Пасынков.Полупроводниковые приборы (В.В. Пасынков, Л.К. Чиркин - Полупроводниковые приборы), страница 9

В каких случаях и почему надо пользоватьсн различными статистиками распределения электронов по внергнян? 7. Что ~акое собственный полупроводник? 8. Чему равно произведение концентрации электронов и дырок п иевырождеииом полупроводнике при термодииамичегком равновесии? 9. Что такое диффузия н дрейф носителей заряда.' 16. Что такое яодвнжиость носителей зарплат 11. Что такое диффузионная изина и длиил сиобогтно~о пробега иоснгслеи заряда? 12.

Как обьяснить температурн)ю зависимость концентрации носнгелеи га. ряда в полупроводнике? 13. Какими физическими факторами обьисняется теипературн.гя гэвиснчость подвижности носителей заряда? 14. Как н почему изменяется рлссенчие носителей заряда в сильных электрических полях? 15. Что такое прямые и иепрямыс перекопы носителей заряда между разрегиениыми зонамн полупроводника? 16.

Что такое показатель поглщцения света полупроводником? 17. Что такое фоторезистивный эффект? 18. Какие разновидности поверхностных слоев могут возникагь нл ипл)- проводнике при наличии различных поверхностных состояний? 19. Что такое скорссть поверхностной рекомбинации 20. Что такое удельное сппротивлепне слои и панова размерность этого параметра? ГЛОВО Контактные явления $2.1. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫП ПЕРЕХОД Электронно-дырочный переход (р-и — переход) — зто переходныи слой между двумя обдастямн полупроводника с разной злскгрппроводностью, в котором существует днффтзпонпве электрическое Поде. Образование электронно-дырочиого перехода При идеальном контакте двух полупроводников с различным типом электропроводности из-за градиента концентрации носителей заряда возникает их диффузия в области с противоположным типом электропроводиости через плоскость металлургического контакта (плоскость, где изменяется тип примесей, преобладаюших в полупроводнике).

В результате диффузии носителей заряда нарушается электрическая нейтральность примыкаюших к металлургическому контакту частей монокристалла полупроводника. В р-области вблизи металлургического контакта после диффузии из иее дырок остаются иескомпеисироваииые иоиизированиые акцепторы (отрицательные неподвижные заряды), а в и-области — нескомпеисироваииые ионизированиые доноры (положительные неподвижные заряды).

Образуется область пространственного заряда, состояшая из двух разиоименио заряженных слоев. Между нескомпеисироваиными разноименными зарядами ионизироваииых примесей возникает электрическое поле, направленное от а-области к р-области и называемое диффузионным электрическим полем (рис. 2.1, а) . Возникшее диффузионное электрическое поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей через металлургический контакт — устанавливается равновесное состояние. Между л- и 41 Энергетическая диаграмма электронно-дырочного перехода а) о)араон = ЙТ !и — у л орко л, (2.2) дор„, = йТ!и Р" = йТ !и — "' .

Ро л,о ' (2.3) дар„. = ЛЗ вЂ” 'нТ!и — ' л орое (2.4) р-областями при этом существует разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов. Потенциал л.области положителен по отношению к потенциалу р-области. Согласно сказанному в $1.1, энергетическую диаграмму электронно-дырочиого перехода при термодинамическом равновесии можно изобразить, как показано на рис. 2.1, г. Вдали от контакта двух областей электрическое поле отсутствует (если соответствующие области легированы равномерно) или относительно мало по сравнению с полем в р-и-переходе. Поэтому энерге° но — Е Рис.

2.). Пространственное распределение ааридпв (а. б, в) н энергетические диаграммы Р-л-перехода (г, д, е,): и, а — внешнее напряжение отсутствует (П = О); б, д — внешнее напряжение прямое ((т>0); в, е — внешнее напряжение обратное (П<0) тические зоны в этих областях изображены горизонтальными. Взаимное расположение разрешенных зон и уровня Ферми за пределами р-л-перехода остается таким же, каким было в соответствующих полупроводниках.

Так как напряженность диффузионного электрического поля в р-и-переходе направлена от электронного полупроводника к 42 дырочному, на диаграмме соответствующие энергетические зоны для н-области должны быть ниже, чем для р-области. Сдвиг зон определяется тем, что в равновесном состоянии уровень ферми должен быть расположен иа одной высоте энергетической диаграммы всей системы. Этот сдвиг зон соответствует также контактной разности потенциалов (оро..) или высоте потенциального барьера (воркоя) электронно-дырочного перехода.

Высота потенциального барьера и контактная разность потенциалов Как видно из рис. 2.1, г, высота потенциального барьера р-и-перехода деркон = (ЗФ Зо)а + (Зо — ЗФ)в. (2.1) Пользуясь соотношениями (1.17) и (1.18), запишем !и — "= ' и(и — = ле Эв — Э, Роо А — ЭФ л, ьг л, ЙТ Следовательно, высота потенциального барьера или при использовании соотношения (1.19) Все приведенные выражения для высоты потенциального барьера равносильны, но удобнее пользоваться формулой (2.2), так как концентрация основных носителей заряда практически равна концентрации легирующей примеси либо легко может быть определена из удельной проводимости прилегающих к р-н-переходу областей.

Значение собственной концентрации носителей и, для одной температуры дается в литературе, а температурная зависимость собственной концентрации определяется шириной запрещенной зоны полупроводника [см. (1.15)). Лля удобства анализа подставим (1.9) или (1.15) в (2.2) и учтем, что концентрация основных носителей заряда значительно меньше плотности возможных состояний в соответствующих зонах, т. е.

л„арво«4УоЖо. Тогда Из соотношения (2.4) можно сделать следующие выводы: 1) при одних и тех же концентрациях примесей высота потенциального барьера больше в р-л-переходах, созданных в полупроводниках с большей шириной запрещенной зоны; 2) высота потенциального барьера возрастает при увеличении концентрации примесей в соответствующих областях; 3) с увеличением температуры высота потенциального барьера уменьшается.

Т 2.2. ТОКИ ЧЕРЕЗ ЗЛЕКТРОННО- ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД При нарушении равновесия внешпям электрическим полем через р-л-переход яачииает проходить ток. Если внешнее напряжение приложено так, что создаваемая им напряженность электрического поля противоположна по направлению диффузионной напряженности (рис. 2.1, б), то суммарная напряженность поля в р-л-переходе падает, высота потенциального барьера уменьшается (рис. 2.1, д). Часть основных носителей, имеющих наибольшие значения энергии, может теперь преодолевать попизившийся потенциальный барьер, переходя через р-л-переход. Это приводит к появлению сравнительно большого тока через р-л-переход.

Напряжение рассмотренной полярности называют прямым и считают положительным. Преодолевшие потенциальный барьер носители заряда оказываются в соседней области яеосиовными. Таким образом, через р-л-переход происходит инжекция неосновных носителей заряда в область, примыкающую к р-л-переходу. Ту область, в которую происходит инжекция пеосяовяых носителей, называют базой полупроводникового прибора. С увеличением внешнего прямого напряжения уменьшается суммарная напряженность электрического поля в р-л-переходе.

С уменьшением напряженности электрического поля уменьшается глубина проникновения этого поля в области полупроводпяка, прилегающие к металлургическому коитакту. Поэтому умеиьшается толщина р-л-перехода или ширина области простравственяого заряда.

Если созданное внешним источником электрическое поле в р-л-переходе совпадает по направлению с диффузионным (рис. 2.1, в), то высота потенциального барьера для осиовяых носителей увеличивается (рис. 2.1, е). Однако для неосновных носителей, т. е. для дырок в л-области и для электронов в р-области, потенциальный барьер в р-л-переходе вообще отсутствует. Неосяовпые носители заряда втягиваются электрическим полем в р-л-переход и проходят через него в соседнюю область — происходит так называемая эксгракция. При этом через р-л-переход будет идти обратный ток, который относительно мал из-за малой концентрации неосновпых носителей заряда в прилегающих к р-л-переходу областях.

Напряжение, имеющее рассмотренную полярность, называют обратным и считают отрицательным. Толщина р-п-перехода с увеличением обратного напряжения по абсолютному зцачению увеличивается, так как при этом увеличивается суммарная напряженность электрического поля в р-л-переходе и увеличивается глубина пропикповеияя этого поля в прилегающие к переходу области.

! 2.2. КОНЦЕНТРАЦИЯ НЕОСНОВНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА у ГРАниц злжстРОИИО- ДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДА Рассмотрим зависимость концентрации иеосповных носителей заряда у границ р-л-перехода от внешнею напряжения, приложенного к электронпо-дырочпому переходу, для частных случаев. Малые токн Как известно, плотности электронного и дырочпого токов определяются алгебраической суммой дрейфовых и диффузионных составляющих (см. (1.30) и (!.31)!. При движеяяи носителей заряда только в одном направлении х, параллельном вектору электрического поля, — »)РРр — ЧТ»р— ЛР и» и* ' 3.

= — оп 1»„— + д0„—. вч вя " в» Учитывая малость токов я воспользовавшись соотношением Эйнштейна (1.29), можно считать, что при Тр 0 и Т„жО р 4 ит ! ВР д Г Г РР . — — = — — или— 4(»Р = — ~~ ЙТ к» р и» ЬТ р Р р — н » 4 Вт ! ип — — = — — кл" — ~ а'Р= 5 ИТ к» я и» При малых токах концентрации основных носителей за пределами р-л-перехода рр и л. практически равны равповесиым концентрациям ррр и лсь Тогда с учетом (2.3) р„,р —— р„ехр — "; л„„= прр ехр —. яй Ги яг ' 2Т ' (2.3) Получепяые соотношения имеют довольно простой физяческкй смысл.

В невырожденном полупроводнике воснтели заряда подчиняются статистике Максвелла — Больцмана, т. е. число их с энергией выше некоторого значения экспопенциальво падает с Увеличением этой энергия. В состоянии равновесия кояцентра- 45 ция неосновных носителей заряда по одну сторону Р-л-перехода равна концентрации основных носителей по другую сторону р-лперехода, имеющих энергию, ббльшую на с)ср„.„.

При изменении высоты потенциального барьера на ди количество носителей, имеющих энергию, достаточную для его преодоления, изменяется в ехр йн раз, что и характеризуется формулами (2.5). йт При напряжении на р-л-переходе, равном нулю, граничная концентрация неосновных носителей заряда равна равновесной. С ростом прямого напряжения (и~О) граничная концентрация неоснавных носителей заряда растет, что соответствует явлению инжекцин. При обратном напряжении (и(0) граничная концентрация неосновных носителей падает, что соответствует явлению экстракции. Большие прямые токи Большие обратные токи Соотношения (2.5) показывают, что концентрация иеосновных носителей заряда на границе р-л-перехода, смещенного в обратном направлении, с ростом абсолютного значения обратного напряжения должна очень быстро падать.

Однако такое падение концентрации ограничено тем, что скорость движения носителей заряда в электрическом поле растет до определенного предела ооы„(см. $1.10). Так нак платность тока, например дырочного, связана со скоростью движения носителей заряда соотношением )р — — Урвр, (2.7) то минимальное значение концентрации ыеосновных носителей заряда, которое может получиться на границе р-л-перехода, ) ). Рх, гр оно= ЛР гр око = ррр в ро (2.8) Выражения (2.8) можно рассматривать как нижние пределы концентрации неосновных носителей на границе р-л-перехода. При увеличении прямого напряжения на Р-л-переходе высота его потенциального барьера уменьшается, что ведет к выравниванию концентраций носителей по обе стороны от р-л-перехода. В пределе, если бы контактная разность потенциалов могла быть полностью скомпенсирована внешним напряжением (практически это недостижимо из-за падения части внешнего напряжения в объеме полупроводника), выполнялись бы условия Рс,гр и «=Рр~ лр,гр ярк=по (2.6) Соотношения (2.6) можно рассматривать как верхние пределы концентрации инжектированных через р-л-переход носителей.