Степаненко И. Основы теории транзисторов и транзисторных схем (1977) (1086783), страница 25
Текст из файла (страница 25)
2-15„б. Если изменить полярность приложенною напряжения, то по аналогнчвым причинам сопротивление граничного слоя на рис. 2-15, а пониРазумеется, зтот вывод предполагает, что разность работ выхода яввиетси ели и ственной причиной искривления зои. антса и переход будет работать в п р я м о м направлении, а сопротивление граничного слоя на рис„ 2-15, б повысится н этот переход будет работать в о б р а т н о м направлении.
Таким образом, контакты на рис. 2-15 хотя и не обеспечивают инжекции не- основных носителей, но обладают вентильными свойствами. Такие контакты лежат в основе диодов Шоттки (см. $3-4). Особый интерес представляет контакт, показанный на рис. 2-16. Его особенность состоит в том, что уровень Ферми металла в исходном состоянии лежит н и же се р ед и н ы запрещенной зоны полупроводло"Уро'о~""" ника и-тнпа. Поэтому зоны искривляются настолько сильно, что в области пространственного заряда потолок ва.
лентной зоны частично расположен на тр 1 расстоянии менее -- тр, от уровня Фер- '3«грещенноя Я Э Уя» »'»и мн. Такое расположение, как известно, характерно для дырочных полупроводников (см. Э 1-8). Следовательно, в данном случае вблизи поверхности полу+ проводника и-тнпа образовался тонкий слой полупроводника с обратным типом проводимости (р-типа).
Этот слой рщ называют инверсионным (см. раздел ее «Эффект поля», з 1-12). В целом, как видим, получился р-и переход, пол- (з,, постыл расположенный внутри исходной М пластинки полупроводника. С физической точки зрения обраэзвание инверсионного слоя объясняется тем, что и»з«р иный электронов в з о н е и р о в о д ир-о»ой мости полупроводника (в его граничном слое) оказывается недорос. з-!6. Зона»«диаграмма статочно для равновесия системы и в контакта, яри котором сора»уст«я йнверснояныя слоя металл должно перейти некоторое количество электронов нз в а л е н т н о й зоны; в результате, естественно, образуются дырки.
Толщина инверсионного слоя («канала»), как уже отмечалось (с. 71), обычно составляет 0,001 †,002 мкм. Невыпрямляюшие (омические) контакты. Пусть для контакта металла с полупроводником р-типа имеет место соотношение тря ( < гррр, а для контакта металла с полупроводником и-типа — соотношение тур ) тур„.
В этих случаях искривление зон в полупроводниках получается обратным по сравнению с тем» какое показано на рис. 2-15,а и б„ т. е. граничные слои оказываются не обедненными, а обогащенными о с н о в н ы м и носителями (рнс. 2-!7). Соответственно удельные сопротивления граничных слоев оказываются значительно меньше, чем основных, нейтральных слоев полупроводника (вдали от границы), так что наличие граничного оя в системе оказывается малосущественным с точки зрения суммарного сопротивления. Последнее будет близко к сопротивлению нейтрального слоя полупроводника и, следовательно, почти ие будет зависеть от полярности и величины внешнего напряжения. н ев ы п р я мТакие Металл Лолупройодлил Мелолл Лолул)ибвьил л я ющ и е переходы яв- Л1ПОГСЯ ОСНОВОЙ ОМИЧЕ- ских контактов, ая В терминах контактной разности потенциалов случай на рис. 2-17, а соответствует полярности 'рмэ ) О (т. е.
переходу электронов на н о л упроводника), а случай на рис. 2-17, б — полярнести ~р ~ О (т. е. переходу эаекгл тронов иэ м е т а л л а). В обоих угл сяучаях контактные разности иотеипиалов приняты неболь- а7' и==== б) шими, поэтому искривления эон иа рис. 2-17 сравнительно малы Рис 2-17. Зонные диаграммы невыпрямляю. и уровень Ферми не пересекает щих контактов металла с полупроводником. разрешенные эоны в полупроь а контакт о полупроаоаннком р-типа: а— воднике.
При балаших значе контакт о полупроэолинном ч-типа,' ниик ! ~рмэ ! искривления эон будут больше и уровень Ферми будет частично проходить либо через валентную вону дырочного полупроводника (рнс. 2-17, а), либо через вону проволимости Элекйзонного полупроводника (рис. 2-!7, б). Это значит, что соответсгвукянне граничные участки полупроводника превращаются в п ол у м е т а л л ы (см. $1-4, 1-6). Омические контакты осуществлякп в местах присоединения Внешних выводов к полупроводниковому слою, Такие контакты не образуют дополнительного (спаразитногоз) перехода. Получение аннинских контактов является задачей не менее важной, чем получение рабочих р-л переходов.
Типичная структура омического контакта показана на рис. 2-18. Как видим, эта структура состоит из двух переходов: п'-и и лг-л', где через лг обозначен слой металла. Оба перехода не являются инжектирующими, как быпо показано в предыдущих разделах. Кроме того, они не обладают и вентиль- Ними свойствами. Поэтому в целом структура п-и'-гп ведет себя почти как омическое сопротивление слоя п прн любой полярностя Напряжения. Рассэготрим механизм прохождения токов. Пусть напряжение приложено минусом к слою п и плюсом к металлу. Тогда потенциалы слоев п и и' повысятся, высота барьера и-и' Увеличится, а высота барьера п'-т уменьшится (рис. 2-18, б).
Электроны из н-слоя будут свободно переходить в л'-слой независимо от высоты барьера и-и', а понижение барьера л'-гп обеспечит переход электронов из и'-слоя в пт-слой. Пусть теперь напряжение приложено плюсом к л-слою. При этом потенциалы и- н п+-слоев пони- зятся, и высота барьера и-и' сделаегся меньше; соответственно электроны п'-слоя смогут переходить в и-слой Барьер и'-т повысится, но так как он очень тонкий ", то электроны слоя и будут проходить его за счет туннельною эффекта 129, й 241, как показано на рис. 2-18, в. Таким образом, важнейшим свойством омического контакта является его двусторонняя проводимость. Другое важное свойство связано с ничтожным временем жизни ~~а н'зт~ э~ю носителей в л'-слое, поскольку он сильно легирован и имеет малое удельное сопротивление !см. рис.
1-24). Интенсивная рекомбинация в п'-слое и отсутствие инжекции делают повышение концентрации носителей в области омичеЛалрасцазлця заза ского контакта редким явлением Попу этому при анализе диодов и транзистогррн ров обычно исходят из того, что концентрации электронов и дырок на омиче1зьт» ском контакте имеют р а в н о в е с$Ън+ н ы е значения '. Зппрвцелппл зона В случае дискретных полупровод=и+ пиковых приборов, особенно германиевых, весьма распространенным материалом для омических контактов является олово; оно относится к той же группе периодической системы, что и германий р„" н кремний, обладает достаточно высогрн+ кой проводимостью, хорошо смачивает поверхность полупроводника, допускает пайку внешних выводов.
Добавление к олову той или иной примеси позволяет получать контакт с пластинками как и-, так и р-типа Иногда вместо олова применяют золото. При изготовлении кремниевых приборов и особенно интегральных схем широкое применение для омических контактов находит алюминий. Он легко напыляется на поверхность кремния и далее при достаточно высокой температуре сплавляется с ним. Если кремний имеет проводимость р-типа, то алюминий, будучи акцептором, способствует повышению проводимости приконтактного слоя. Если же кремний имеет проводимость птипа, то при сравнительно небольшой концентрации доноров Запрецаннця зона ф Рис. а-1В.
Зониые диаграммы омичесиого контакта. а — равновесное состоаане; П— обратное напрнаненнк а — пря нее напряменне. т Например, при п'= !у+= 1Ога см а получается дебаевспая адина ! о ам 00 1О в см (0,005 мкм). в Более общим граничным условием для омичеспого нонтапта является равепспю ноицеитрацни носителей сумме равновесной концентрации н члена, обратно пропорционального скорости реномбинацпи, акцепторные атомы алюминия могут создать паразитный прикон тактный р-слой; в результате вместо омического контакта получится выпрямляющий р-и переход. Чтобы избежать такого осложнения, поверхность п-кремния дополнительно легируют донорами, превращая ее в и'-слой, после чего контакт приобретает структуру, показанную на рис.
2-18. В заключение заметим, что приповерхностные потенциальные барьеры могут быть обусловлены не только контактом с металлом, как показано выше, или внешним электрическим полем (см. Раздел «Эффект поля» в гл. !), но и чисто «внутренними» причинами: наличием поверхностных энергетиыеских уровней или, как говорят, поаерхнослэя«х состояний (с. 46). Эти уровни в принципе могут иметь как донорный, так и акцепторный характер, и тогда приповерхностная область полупроводника обогащена соответственно либо электронами, либо дыркамл.
В кремнии — основном материале современной транзисторной техники — поверхностные уровни являются донорными. Значит, энергетические зоны в кремнии «с самого начала» (т. е. до контакта с металлом и до подачи внешнего напряжения] искривлены «вниз» и на поверхности нмеегся начальный поверхностный потенциал «р от р и ц з тел ь н ой п ол я р иост и. Этот начальный потенциал меняется в ту или иную сторону в зависимости от знаков контактной разности потенциалов «металл — полупроводник» и приложенного напряжения. 2-5. АИАЛИЗ ИДЕАЛИЗИРОВАИИОГО ДИОДА Несмотря на то что диод представляет собой один из простейших полупроводниковых приборов, процессы, происходящие в нем, достаточно сложны. Для того чтобы выяснить главные особенности ,диода, проведем сначала упрощенный анализ, а затем (в последующих параграфах) уточним полученные результаты.
Исходные предпосылки. Будем, как и раньше, считать р-и переход несиммегричным и р-слой значительно больше легированным„чем п-слой. При этом, как известно, инжекция и экстракция носят односторонний характер !см. (2-15)); следовательно, можно сосредоточить внимание на анализе процессов в базе, а результаты анализа распространить затем на аналогичные, но менее существенные процессы в эмиттере.
Анализ существенно упрощается, если принять следующие допущения. !. Слой базы является ярко выраженным электронным полупроводником. Это значит (см. с. 77), что вместо «объединенного» электронно-дырочного уравнения (1-102) можно пользоваться уравнением (1-78а), положив дЕ7дх = О. 2. Концентрации дырок, инжектируемых в базу, невелика, т. е. выполняется условие низкого уровня инжекции (1-109). При этом полная концентрация дырок в базе (р = р„+ Лр) остается значительно меньше концентрации электронов (а = л«+ г»л).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
