Трофимова Т.И. - Курс физики (1092345), страница 127
Текст из файла (страница 127)
$ 248. Выпрямленке ка контакте металл — полупроводник Рассмотрим некоторые особенности механизма процессов, происходящих при приведении в контакт металла с полупроиодником. Для этого возьмем полупроводник л.типа с работой выхода А, меньшей работы выходя А, из металла. Соответствующие энергетические диаграммы до и после вступления в контакт показаны на рис. 333, а, о. Если А„-А, то при контакте электроны из полупроводника будут переходить я металл, в результате чего контактный слой полупроводника обедннтся злектронамн и зарядится положительно, а металл — отрицательно.
Этот процесс будет происходить до достижения равновесного состояния, характеризуемого, как и при контакте двух металлов, выравниванием уровней Ферми для металла и полупроводника. На контакте образуется двойной электрический слой г(, поле которого !контактнаи разность потенпиалов) препятствует лальнейшему переходу электронов. Вследствие малой концентрации электрочов проводимости в полупроводнике (по.
рядка 1О''см " вместо 10" см " в металлах) тол уцни а контактного слоя в полупроводнике достигает примерно 10 'см, т. е. примерно в 10 000 раз больше, чем а металле. Контактный слой полупроводника обсднсн основными носителями тока -- электронами в зоне проводимости, и его сопротивление значительно больше, шм в остальном обьеме полупроводника. Такой контактный слой называется запирающим.
Прн у(=10 'см и Лфяа( В напряженность электрического поля контактного слоя Е=дф/бж10" В/м. Такое контактное поле не может сильно повлиять на структуру спектра (например, на ширину запрещенной зоны, на энергию ак. тивации примесей и т. д.) и его действие сводятся лишь к параллельному искривлению всех энергетических уровней полупроводника в области нонтакта (рис. 333, 6). Так как в случае контакта уровни Ферми выравниваются, а работы выхода — величины постоянные, то гри А„ ) 4 энергия электронов в контактном слое полупроводника больше, чем в остальном обьсмс 1!озтому в контактном слое дно зонуз проводимости поднимнстся вверх, удаляясь от уровня Ферми.
Соответсгненно происходит я искривление верхнего края валентной зоны, в также доиорного уровня. Помимо рассмотренного выше примера возможны еще следующие три случая контакта мегалла с примесными полупроводниками: а] А ( А, полупроводник и-типа; б) А„ 4, полупроводник р-типа; в) А„ (А, полупроводник р-типа.('оответгтвующне зонные схемы показаны на рнс. 334. Если А,(А, го при контакте металла с полупроводником и-типа электроны из металла переходят в полупроводник и об- Г л а в а ЗЕ Элементы 4~изим ~ оер ко о т..
о пооуоровооиии о-типа Пооуорооооиии р -тиои Поотпровооиии ,о -типа д Ет отм Еи Еи 4 их хм<4 оу Рис. ЗЗ4 а) разуют в контактном слое полупроводника отрипательный объемный заряд (рнс. 334, а). Следовательно, контактный слой полупроводника обладает повышенной проводимостью, т. е. не является запирающим. Рассуждая аналогично, можно показать, что искривление энергетических уровней по сравнению с контактом металл -- полупроводник и-типа (Л, )А) происходит в обратную сторону. При контакт~ металла с полупроводником р-типа запирающий слой образуется прн Ли ( Л (рнс. 334, е), тан как в кон тактном слое полупроводника наблюдает. гя избыток отрицательных ионов акцепторных примесей и недостаток основных носителей тока -- дырок в валентной зоне.
Если же А,:. А (рис 334, б), то в контактном слое полупроводника р-тппа наблюдается избыток основных носителей тока — дырок в валентной зоне, контактный слой обладаег повышенной проводимостью. Исходя из приведенных рассуждений, видим, что запирающий конгактный слой возникает при контакте донорного полупроводника с меньшей работой выхода, чем у металла (см. Рис, 333, б), и у акпепторного — с большей работой выхода, чем у металла (рис. 333, е).
Вапираюшнй контактный слой обладает односторонней (вентильной) проводимостью, т. е. при приложении к контакту внешнего электриче<кого поля он пропускает ток практически только в одном направлении: либо из металла в полупроводник, либо из полупроводника в металл. Это важнейшее свойство запираю~пего слоя объясняется за висимостью его сопротивления от направления внешнего поля. Если направления внешнего и контактного полей противоположны, то основные носители тока втягиваются в контактный слой нз объема полупроводника; толщина контактного слон, обедненного основными носителями тока, и его сопротивление уменьшаются. В этом направлении, называемом пропускным, электрический ток может проходить через контакт металл— полупроводник.
Если внешнее поле совпадзег по знаку с контактным, то основные носители тока будут перемешаться от границы с металлом; толщина обедненного слоя возрастает, всзрастает и его сопротивление. Очевидно,что в этом случае ток через контакт отсутствует, выпрямитель таперт — это запорное направление. Для запирающего слоя на границе металла с полупроводником п-типа (Л,~А) пропускным является направление тока из металла в полупроводник, а для запирающего слоя на гранипе металла с полупроводником р-типа (,4,. А) — из полупроводника в металл.
$ 219. Контакт электронного и дырочиого повупроводннкон (р-и-переход) Гранина соприносновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой — дырочную проводимость, называется электронно-дырочным переходом (нли р-и-переходом). Эти переходы имеют большое практическое значе. ние, являясь основой работы многих полу- Н Элементы кнннтоной фнтнкн ктомон, молекул н тнеркык тел 402 гл всласть переклик а) а) КРисталл Ое р-ткпк Ер Рнс. ЗЗВ Ер Рлс. ЗЗН проводниковых приборов.
р-л-Переход нельзя осуществить просто механическим соединением двух полупроводников. Обычна области различной проводимости создают либо при выращивании кристаллов, либо при соответствующей обработке кристаллов. Например, на кристалл германия л-типа накладывается индиевая «таблетка» (рнс. 335, а). Эта система нагревается примерно при 500 'С в вакууме или в атмосфере инертного газа; атомы индия диффундируют на некоторую глубину в германий. Затем расплав медленно охлаждают.
Так как германий, содержащий индий, обладает дырочкой проводимостью, то на границе закристаллизовавшегося расплава и германия л-типа образуется р-л-переход (рис. 335, б) . рассмотрим физические процессы, происходящие в р-л-переходе (рис. 336). Пусть донорный полупроводник (работа выхода — А„уровень Ферми — Е„) приводится в контаит (рис. 336, б) с акцепторным полупроводником (работа выхода — Ам уровень Ферми — Е„ ). Электроны из л-полупроводника, где их концентрация выше, будут диффундировать в р-полупроводник, где их концентрация ниже.
Диффузия же дырок происходит в обратном направлении — в направлении р-ьл. В л-полупроводнике из.за ухода электронов вблизи границы остается нескомпенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионизованных донорных атомов. В р-полупроводнике нз-за ухода дырок вблизи границы образуется отрицательный объемный заряд непод- вижных ионизованных акцепторов (рис. 336, а). Эти объемные заряды образуют у границы двойной электрический слой, поле которого, направленное от л-области к р-области, препятствует дальнейшему переходу электронов в направлении л — р и дырок в направлении р — л. Если концентрации доноров и акцепторов в полупроводниках л- и р-типа одинаковы, то толщины слоев А и лк (рис. 336, в), в которых локализуются неподвижные заряды, равны (В~=с(т). При определенной толщине р-л-пере.
хода наступает равновесное состояние, характеризуемое выравниванием уровней Ферми для обоих полупроводников (рис. 336, в). В области р-л-перехода энергетические зоны искривляются, в результате чего вознниают потенциальные барьеры как для электронов, так и для дырок. Высота потенциального барьера еф определяется первоначальной разностью положений уровня Ферми в обоих полупроводниках.
Все энергетические уровни Г л а и и 31. Элементы физики твердого тела 4ОЗ и-тип — ~.~ р-~пп Е и-тпп — А-+ р-тпп Е й) Рис. 337 ч)пату(эя-.:,' к;"Ъ" Рпс. 338 акцепторного полупроводника подняты относительно уровней донорного полупроводника на высоту, равную егр, причем подъем происходит на толщине двойного слоя 4(. Толщина 4( слоя р-и-перехода в полупроводниках составляет примерно 1О 1О ' м, а контактная разность потенциалов — десятые доли вольт.
Наснтели тока способны преодолеть такую разность потенциалов лишь при температуре в несколько тысяч градусов, т. е. прн обычных температурах равновесный контактный слой является запирающим (характеризуется повышенным сопротивлением). Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля. Если приложенное к р-л-переходу внешнее электрическое поле направлено от и-полупроводника к р-полупроводнику (рис.
337,а), т. е, совпадает с полем контактного слоя, то оно вызывает движение электронов в п-полупроводнике и дырок в р-полупроводнике от границы р-л-перехода в противоположные стороны. В результате запирающий слой расширится и его сопротивление возрастет. Направление внешнего поля, расширяющего запирающий слой, называется запнрающям (обратным). В этом направлении электрический ток через р-л-переход практически не проходит. Ток в запирающем слое в запирающем направлении образуется лишь за счет неосновных носителей тока (электронов в р-полупроводнике и дырок в л-полупроводнике). Если приложенное к р-л-переходу внешнее электрическое поле направлено противоположно полю контактного слоя (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
