером только для основных носителей обеих областей. Электрон 1, подошедший к границе обедненного слоя, не может пе­рейти из n-области в р-область, так как его энергия недостаточна для преодоления барьера. В то же время электрон 2 преодолеет этот барьер. Аналогичная картина с основными носителями – дыр­ками 1 и 2: первая не преодолевает, а вторая преодолевает барьер. Для неосновных носителей (например, электрона 3 и дырки 3) поле в переходе является ускоряющим (нет барьера), и они переходят в противоположную область.

Формула для контактной разности потенциалов может быть получена также без использования уровня Ферми – из равенства абсолютных значений диффузионного и дрейфового потоков дырок или электронов в состоянии равновесия:

(3.10)

Воспользуемся первым уравнением и формулами (2.52) и (2.50), тогда

(3.11)

Используя связь Е с потенциалом Е = -d/dx и соотношение (2.53), получаем из (3.11)

(3.12)

Интегрирование уравнения (3.12) необходимо проводить в пределах обедненно­го слоя, т.е. от значения концентрации в n-области до в р-области. Тогда инте­грал от левой части даст значение контактной разности потенциалов:

(3.13)

Использование формулы (3.10) для плотности дырочной составляющей приво­дит к формуле

(3.14)

Если использовать связь концентраций (2.13) и , то вместо (3.13) и (3.14) получим формулу



совпадающую с формулой (3.6).

^ 3.2.4. Распределение напряженности электрического поля и потенциала в р-n-переходе

Эти распределения обычно находятся в результате решения уравнений Пуассона, связывающего вторую производную потенциа­ла с плотностью заряда. Мы это делать не будем, а приведем сразу распределения Е(х) и для резкого р-n-перехода (рис. 3.6), при­чем примем , как на рис. 3.2.

Величина Е линейно изменяется в обе стороны от максималь­ного значения, соответствующего металлургической границе, до нуля на границах обедненного слоя. Решение уравнения Пуассона позволяет определить и толщину обедненного слоя I и его частей Ip и In. Полная толщина слоя

(3.15)

где  – относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника.

В случае резкого несимметричного перехода, когда, из (3.15) по­лучим

(3.16)

т.е. обедненный слой в основном распо­лагается, как уже отмечалось, в n-полупроводнике с наименьшей концентрацией примеси (в базе). Для симметричного

(3.17)

  1   2   3   4   5



Скачать файл (3670.4 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru