Шишкин Г.Г., Шишкин А.Г. - Электроника (1006496), страница 11
Текст из файла (страница 11)
В моментгранице базы со стороны перехода (х =О) имеет Рп(О)Рпоисходная концентрация дырок (неосновных носителей) в-п-базе. В это время напряжец:ие на переходе становится равнымнулю (см. рис.стадия-2.12, в,г, моментt=t 3 ) и заканчивается перваястадия высокой обратной проводимости. За время t 3 -t2из базы удаляется большая часть избыточного заряда. Длительность первой стадии Т 1 прямо пропорциональна времени жизнидырок в базе и зависит от соотношения прямогоI обрI г2 и обратного ·токов через переход.
Время Т 1 может быть вычислено поформуле Т 1='t6 ln(1+ Iг 1 //06рмакс),фузионной емкостью. Пр:Иt > t3т. е. Т 1 определяется дифпроисходит восстановление обратного сопротивления перехода, сопровождающееся уменьшением обратного тока. Ток в этой стадии процесса определяется нетолько переходом оставшихся избыточньiх неосновных носителей из базы в эмиттер, но и перезарядкой барьерной емкости.При большом обратном токеленииR)Iобр (при малом внешнем сопротивемкость перезаряжается быстро, а при малом токепереходной процесс более длителен и Т2 = RСбар приR»r 6•J 06 PПринято считать, что стадия восстановления обратного напряжения заканчивается приI обр =О, 11п, и ее продолжительность определяется временем Т 2 (см. рис.2.12,б, в, г).Таким образом, рассмотренные явления позволяют заключить, что длительности переходных процессов определяются значениями барьерных и диффузионных емкостейр-п-перехода.Раздел582.6.1.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫКонтакты металл-полупроводникЭлектрические переходы металл-полупроводник применяются для создания диодов, транзисторов и омических.
контактов,приизготовлениивнешнихвыводовполупроводниковыхприборов и интегральных схем.При непосредственном контакте металла с полупроводникомвысота возникающего потенциального барьера для электроновзависит от работы выхода металла и плотности поверхностныхсостояний.Работой выхода называется разность энергий между уровнемФерми и уровнем свободного пространства (вакуума) Евак· Дляqq>m,металла эта величина соответствуетп-типа она равнаq(X+ Ип)(рис.2.14,а вполупроводникеа, правый), гдеqx-разность энергий между энергией дна зоны проводимости Еп иуровнем вакуума Евак (электронное сродство),разностьqUn -энергий между уровнем дна зоны проводимости Еп и ур,0внемФерми Е Ф • Разность работ выхода металла и п-полупроводнипка, равная q( Ч'тХ--И п), определяет контактную разность по-тенциалов qq>~, т.
е. qq>~Оценим= q(q>m -Х- И п>·высоту барьера для рассматриваемогоконтакта.Зонные диаграммы равновесного контакта металла с р- и п-полупроводниками приведены на рис.2.14,а, где ЕФ;-уровеньФерми для собственного полупроводника. Рассмотрим сначаласоединение металла с п-полупроводником, работа выхода электронов у которого меньше, чем у металла. В этом случае частьэлектронов переходит из полупроводника в металл. В результате в полупроводнике появится обедненный слой, содержащийположительный заряд ионов доноров. Переход электронов будет происходить до тех пор, пока уровни Ферми в обоих материалах не сравняются (ЕФ=мпроводника (ЕФталле ЕФn)ЕФ),т. е.
уровень Ферми п-полу-ппонизится относительно уровня Ферми в ме-на величину qq>~, равную разности соответствующихмработ выхода. На такую же величину понизится уровень вакуума Евак (см. рис.2.14,а, правый). В результате энергия, соответствующая высоте потенциального барьера qq>n (рис. 2.14, а),преодолеваемого электронами при переходе из металла с уровня ЕФв зону проводимости полупроводника (при идеальноммконтакте п-полупроводника и металла, когда работа выхода изГлава2.Полупроводник р-типаПолупроводник п-типа----ЕвакЕ, эвi1,01,0qq>mМет59Контактные явления в полупроводниках---f-\,qq>m'Евак--лв.л//,- -------ЕUФ;qр1о1 мкма)Е,эВ1,0q(<p~ - И),,.------Еп......,...1.----Еп1,0ЕФпqUо-0,5о1 мкм6)Е,эв1,0q(q>~1,01,0оов)Рис.2.14-И)Раздел601.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫметалла больше), равна разности между работой выхода металла и электронным сродством полупроводника:qq>n = q( <\>т - Х)•(2.30)При идеальном контакте между металлом и полупроводникомр-типа (рис.2.14, а,левый) контактная разность потенциалови высота потенциального барьераqq>Pqq>;определяются аналогичными выражениями (с учетом ширины запрещенной зоны ЛЕз):qq>;=ЛЕз- q(q>m -Х-Ир),qq>p =ЛЕЗ - q(q>m - х),гдеqUP -(2.31)энергия между потолком валентной зоны и уровнемФерми ЕФ.рТаким образом, при контакте металла с полупроводником валентная зона проводимости полупроводника занимает определенное энергетическое положение по отношению к уровню Ферми металла.
Если это положение известно, то оно служит граничнымусловием при решении уравнения Пуассона в полупроводнике,которое записывается в том же виде, что и для случаяр-п-переходов (см. п.2.1).В результате можно, как и для р-п-перехода,вычислить все параметры перехода металлВыражения(2.30)и(2.31)-полупроводник.дают хорошее приближение приотсутствии поверхностного заряда.Реально в п-полупроводнике часто существует достаточнобольшой отрицательный поверхностный заряд, удаляющий электроны из приповерхностного слоя полупроводника. Величина та когозарядаопределяетсяплотностьюповерхностныхсостояний. В этом случае высота барьера определяется как разностьюработ выхода, так и плотностью поверхностного заряда.
Приочень большой плотности поверхностного заряда высота барьера определяется свойствами поверхности полупроводника и независит от работы выхода металла.При контакте с полупроводником р-типа отрицательный поверхностный заряд обогащает приповерхностный слой дырками, поэтому формирование обедненного слоя, необходимого дляполучения выпрямляющего контакта, можно получить при работе выхода электронов из металла меньшей, чем из полупроводника р-типа.
В этом случае электроны из металла переходятв валентную зону полупроводника,уменьшая тем самым концентрацию дырок в приповерхностной области.Глава2.61Контактные явления в полупроводникахКак следует из выражений(2.30)и(2.31),высота барьера <l'пи <рР не зависит от концентрации примесей и температуры, а определяется только типом металла и полупро!}одника, а в реальном контакте, как отмечалось выше,-также плотностью поверхностного заряда в полупроводнике, а следовательно,ностьюповерхностныхвысоту барьера <l'п иличины<l'pопределяютпримера в таблицесостояний.Теоретическидостаточно сложно.
На практике эти веэкспериментальным2.1плотвычислитьпутем.Вкачествеприведены значения <l'п и <рР для некоторых видов контактов.Приведенные в таблице значения для <l'п и <рР соответствуют1015 см- 3 , Na""' 3·10 15 см- 3 при Т == 300 К. Работа выхода из алюминия (Al) и кремни.я (Si) п-типапри этих данных примерно одинакова и составляет ~ 4,3 эВ,концентрации доноров Nд "'='следовательно, образование барьера и обедненного слоя здесь.обусловлено отрицательным поверхностным зарядом. Для контакта р-Si-Аl отрицательный поверхностный заряд уменьшает высоту барьера.Чем выше высота барьера, тем больше ширина обедненногослоя, которая, как и для р-п-перехода, уменьшается с ростомконцентрации доноров.В неравновесном контакте металла с п-полупроводником,когда к нему приложено внешнее напряжение И, происходитпонижение потенциального барьера при подаче прямого смещения («ПЛЮС» к металлу при использовании п-полупроводников,или «минус» к металлу дляр-полупроводников, см.
рис.2.14,б)и увеличение барьера при обратном напряжении («минус» к металлу при использовании п-полупроводников и, наоборот, дляр-полупроводников, см. рис.2.14,в). Прямой ток через контактобразуют электроны, движущиеся из полупроводника (стрелкаТаблицаКонтактКремний с алюминиемКремний с золотомSi-AlSi-AuАрсенид галлия с алюминиемАрсенид галлия с золотомGaAs-AlGaAs-AuIРп• ВIPp• В0,720,580,80,340,80,9-0,422.1Раздел62на рис.2.14,1.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫб для п-полупроводника) с энергией большей, чемвысота пониженного барьераq( q>~ -И). Для р-области прямойток образует электроны, переходящие из металла в р-полупроводник и преодолевающие потенциальный барьерОбратный токI0проводника.И).образуется электронами, переходящими изметалла в полупроводник (стрелки на рис.вающими барьерq( q>; -qq>n2.14,для п-полупроводника илиВеличина токав) и преодолеqq>Pдля р-полуопределяется термоэмиссиейI0электронов из металла в полупроводник и может быть вычислена по формуле10 = SAT 2 ехр (где <l'п,р=водников,сии,q>;:)..(2.32)<l'п для п-полупроводников и <l'п,рS -имеющаяплощадь контакта, Аразныезначениятак, для кремния п-типаАС ростом <l'п и<l'pдля= <l'pдля р-полупропостоянная термоэмис--различныхматериалов;= 110 А/(см2 • К2).обратный ток сильно уменьшается, но приодинаковых условиях он значительно больше обратного тока10 • Отли15310 см- составляютр-п-перехода, где он определяется тепловым токомчия при комнатной температуре и Nд=5 порядков; так, например, для контакта Al-n-Si 10 == 2 • l0-9 А, дляр+-п-перехода 10 = 10-14 А при всех прочих равоколоных условиях.
В силу этих причин различаются и ВАХ контакта металл- полупроводник ир-п-перехода. Для сравнения на2.15 приведены ВАХ для контакта Al-(n-Si) (кривая 1) икремниевого р-п-перехода (кривая 2). Для контакта металл рис.полупроводник больший обратныйток обусловливает меньшее прямоеI,мАнапряжениеприодинаковомпрямом токе. ВАХ электрических пере41ходов металл2полупроводник моем той же формулы2(2.20),р-п-переходов, где токетсяо-жет быть получена с использовани0,2 0,4 0,6Рис.2.15и,вв(2.32).соответствиис10что и длявычисля-выражениемПри малых прямых токах токрекомбинации заметно меньше, чемв р-п-переходе, и ВАХ реальногоГлаваперехода металл2.-63Контактные явления в полупроводникахполупроводник пра:ктичес:ки не отличается оттеоретической. Однако в области больших прямых токов из-заналичия падения напряжения на нейтральной полупроводниковой области БАХ может отличаться от теоретической :кривой.Что :касается обратного то:ка, то в сильном эле:ктричес:ком поле> 3 • 1015 см- 3 толщина обеди при :концентрациях примесей Nдненного слоя становится очень малой, вследствие чего появляетсявозможность туннельного перехода электронов из металла в полупроводник, и обратный то:к резко увеличивается.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
